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《控制工程基础》 第1章 概论 1.1 控制理论在工程中的应用发展 1.2 自动控制系统的基本概念 1.2.1 自动控制系统的工作原理 1.2.2 开环控制与闭环控制 1.2.3 反馈控制系统的基本组成 1.2.4 自动控制系统的基本类型 1.2.5 对控制系统的基本要求 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用 1.4 课程主要内容及学时安排 课程的基本要求 数控机床 工业机器人 自动化生产线 * 公元1788年，英国人J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。 1868年：J. C. Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件。 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。 1895年：A. Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。 1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和控制问题。 控制论的奠基人，美国科学家维纳(N. Wiener, 1894~1964)，MIT教授 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论。 1954年：钱学森用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域。 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论：以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入单输出这类控制系统的分析和设计问题。 现代控制理论：以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入多输出（MIMO）、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题。控制理论研究的重点开始由频域转移到从本质上说是时域的状态空间方法。 50年代末60年代初：现代控制理论形成。 1956年：庞特里亚金提出极大值原理。 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论。 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论。 1960～1980年： 确定性系统的最优控制； 随机系统的最优控制； 复杂系统的自适应和自学习控制，等等。 1980至今： 鲁棒控制； 控制； 非线性控制； 智能控制，等等。 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，室内温度控制、数控机床、车辆/船舶/飞机自动驾驶、导弹制导等。 例1：人工控制恒温箱的工作原理 人工控制恒温箱的调节过程： （1）观测恒温箱内的温度（被控制量）。 （2）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向。 （3）根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度，回复到要求值。 总结： 人工控制过程的实质：检测偏差，再纠正偏差。 例2：自动控制恒温箱的工作原理 恒温箱自动控制系统工作原理： （1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电 压 。 （2）恒温箱期望温度由电压 给定，并与实际温度 比较，得到温度偏差信号 。 （3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差 ，电机停止转动。 从恒温箱控制系统功能框图可见： （1）给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。 （2）被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 （3）输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号（给定信号与返回的输出信号之差）。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。 例3：汽车驾驶中变速器的人工控制和自动控制 手动档汽车：变速器（档）为手动操纵式，需要驾驶员操纵变速杆来进行换档，即手动选择变速器的传动比，从而使汽车获得不同的行驶速度。 自动档汽车：变速器（档）为自动操纵式，只需驾驶员操纵加速踏板（即油门）就可以控制车速，其传动比的选择（即换档）是在电子控制单元（实际上就是一台计算机）的控制下，根据车速和发动机转速而自动实现的。 自动档汽车与手动档汽车相比，自动档汽车省略了操纵离合器和变速杆来进行换档的操作，从而使汽车的驾驶