《機械工程控制基礎》第五版配套課件0-緒論(第一講).ppt

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工程控制基礎,主講人：向先波,,,,,專業(yè)技術基礎課,,本課是非電專業(yè)的機電技術專業(yè)基礎課，應用廣泛，學時少、內(nèi)容多，不能輕視。否則，對以后的工作、學習將會造成影響。前導課程：復變函數(shù)、電路理論、機械制造技術基礎后續(xù)課程：船舶設計、船舶電氣、畢業(yè)設計等……控制思想、控制方法論,,,主要教學環(huán)節(jié),,希望和要求:,教學形式:課堂上，多媒體授課為主，板書為輔；學習模式：預習－>聽課－>復習(作業(yè)等形式),,,,課外交流聯(lián)系方式:,,授課人：向先波辦公室：東二樓新樓303室通訊方式：87543157-83(辦)62000576(個人)EMAIL:simbol@助教：閆磊EMAIL:yanlei198202@,,,《工程控制基礎》課程說明,教學目標：,對機電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點和思維方法進行科學分析，以找出問題本質(zhì)和有效的解決方法2.如何控制一個機電系統(tǒng)，使之按預定的規(guī)律運動，以達到預定的技術經(jīng)濟指標，為實現(xiàn)最佳控制打下基礎。,主要教學內(nèi)容,基礎知識,分析方法,工程控制技術,,工程應用,●學時與學分：40/2.5,●基本教學內(nèi)容與學時安排一．緒論4學時二．控制系統(tǒng)的數(shù)學模型6學時三．系統(tǒng)的時間響應分析6學時四．系統(tǒng)的頻率特性分析8學時五．系統(tǒng)的穩(wěn)定性8學時六．系統(tǒng)的性能指標與校正4學時上機實驗：2學時物理實驗：2學時,課程成績確定方法：本課程將注重過程，采用過程評價體系。成績主要由平時成績、上機實驗、考試成績?nèi)糠纸M成。每項說明如下：1.平時成績：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況、回答問題情況、上課情況等2.實驗：實驗準備情況及平時做實驗的完成情況3.考試：閉卷，卷面考試成績最終成績的給定大約按如下公式得到：平時成績+實驗+考試成績?nèi)弑戎卮蠹s分別為：15%、15%、70%,上課將會有提問、點名，課堂練習；課后將會有作業(yè)，記入平時成績星期一交作業(yè)，星期五發(fā)作業(yè),《工程控制基礎》課程教材及參考書,教材：,《機械工程控制基礎》（第五版），楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學出版社，2005,參考書：,,第一章緒論,1.1引言1.2控制技術應用舉例1.3自動控制理論的發(fā)展1.4控制系統(tǒng)的計算機輔助設計簡介,1.1引言,在現(xiàn)代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制裝置），使機器、設備或生產(chǎn)過程（控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。如數(shù)控車床按預定程序自動切削，人造衛(wèi)星準確進入預定軌道并回收等。,Cybernetics:控制論,自動控制技術除了在工業(yè)上廣泛應用外，近幾十年來，隨著計算機技術的發(fā)展和應用，在宇航、機器人控制、導彈制導及核動力等高新技術領域中，自動控制技術更具特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術的應用范圍現(xiàn)在已擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的一部分。,在船舶制造領域，從20世紀50年代開始，自動控制技術的應用就比較快地發(fā)展起來，并成為船舶發(fā)展的幾個主要方面之一,出現(xiàn)了“無人值班”的全自動化機艙。,自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（如機器、設備或生產(chǎn)過程）的一個或數(shù)個物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學成分等）自動的按照預定的規(guī)律運行（或變化）。,自動控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對象組成。被控制對象是指那些要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產(chǎn)過程?？刂蒲b置是指對被控對象起控制作用的設備總體。,自動控制系統(tǒng)的功能和組成是多種多樣的，其結構有簡單也有復雜。它可以只控制一個物理量，也可以控制多個物理量甚至一個企業(yè)機構的全部生產(chǎn)和管理過程；它可以是一個具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟系統(tǒng)。,自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蠊ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。一般由控制裝置和被控制對象組成。被控制對象是指要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產(chǎn)過程例如船舶、柴油機、發(fā)電機、鍋爐或熱力過程等。控制裝置則是指對被控制對象起控制作用的設備總體。包括測量設備、計算處理設備及驅(qū)動動作設備。,★控制技術融合了信息技術、工程技術，是多種技術的融合。,當今世界，控制技術無處不在,1.2自動控制技術應用,世界隨處可見控制與反控制,被控對象,人類自然信息狀態(tài)（不借助任何工具和技術的原始狀態(tài)）,輸入（獲?。嚎?、聽、聞、嘗、感存儲：大腦控制：大腦，世間最強大的處理控制器傳輸：聲音、手勢輸出（表達）：語言、手勢、表情自然狀態(tài)的不足!,控制技術與工具,和人類發(fā)明了機械和交通技術和工具一樣（主要是材料和能量技術），人類也發(fā)明了非常豐富多彩的控制技術和工具：輸入（獲?。和h鏡、傳感器（發(fā)展較晚）傳輸：烽火臺、旗語、鼓語、郵遞、書籍、交通、電報、電話、無線電、電視、Internet存儲：結繩計數(shù)、文字、繪畫、紙和印刷（非常偉大的發(fā)明，現(xiàn)代技術很多方面都沒有超過它）、照相、錄音、錄像、數(shù)字存儲輸出（表達）：文字、繪畫、聲音（音響）、圖形、圖像（顯示技術）（包括電影電視）★處理控制：算籌、算盤、計算器、微處理器、計算機★控制理論：經(jīng)典、現(xiàn)代、大系統(tǒng)理論,現(xiàn)象：數(shù)字化控制技術大潮,世紀之交的技術大轉(zhuǎn)移：數(shù)字化大轉(zhuǎn)移時間：世紀之交前后50年50年前開始，50年后成熟，信息領域數(shù)字技術一統(tǒng)天下目前正是轉(zhuǎn)移的高峰期：Internet、計算機、數(shù)字錄音、數(shù)據(jù)通訊（目前主干，即將用戶）、數(shù)字電視、數(shù)字廣播、數(shù)字相機、數(shù)字攝像、數(shù)字城市、數(shù)字流域、數(shù)字地球……...數(shù)字化控制、數(shù)字化生存專家語言：50年后，不是數(shù)字的信息產(chǎn)品很難見到（成熟）,數(shù)字化控制技術大有用武之地！,控制技術應用的出發(fā)點,所有應用，均基于控制系統(tǒng)的結構與功能處理、控制存儲接口應用－輸入、輸出等還有一個重要特點：在于信息量的輸出，不在于能量的獲取。,控制無處不在,,,控制技術應用,控制技術應用舉例(1),工業(yè)控制,電機控制機床控制生產(chǎn)過程自動化控制機器人控制......,控制技術的應用,海洋探測機器人,1990年日本海洋科技中心研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）,CR-01型6000米水下無纜機器人,1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右）,瑞典博福斯公司研制的“雙鷹”水下掃雷機器人,一個典型的運動控制系統(tǒng),船用火力發(fā)電綜合控制系統(tǒng),家用電器,冰箱、洗衣機家庭影院微波爐......,控制技術應用舉例(2),消費類產(chǎn)品,WalkManU盤、MP3手機應用產(chǎn)品......,控制技術應用舉例(3),32、64等合弦音MCU芯片,,智能樓宇的控制,控制技術應用舉例(4),可視對講、室內(nèi)報警、遠程家電控制…….,樓宇電梯的控制,信號檢測,供電系統(tǒng),電機(執(zhí)行機構),可編程序控制器,ProgrammableLogicController,電機控制器,汽車電子,汽車電子,,電源發(fā)動機控制行駛裝置報警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊,控制技術應用舉例(5),21世紀綠色環(huán)保汽車EV,安全、舒適、可靠,無廢氣排放(零排放),高效率,,,機,,電,,機電一體化,,,電子,機械,,控制,控制,基于CAN總線的汽車內(nèi)部控制示意圖,口語汽車導航系統(tǒng)使用情景示意圖,汽車GPS定位，GIS導航，GSM通信,,1.3自動控制理論的發(fā)展,自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。,經(jīng)典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。,1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應理論1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。,經(jīng)典控制理論的基本特征,（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。,應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內(nèi)部和外部干擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。,現(xiàn)代控制理論,由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。,大系統(tǒng)理論,20世紀70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應控制理論和方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎，在實時辨識基礎上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學模型的不確定性。隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領域推廣到包括經(jīng)濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學領域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。,智能控制,是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。被控對象的復雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。,智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、和專家控制等方法。,1.4控制系統(tǒng)的計算機輔助設計,1.控制系統(tǒng)的數(shù)字化特點含有大量的矩陣運算Fortan/C科學計算頻域、時域分析控制模型圖形化2.開發(fā)平臺：以計算機為工具，進行控制系統(tǒng)的設計與仿真分析Matatlab軟件1.控制系統(tǒng)工具箱—m文件算法分析2.Simulink仿真—建模、分析和仿真,小結,控制技術的應用范圍廣，與我們的工作、生活密切相關，在現(xiàn)實世界中可謂無處不在，掌握好控制技術有著非常重要的意義！,