机械工程控制基础(绪论)课件.ppt
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- 机械工程 控制 基础 绪论 课件
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1、控制工程基础控制工程基础0 0章章 前言前言控制工程基础控制工程基础 前言前言 1 1、课程简介、课程简介 2 2、课程主要内容的讲授方式、课程主要内容的讲授方式 3 3、课程的教学目标和基本要求、课程的教学目标和基本要求 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点 5 5、课程各章节间的相互关系、课程各章节间的相互关系 6 6、学时安排、学时安排 7 7、其它要求、其它要求控制工程基础控制工程基础1 1、课程简介、课程简介 控制工程基础控制工程基础课程是机械工程类专业的一门课程是机械工程类专业的一门重要的学科基础课程重要的学科基础课程,既是基础课的深入,又是,既是基础课的深入,又是专业课
2、的理论基础。专业课的理论基础。 理论性强、抽象程度高,知识点多,而且习题多理论性强、抽象程度高,知识点多,而且习题多、难度大。、难度大。2 2、课程主要内容的讲授方式课程主要内容的讲授方式 依据教学大纲,适当补充一些内容。依据教学大纲,适当补充一些内容。 根据不同章节内容分别采取叙述式、启发式、案根据不同章节内容分别采取叙述式、启发式、案例式、讨论式、跳跃式、研究性等方法讲授。例式、讨论式、跳跃式、研究性等方法讲授。控制工程基础控制工程基础3 3、课程的教学目标和基本要求、课程的教学目标和基本要求 了解控制系统的基本组成与结构的基础上,了解控制系统的基本组成与结构的基础上,学习建立系统的学习建
3、立系统的动态数学模型动态数学模型;对数学模型;对数学模型的求解衍生出三种的求解衍生出三种分析分析方法(方法(时域分析法,时域分析法,根轨迹法根轨迹法 ,频域分析法,频域分析法);掌握控制系统);掌握控制系统稳定性稳定性判别方法;具备根据控制系统性能指判别方法;具备根据控制系统性能指标的要求进行系统标的要求进行系统校正校正和和设计设计的能力。的能力。为今为今后从事机电一体化大系统的分析和研究奠定后从事机电一体化大系统的分析和研究奠定基础。基础。控制工程基础控制工程基础 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点中文名中文名: : 现代控制系统现代控制系统原名原名: Modern Contro
4、l Systems: Modern Control Systems作者作者: Richard C. Dorf Robert H. Bishop: Richard C. Dorf Robert H. Bishop20072007年电子工业出版社年电子工业出版社中文名中文名: : 现代控制工程现代控制工程原名原名: Modern Control Engineering Fifth Edition: Modern Control Engineering Fifth Edition作者作者: Katsuhiko Ogata: Katsuhiko Ogata20032003年电子工业出版社年电子工业出版
5、社 控制工程基础控制工程基础4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点董景新、赵长德等编著董景新、赵长德等编著清华大学出版清华大学出版作者:胡寿松作者:胡寿松科学出版社科学出版社控制工程基础控制工程基础工程控制论(新世纪版)工程控制论(新世纪版) 钱学森钱学森 上海交通大学上海交通大学出版社出版社 4 4、主要参考书及其特点、主要参考书及其特点控制工程基础控制工程基础5 5、课程各章节间的相互关系、课程各章节间的相互关系控制系统的基本概念(控制系统的基本概念(1 1)控制系统的数学模型(控制系统的数学模型(2 2)控制系统的的分析(控制系统的的分析(3 3、4 4、5 5)时域分析(时域分
6、析(3 3)频域分析(频域分析(4 4)根轨迹分析根轨迹分析稳定性分析(稳定性分析(5 5)控制系统的综合(控制系统的综合(6 6)时域分析法(时域分析法(3 3)频域分析法(频域分析法(4 4)根轨迹法根轨迹法控制工程基础控制工程基础6 6、学时安排、学时安排序号序号教学内容教学内容教学环节(课时)教学环节(课时)讲课讲课习题习题讨论讨论课外课外小计小计0前言前言1231绪论绪论4352系统数学模型系统数学模型14126383系统时间响应分析系统时间响应分析10110184系统频率特性分析系统频率特性分析8110195系统的稳定性系统的稳定性718166系统的性能指标与校正系统的性能指标与校
7、正 4122048471119控制工程基础控制工程基础8 8、其它要求、其它要求 课前做好预习,带着问题听讲。课前做好预习,带着问题听讲。 独立完成作业,杜绝抄袭作业现象。独立完成作业,杜绝抄袭作业现象。 保证课外自习的学习时间,培养独立学习的能力。保证课外自习的学习时间,培养独立学习的能力。 遵守纪律,不迟到、早退,更不能缺课。特殊情况必须遵守纪律,不迟到、早退,更不能缺课。特殊情况必须请假。请假。 尊重课堂,尊重劳动,也尊重自己。尊重课堂,尊重劳动,也尊重自己。控制工程基础控制工程基础第第1 1章章 绪论绪论控制工程基础控制工程基础主要内容:主要内容: 控制与自动控制技术的应用成果控制与自
8、动控制技术的应用成果 控制论简介控制论简介 反馈控制系统的基本结构与组成反馈控制系统的基本结构与组成 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务 控制系统的分类与控制系统的基本要求(性能指标)控制系统的分类与控制系统的基本要求(性能指标) 自动控制的发展及现状自动控制的发展及现状第一章第一章 绪论绪论控制工程基础控制工程基础1 1、什么是控制?、什么是控制? 人操控开关点燃灯是不是控制?人操控开关点燃灯是不是控制? “人猿相揖别,只几个石头磨过,小儿时节。人猿相揖别,只几个石头磨过,小儿时节。” 人人-控制者控制者 工具工具-被控制者(被控对象)被控制者(被控对象) -控制目
9、标控制目标 控制(人工控制)控制(人工控制)-人制造或使用工具的有目的的行为。人制造或使用工具的有目的的行为。 工具(机器或设备)或生产过程能否可以脱离人自动的工具(机器或设备)或生产过程能否可以脱离人自动的工作工作 ? 人类很早以前就进行过自动化的尝试,产生了许多早期成人类很早以前就进行过自动化的尝试,产生了许多早期成果。果。控制工程基础控制工程基础2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果 人类社会的历史就是改造自然、控制自然的历史。人类社会的历史就是改造自然、控制自然的历史。 始建于公元前始建于公元前256年年 由分水由分水鱼嘴、飞沙堰、鱼嘴、飞沙堰、 宝瓶口宝瓶口等
10、部分组成。等部分组成。, 都江堰水利工程科学都江堰水利工程科学 地解决了江水地解决了江水自动分自动分 流、自动排沙、控制流、自动排沙、控制 进水流量进水流量等问题,消等问题,消 除了水患。除了水患。控制工程基础控制工程基础 相传早在相传早在50005000多年前多年前, ,黄黄帝时代就已经发明了指南帝时代就已经发明了指南车车, ,当时黄帝曾凭着它在当时黄帝曾凭着它在大雾弥漫的战场上指示方大雾弥漫的战场上指示方向向, ,战胜了蚩尤。战胜了蚩尤。2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础 地动仪是我古代汉族科学家地动仪是我古代汉族科学家创造的一传世杰作,
11、由创造的一传世杰作,由东汉东汉时期天文学家时期天文学家张衡张衡在阳嘉元在阳嘉元年年( (公元公元132132年年) )发明,称为候发明,称为候风地动仪,这也是世界上的风地动仪,这也是世界上的第一架地动仪。第一架地动仪。2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础 明嘉靖年间明嘉靖年间( (公元一五二二年公元一五二二年 至一五六六年至一五六六年) )兰州人兰州人段续段续所所 造造, ,是一种利用黄河水流自然是一种利用黄河水流自然 的冲击力冲动车轮叶板,推动的冲击力冲动车轮叶板,推动 水车转动,水斗便舀满河水,水车转动,水斗便舀满河水, 将水提升将水提升2
12、020米左右,等转至顶米左右,等转至顶 空后再倾入木槽,源源不断,空后再倾入木槽,源源不断, 流入园地,以利灌溉。这种通流入园地,以利灌溉。这种通 过水车转动,过水车转动,自动自动提水灌溉农提水灌溉农 田的水利设施,是古代的田的水利设施,是古代的“自自来水工程来水工程 。 2 2、我国自动控制技术的早期成果、我国自动控制技术的早期成果控制工程基础控制工程基础3 3、什么是自动控制?、什么是自动控制? 机器、设备或生产过程(统称被控对象)自动地按照预机器、设备或生产过程(统称被控对象)自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念概念而言的。指而言的。指
13、的是在没人参与的情况下,被控对象在控制装置干预下,的是在没人参与的情况下,被控对象在控制装置干预下,自动地按预定自动地按预定规律规律运行。运行。 都江堰水利工程、指南车、地动仪,兰州水车都是离开都江堰水利工程、指南车、地动仪,兰州水车都是离开人的干预自动工作的。人的干预自动工作的。控制工程基础控制工程基础4 4、控制技术的现代应用、控制技术的现代应用瑞典博福斯公司研制的瑞典博福斯公司研制的“双鹰双鹰”水下扫雷机器人水下扫雷机器人控制工程基础控制工程基础火炮系统火炮系统控制工程基础控制工程基础航天工程控制工程基础控制工程基础高铁技术高铁技术控制工程基础控制工程基础四轴数控机床四轴数控机床控制工程
14、基础控制工程基础5 5、控制论简介、控制论简介 系统论系统论的创始人是美籍奥地利生物学家的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲贝塔朗菲。著作著作关于一般系统论关于一般系统论-1945-1945年。年。系统论是研究系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。控制论控制论的创始人是著名美国数学家的创始人是著名美国数学家维纳维纳(WienerNWienerN)。)。著作著作控制论控制论关于动物和机器中的控制与通信的关于动物和机器中的控制与通信的科学科学-1948-1948年。年。控制论为人们对系统的管理和控控制论为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的
15、指导。制提供了一般方法论的指导。信息论信息论是由美国数学家是由美国数学家香农香农创立的。著作创立的。著作通信的数通信的数学理论学理论-1948-1948年。年。信息论认为信息论认为, ,系统正是通过获取、系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的;信信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。 老三论(简称老三论(简称SCI SCI )控制工程基础控制工程基础 18931893年生,天才神童,美国人,哲学家、数学家。年生,天才神童,美国人,哲学家、数学家。 3 3岁开始读书上,生物学和天文
16、学的初级科学岁开始读书上,生物学和天文学的初级科学 读物成了他在科学方面的启蒙书籍。读物成了他在科学方面的启蒙书籍。 1111岁写出感知理论的哲学论文。岁写出感知理论的哲学论文。 1414岁塔夫茨学院大学毕业。岁塔夫茨学院大学毕业。 1818岁哈佛大学哲学博士。岁哈佛大学哲学博士。 代表作:代表作:人有人的用处人有人的用处,行为、目的、行为、目的、目的性目的性。 5555岁(岁(19481948年)创立年)创立控制论控制论。 维纳其人维纳其人大器晚成的科学家大器晚成的科学家控制工程基础控制工程基础 第二次世界大战期间,第二次世界大战期间,维纳接受了军方的一项与火力控制维纳接受了军方的一项与火力
17、控制有关的研究工作,这个研究小组邀请了许多不同领域的科有关的研究工作,这个研究小组邀请了许多不同领域的科学家,维纳基于深厚的生物学知识和数学知识,深入探索学家,维纳基于深厚的生物学知识和数学知识,深入探索模拟人脑的行为来控制火炮。模拟人脑的行为来控制火炮。 上世纪上世纪40年代,伴随着科学技术的发年代,伴随着科学技术的发 展,一系列的科学技术问题是某一领展,一系列的科学技术问题是某一领 域单独学科的科学家无法解决的。这域单独学科的科学家无法解决的。这 促使许多不同学科的科学家自行组织促使许多不同学科的科学家自行组织 各种讨论会,研究共同感兴趣的问题,主要是各学科之间各种讨论会,研究共同感兴趣的
18、问题,主要是各学科之间交叉的问题。交叉的问题。维纳经常参加这类聚会结识了一批生物学维纳经常参加这类聚会结识了一批生物学家、物理学家、数学家、化学家、计算机科学家等,为家、物理学家、数学家、化学家、计算机科学家等,为创立控制论奠定了一定基础。创立控制论奠定了一定基础。控制论形成基础控制论形成基础控制工程基础控制工程基础控制论中的三要素:控制论中的三要素:同构理论,信息的流动与交换,反同构理论,信息的流动与交换,反馈机制。馈机制。控制论中的同构理论:控制论中的同构理论:小孩取物小孩取物 感觉器官:眼、耳感觉器官:眼、耳 中枢决策器官:大脑中枢决策器官:大脑 执行器官:手、脚执行器官:手、脚火炮打飞
19、机火炮打飞机维纳是如何发现问题、提出并创立控制理论的?维纳是如何发现问题、提出并创立控制理论的?控制工程基础控制工程基础 尽管机器与动物在本质上有着天壤之别,有着有生尽管机器与动物在本质上有着天壤之别,有着有生命和无生命的差别,但从机器控制的动作和人的行命和无生命的差别,但从机器控制的动作和人的行为过程来看,他们有着相当确切的为过程来看,他们有着相当确切的“同构性同构性”,这,这就是在实现机器动作和人的行为过程中,无一例外就是在实现机器动作和人的行为过程中,无一例外的经过了的经过了检测、决策、执行检测、决策、执行三个环节。三个环节。 在小孩取物和火炮打飞机的过程中,检测的是被控在小孩取物和火炮
20、打飞机的过程中,检测的是被控对象的位置坐标信息,决策机构是根据位置坐标信对象的位置坐标信息,决策机构是根据位置坐标信息进行决策,执行机构根据决策机构的决策信息进息进行决策,执行机构根据决策机构的决策信息进行执行。行执行。小结小结控制工程基础控制工程基础举世闻名的上甘岭战役中,电话线经常被敌人炸断,一举世闻名的上甘岭战役中,电话线经常被敌人炸断,一天不知道要被炸断多少次。电话线炸断通信中断,首长天不知道要被炸断多少次。电话线炸断通信中断,首长失去对战场的有效指挥,为了确保通信畅通,涌现了许失去对战场的有效指挥,为了确保通信畅通,涌现了许多英雄。有个叫牛保才的战士,为了接通电话,顽强地多英雄。有个
21、叫牛保才的战士,为了接通电话,顽强地用被美军子弹打穿的右手捏住电话线的一端,用嘴咬住用被美军子弹打穿的右手捏住电话线的一端,用嘴咬住另一端,以自己的身体接通了电话线路,保证了战斗命另一端,以自己的身体接通了电话线路,保证了战斗命令的及时下达。一次秦基伟军长打电话,多说了几句鼓令的及时下达。一次秦基伟军长打电话,多说了几句鼓励的话,电话转接员毫不客气地说:励的话,电话转接员毫不客气地说:“首长,别啰嗦了首长,别啰嗦了,拣要紧的说,赶紧下命令吧。,拣要紧的说,赶紧下命令吧。” 控制过程是信息的流动过程控制过程是信息的流动过程控制工程基础控制工程基础不同的信息的流动产生不同的结果不同的信息的流动产生
22、不同的结果控制工程基础控制工程基础盲人摸象游戏:盲人摸象游戏:蒙上眼睛信息只有单向流动,睁着蒙上眼睛信息只有单向流动,睁着眼睛信息是双向流动的。眼睛信息是双向流动的。信息的流动与信息的流动与交换交换我们先研究一下,蒙上了眼睛是怎么我们先研究一下,蒙上了眼睛是怎么控制摸象的?有没有信息的流动?为控制摸象的?有没有信息的流动?为什么具有不确定性?睁开眼睛,为什什么具有不确定性?睁开眼睛,为什么一定摸到象?么一定摸到象?蒙上眼睛摸象称为主动控制;睁着蒙上眼睛摸象称为主动控制;睁着 眼睛摸象称为被动控制。控制过程眼睛摸象称为被动控制。控制过程 是一个动态的过程。是一个动态的过程。控制工程基础控制工程基
23、础 反馈是指一个系统把信息输出后,又将系统的输出信反馈是指一个系统把信息输出后,又将系统的输出信息返回到系统的输入端并以某种方式改变输入,进而影息返回到系统的输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统的再输出的过程。响系统的再输出的过程。输输入入输输出出淮海战役的初步方案是小淮海战役,为什么越打越大?淮海战役的初步方案是小淮海战役,为什么越打越大?这就是信息双向流动的结果。这就是信息双向流动的结果。控制论中称信息的双向流动为控制论中称信息的双向流动为“反馈联系反馈联系”控制工程基础控制工程基础 维纳把控制论看作是一门研究机器、生命、社会(维纳把控制论看作是一门研究机器、生命、社会(同同构性构性)
24、中控制和通讯的一般规律的科学。控制的基础)中控制和通讯的一般规律的科学。控制的基础是信息,一切信息传递都是为了控制,任何控制又都是信息,一切信息传递都是为了控制,任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。其重要的概念。 控制论中,把所研究对象都视为系统(可以是控制论中,把所研究对象都视为系统(可以是机机器系统、生命系统、社会系统器系统、生命系统、社会系统等)。用于设定系统行等)。用于设定系统行为目标的输入称为控制输入,控制输入是指使系统达为目标的输入称为控制输入,控制输入是指使系统达到期望的目标值所需要的输入信号,系统
25、经决策、执到期望的目标值所需要的输入信号,系统经决策、执行所产生的行为或结果为实际输出,系统为达到行为行所产生的行为或结果为实际输出,系统为达到行为目标的历程是动态历程。目标的历程是动态历程。控制论表述控制论表述控制工程基础控制工程基础系统:系统:相互联系相互作用的元素构成的、一定功能的相互联系相互作用的元素构成的、一定功能的 有机整体。有机整体。系统与外界的相互作用:系统与外界的相互作用:外界对系统的作用:输入(激励)、干扰(扰动)外界对系统的作用:输入(激励)、干扰(扰动)系统对外界的作用:输出(响应)系统对外界的作用:输出(响应)系统输入输出外部激励系统内部的信息传递与交互系统响应系统的
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