《《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》第五版配套課件0-緒論(第一講).ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》第五版配套課件0-緒論(第一講).ppt（44頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

工程控制基礎(chǔ),主講人：向先波,,,,,專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,,本課是非電專業(yè)的機(jī)電技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用廣泛，學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，不能輕視。否則，對(duì)以后的工作、學(xué)習(xí)將會(huì)造成影響。前導(dǎo)課程：復(fù)變函數(shù)、電路理論、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)后續(xù)課程：船舶設(shè)計(jì)、船舶電氣、畢業(yè)設(shè)計(jì)等……控制思想、控制方法論,,,主要教學(xué)環(huán)節(jié),,希望和要求:,教學(xué)形式:課堂上，多媒體授課為主，板書為輔；學(xué)習(xí)模式：預(yù)習(xí)－>聽課－>復(fù)習(xí)(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(gè)人)EMAIL:simbol@助教：閆磊EMAIL:yanlei198202@,,,《工程控制基礎(chǔ)》課程說明,教學(xué)目標(biāo)：,對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中存在的問題能夠以控制論的觀點(diǎn)和思維方法進(jìn)行科學(xué)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(gè)機(jī)電系統(tǒng)，使之按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ)。,主要教學(xué)內(nèi)容,基礎(chǔ)知識(shí),分析方法,工程控制技術(shù),,工程應(yīng)用,●學(xué)時(shí)與學(xué)分：40/2.5,●基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排一．緒論4學(xué)時(shí)二．控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6學(xué)時(shí)三．系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析6學(xué)時(shí)四．系統(tǒng)的頻率特性分析8學(xué)時(shí)五．系統(tǒng)的穩(wěn)定性8學(xué)時(shí)六．系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正4學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)：2學(xué)時(shí)物理實(shí)驗(yàn)：2學(xué)時(shí),課程成績確定方法：本課程將注重過程，采用過程評(píng)價(jià)體系。成績主要由平時(shí)成績、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、考試成績?nèi)糠纸M成。每項(xiàng)說明如下：1.平時(shí)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(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況及平時(shí)做實(shí)驗(yàn)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(shí)成績+實(shí)驗(yàn)+考試成績?nèi)弑戎卮蠹s分別為：15%、15%、70%,上課將會(huì)有提問、點(diǎn)名，課堂練習(xí)；課后將會(huì)有作業(yè)，記入平時(shí)成績星期一交作業(yè)，星期五發(fā)作業(yè),《工程控制基礎(chǔ)》課程教材及參考書,教材：,《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》（第五版），楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學(xué)出版社，2005,參考書：,,第一章緒論,1.1引言1.2控制技術(shù)應(yīng)用舉例1.3自動(dòng)控制理論的發(fā)展1.4控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡介,1.1引言,在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如數(shù)控車床按預(yù)定程序自動(dòng)切削，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等。,Cybernetics:控制論,自動(dòng)控制技術(shù)除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的一部分。,在船舶制造領(lǐng)域，從20世紀(jì)50年代開始，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用就比較快地發(fā)展起來，并成為船舶發(fā)展的幾個(gè)主要方面之一,出現(xiàn)了“無人值班”的全自動(dòng)化機(jī)艙。,自動(dòng)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(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的一個(gè)或數(shù)個(gè)物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學(xué)成分等）自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。,自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控制對(duì)象是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程?？刂蒲b置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。,自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和組成是多種多樣的，其結(jié)構(gòu)有簡單也有復(fù)雜。它可以只控制一個(gè)物理量，也可以控制多個(gè)物理量甚至一個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和管理過程；它可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。,自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。一般由控制裝置和被控制對(duì)象組成。被控制對(duì)象是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程例如船舶、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐或熱力過程等。控制裝置則是指對(duì)被控制對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。包括測量設(shè)備、計(jì)算處理設(shè)備及驅(qū)動(dòng)動(dòng)作設(shè)備。,★控制技術(shù)融合了信息技術(shù)、工程技術(shù)，是多種技術(shù)的融合。,當(dāng)今世界，控制技術(shù)無處不在,1.2自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用,世界隨處可見控制與反控制,被控對(duì)象,人類自然信息狀態(tài)（不借助任何工具和技術(shù)的原始狀態(tài)）,輸入（獲?。嚎?、聽、聞、嘗、感存儲(chǔ)：大腦控制：大腦，世間最強(qiáng)大的處理控制器傳輸：聲音、手勢輸出（表達(dá)）：語言、手勢、表情自然狀態(tài)的不足!,控制技術(shù)與工具,和人類發(fā)明了機(jī)械和交通技術(shù)和工具一樣（主要是材料和能量技術(shù)），人類也發(fā)明了非常豐富多彩的控制技術(shù)和工具：輸入（獲?。和h(yuǎn)鏡、傳感器（發(fā)展較晚）傳輸：烽火臺(tái)、旗語、鼓語、郵遞、書籍、交通、電報(bào)、電話、無線電、電視、Internet存儲(chǔ)：結(jié)繩計(jì)數(shù)、文字、繪畫、紙和印刷（非常偉大的發(fā)明，現(xiàn)代技術(shù)很多方面都沒有超過它）、照相、錄音、錄像、數(shù)字存儲(chǔ)輸出（表達(dá)）：文字、繪畫、聲音（音響）、圖形、圖像（顯示技術(shù)）（包括電影電視）★處理控制：算籌、算盤、計(jì)算器、微處理器、計(jì)算機(jī)★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(shù)大潮,世紀(jì)之交的技術(shù)大轉(zhuǎn)移：數(shù)字化大轉(zhuǎn)移時(shí)間：世紀(jì)之交前后50年50年前開始，50年后成熟，信息領(lǐng)域數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)天下目前正是轉(zhuǎn)移的高峰期：Internet、計(jì)算機(jī)、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(jī)、數(shù)字?jǐn)z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(shù)大有用武之地！,控制技術(shù)應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn),所有應(yīng)用，均基于控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能處理、控制存儲(chǔ)接口應(yīng)用－輸入、輸出等還有一個(gè)重要特點(diǎn)：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(shù)應(yīng)用,控制技術(shù)應(yīng)用舉例(1),工業(yè)控制,電機(jī)控制機(jī)床控制生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制機(jī)器人控制......,控制技術(shù)的應(yīng)用,海洋探測機(jī)器人,1990年日本海洋科技中心研制的“海溝號(hào)”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時(shí)的情況（右）,CR-01型6000米水下無纜機(jī)器人,1995年8月我國沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機(jī)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(jī)器人,一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)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(jī)家庭影院微波爐......,控制技術(shù)應(yīng)用舉例(2),消費(fèi)類產(chǎn)品,WalkManU盤、MP3手機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品......,控制技術(shù)應(yīng)用舉例(3),32、64等合弦音MCU芯片,,智能樓宇的控制,控制技術(shù)應(yīng)用舉例(4),可視對(duì)講、室內(nèi)報(bào)警、遠(yuǎn)程家電控制…….,樓宇電梯的控制,信號(hào)檢測,供電系統(tǒng),電機(jī)(執(zhí)行機(jī)構(gòu)),可編程序控制器,ProgrammableLogicController,電機(jī)控制器,汽車電子,汽車電子,,電源發(fā)動(dòng)機(jī)控制行駛裝置報(bào)警與安全裝置旅居性儀表娛樂通訊,控制技術(shù)應(yīng)用舉例(5),21世紀(jì)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(jī),,電,,機(jī)電一體化,,,電子,機(jī)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(dǎo)航系統(tǒng)使用情景示意圖,汽車GPS定位，GIS導(dǎo)航，GSM通信,,1.3自動(dòng)控制理論的發(fā)展,自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)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(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)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(chǔ)的自動(dòng)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(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)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(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)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(yīng)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(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。,應(yīng)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(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)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(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳砹讼到y(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)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(shù)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(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)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(dòng)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(xué)工具、理論基礎(chǔ)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(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)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(jì)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(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)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(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)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(fù)雜的控制問題。被控對(duì)象的復(fù)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(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。,智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。,1.4控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),1.控制系統(tǒng)的數(shù)字化特點(diǎn)含有大量的矩陣運(yùn)算Fortan/C科學(xué)計(jì)算頻域、時(shí)域分析控制模型圖形化2.開發(fā)平臺(tái)：以計(jì)算機(jī)為工具，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jié),控制技術(shù)的應(yīng)用范圍廣，與我們的工作、生活密切相關(guān)，在現(xiàn)實(shí)世界中可謂無處不在，掌握好控制技術(shù)有著非常重要的意義！,