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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)時少 內(nèi)容多 不能輕視 否則 對以后的工作 學(xué)習(xí)將會造成影響 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 船舶電氣 畢業(yè)設(shè)計等 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) 對機(jī)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(jìn)行科學(xué)分析 以找出問題本質(zhì)和有效的解決方法2 如何控制一個機(jī)電系統(tǒng) 使之按預(yù)定的規(guī)律運動 以達(dá)到預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 為實現(xiàn)最佳控制打下基礎(chǔ) 主要教學(xué)內(nèi)容 基礎(chǔ)知識 分析方法 工程控制技術(shù) 工程應(yīng)用 學(xué)時與學(xué)分 40 2 5 基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排一 緒論4學(xué)時二 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6學(xué)時三 系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析6學(xué)時四 系統(tǒng)的頻率特性分析8學(xué)時五 系統(tǒng)的穩(wěn)定性8學(xué)時六 系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正4學(xué)時上機(jī)實驗 2學(xué)時物理實驗 2學(xué)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(jī)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(zhǔn)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(xí) 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(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自動控制理論的發(fā)展1 4控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計簡介 1 1引言 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中 自動控制技術(shù)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(shè)備或裝置 控制裝置 使機(jī)器 設(shè)備或生產(chǎn)過程 控制對象 的某個工作狀態(tài)或參數(shù) 被控量 自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行 如數(shù)控車床按預(yù)定程序自動切削 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)及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中 自動控制技術(shù)更具特別重要的作用 不僅如此 自動控制技術(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生活領(lǐng)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(lǐng)域 從20世紀(jì)50年代開始 自動控制技術(shù)的應(yīng)用就比較快地發(fā)展起來 并成為船舶發(fā)展的幾個主要方面之一 出現(xiàn)了 無人值班 的全自動化機(jī)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(jī)器 設(shè)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(xué)成分等 自動的按照預(yù)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(jìn)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(jī)器 設(shè)備或生產(chǎn)過程 控制裝置是指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體 自動控制系統(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 它可以只控制一個物理量 也可以控制多個物理量甚至一個企業(yè)機(jī)構(gòu)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(jì)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(jìn)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(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 控制裝置則是指對被控制對象起控制作用的設(shè)備總體 包括測量設(shè)備 計算處理設(shè)備及驅(qū)動動作設(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自動控制技術(shù)應(yīng)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(shù)的原始狀態(tài) 輸入 獲取 看 聽 聞 嘗 感存儲 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 獲取 望遠(yuǎn)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(jié)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(shù)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(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 計算器 微處理器 計算機(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 所有應(yīng)用 均基于控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能處理 控制存儲接口應(yīng)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(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 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(jī)器人 1995年8月我國沈陽自動化所機(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(jī)家庭影院微波爐 控制技術(shù)應(yīng)用舉例 2 消費類產(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 可視對講 室內(nèi)報警 遠(yuǎn)程家電控制 樓宇電梯的控制 信號檢測 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)動機(jī)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(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(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(chǔ)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(shè)計和制造飛機(jī)及船用自動駕駛儀 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 引入反饋信號后 系統(tǒng)對來自內(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 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(jìn)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(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) 因而在實際應(yīng)用中有很大局限性 隨著航天事業(yè)和計算機(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(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)辨識和參數(shù)估計為基礎(chǔ) 在實時辨識基礎(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 從個別小系統(tǒng)的控制 發(fā)展到若干個相互關(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 運輸 環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學(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 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(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被控對象 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 動態(tài)突變 多時間標(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)動智能機(jī)器自主地實現(xiàn)其目標(biāo)的過程 對自主機(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 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)的計算機(jī)輔助設(shè)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(xué)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(jī)為工具 進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)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(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