控制工程基础控制工程基础 （第一章）（第一章） 清华大学清华大学控制工程基础控制工程基础第一章第一章 概论概论第二章第二章 控制系统的动态数学模型控制系统的动态数学模型第三章第三章 时域瞬态响应分析时域瞬态响应分析第四章第四章 控制系统的频率特性控制系统的频率特性第五章第五章 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析第六章第六章 控制系统的误差分析和计算控制系统的误差分析和计算第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正* * 第八章第八章 根轨迹法根轨迹法* * 第九章第九章 控制系统的非线性问题控制系统的非线性问题第十章第十章 计算机控制系统计算机控制系统第十一章第十一章 MATLABMATLAB软件工具在控制系统分析和软件工具在控制系统分析和 综合中的应用综合中的应用第一章第一章 概述概述1.1 1.1 控制工程的发展控制工程的发展1.2 1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的控制理论在机械制造工业中的 应用应用1.41.4 课程主要内容及学时安排课程主要内容及学时安排 1.1 1.1 控制工程的发展控制工程的发展公元前14001100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。 公元前公元前300300年秦昭王时，由李冰父年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名水利工程都江子主持设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，是堰，是一种液面控制，是“系统系统”观观念的杰出体现念的杰出体现。 公元公元100100年，亚历山大的希罗发明开年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。闭庙门和分发圣水的自动计时装置。 公元公元132132年，中国科学家张衡（公年，中国科学家张衡（公元元7878139139）发明水运浑象，研制出自）发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。动测量地震的候风地动仪。 公元公元235235年，年，中国马钧研制中国马钧研制出用齿轮传动出用齿轮传动的自动指示方的自动指示方向的指南车向的指南车( (司司南车）南车） 另有发明击另有发明击鼓记里鼓记里 公元公元16371637年，中国明年，中国明代宋应星所代宋应星所著天工开著天工开物记载有物记载有程序控制思程序控制思想的提花织想的提花织机结构图。机结构图。 公元公元17881788年，英国人年，英国人J.WattJ.Watt用离心用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。生了第一次工业革命。 维纳，维纳，MITMIT教授，曾教授，曾于于19361936年到清华大学任年到清华大学任访问教授。早期进行模访问教授。早期进行模拟计算机研究，二战期拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。提炼出负反馈概念。 1948 1948年，维纳所著年，维纳所著控制论的出版，标控制论的出版，标志着这门学科的正式诞志着这门学科的正式诞生。生。控制论的奠基人控制论的奠基人美国科学家维纳美国科学家维纳（Wiener,N.，18941964） 1954 1954年，我国科学家钱学年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版工程控方法，用英文出版工程控制论，首先把控制论推广制论，首先把控制论推广到工程技术领域。到工程技术领域。 “工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基本思年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。了工程控制论研究的一条新途径。” 接着短短的几十年里，在各国科学家接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。控制理论的中心思想是通不断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。方面。 根据自动控制理论的内容和发展的不根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为同阶段，控制理论可分为“经典控制理论经典控制理论”和和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。两大部分。 “经典控制理论经典控制理论”的内容是以传递函数的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和为基础，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。输出这类控制系统的分析和设计问题。 “现代控制理论现代控制理论”是在是在“经典控制理论经典控制理论”的基础上，于的基础上，于6060年代以后发展起来的。它年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。发展。 第一颗人造卫星（苏联，第一颗人造卫星（苏联，19571957年）年） 第一颗载人飞船（苏联，第一颗载人飞船（苏联，19611961年）年） 人类首次登上月球（美国，人类首次登上月球（美国，19691969年）年） 首架航天飞机（美国，首架航天飞机（美国，19811981年）年） 首次冲出太阳系（美国，首次冲出太阳系（美国，19891989年）年） 仿人机器人（日本，仿人机器人（日本，20012001年）年） 神州五号载人航天成功（中国，神州五号载人航天成功（中国，20032003年）年） 勇气号、机遇号火星探测器（美国，勇气号、机遇号火星探测器（美国，20042004年）年） “作为技术科学的控制论，对工程技术、作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及我和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。跃。” 钱学森钱学森 1.2 1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念见光盘课件（第一章第二节）见光盘课件（第一章第二节） 机电工业是我国最重要的支柱产业机电工业是我国最重要的支柱产业之一之一 ，而传统的机电产品正在向机电一，而传统的机电产品正在向机电一体化（体化（MechatronicsMechatronics）方向发展。机电一方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应人，数控机床，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。用了控制理论。1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用控制理论在机械制造工业中的应用图 1-10 三坐标数控机床图1-13 柔性制造系统1.41.4 课程主要内容及学时安排课程主要内容及学时安排 控控制制工工程程基基础础课课程程主主要要阐阐述述的的是是有有关关反馈自动控制技术的基础理论。反馈自动控制技术的基础理论。 本本课课程程是是一一门门非非常常重重要要的的技技术术基基础础课课，是是机机械械学学院院平平台台课课程程。它它是是适适应应机机电电一一体体化化的的技技术术需需要要，针针对对机机械械对对象象的的控控制制，结结合合经经典典控控制制理理论论形形成成的的一一门门课课程程。本本课课程程主主要要涉涉及及经经典典控控制制理理论论的的主主要要内内容容及及应应用用, , 更加突出了机电控制的特点。更加突出了机电控制的特点。 本本课课程程在在高高等等数数学学、理理论论力力学学、电电工工电电子子学学等等知知识识的的基基础础上上，使使学学生生掌掌握握机机电电控控制制系系统统的的基基本本原原理理及及必必要要的的实实用用知知识识。值值得得指指出出的的是是，尽尽管管经经典典控控制制理理论论在在六六十十年年代代已已完完全全发发展展成成熟熟，但但它它并并不不过过时时，经经典典控控制制理理论论是是整整个个自自动动控控制制理理论论（包包括括现现代代控控制制理理论论）的的基基础础。用用一一个个不不十十分分贴贴切切的的比比喻喻，尽尽管管微微积积分分的的基基本本理理论论在在几几百百年年前前已已经经发发展展成成熟熟，但但在在高高等等数数学学中中至至今今仍仍然起着重大作用。然起着重大作用。 本课程的基本要求包括：本课程的基本要求包括： (1) (1) 掌掌握握机机电电反反馈馈控控制制系系统统的的基基本本概概念念，其其中中包包括括机机电电反反馈馈控控制制系系统统的的基基本本原原理理、机机电电反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成、开开环环控控制制、闭环控制等；闭环控制等； (2) (2) 掌握建立机电系统动力学模型的方法；掌握建立机电系统动力学模型的方法； (3) (3) 掌握机电系统的时域分析方法；掌握机电系统的时域分析方法； (4) (4) 掌握机电系统的频域分析方法；掌握机电系统的频域分析方法； (5) (5) 掌掌握握模模拟拟机机电电控控制制系系统统的的分分析析及及设设计计综合方法。综合方法。本本课课程程讲讲授授3939学学时时（包包括括课课堂堂讨讨论论），实实验验9 9学时（另限人数开设后续实验课）学时（另限人数开设后续实验课）本本教教材材主主要要涉涉及及经经典典控控制制理理论论部部分分，对对现现代代控控制制理理论论只只作作简简单单涉涉及及，现现代代控控制制理理论论的主要内容将在研究生课程中讲授。的主要内容将在研究生课程中讲授。作业作业考试考试主要教材主要教材 董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤 控制工程基础控制工程基础( (第二版第二版) ) 清华大学出版社，清华大学出版社，20032003年年主要参考文献主要参考文献 1 1 张伯鹏，控制工程基础，北京：机械工张伯鹏，控制工程基础，北京：机械工业出版社，业出版社，198219822 2高钟毓，机电控制工程（第高钟毓，机电控制工程（第2 2版），北版），北京：清华大学出版社，京：清华大学出版社，20022002 3 3 王显正，范崇托，控制理论基础，北京：王显正，范崇托，控制理论基础，北京：国防工业出版社，国防工业出版社，19801980 4 4Katsuhiko OgataKatsuhiko Ogata（美），现代控制工美），现代控制工程（第四版中译本），电子工业出版社，程（第四版中译本），电子工业出版社，2002002 2 5 5 吴麒，自动控制原理，北京：清华大学吴麒，自动控制原理，北京：清华大学出版社，出版社，19901990 66李李友友善善，自自动动控控制制原原理理，北北京京：国国防防工工业出版社，业出版社，19801980 7 7 杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础，杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础，武汉：华中工学院出版社，武汉：华中工学院出版社，19841984 8 8阳含和，机械控制工程（上册），北京：阳含和，机械控制工程（上册），北京：机械工业出版社，机械工业出版社，19861986 9 9 Morris Morris DrielsDriels, Linear Control , Linear Control Systems Engineering,(Systems Engineering,(国际国际知名大学原版教知名大学原版教材），清华大学出版社，材），清华大学出版社，2000.122000.12 10 10 Gene Gene F.Franklin,J.David F.Franklin,J.David Powell,EmamiPowell,Emami NaeiniNaeini， Feedback Feedback Control Control of of Dynamic Dynamic Systems Systems (4(4rdrd ed)ed)， Addison-Wesley Addison-Wesley Publishing Publishing CompanyCompany， 2002 2002 11 Richard 11 Richard C.Dorf,RobertC.Dorf,Robert H.Bishop H.Bishop， Modern Control System (7Modern Control System (7thth ed) ed)，Addison-Addison-Wesley Publishing CompanyWesley Publishing Company， 1995 1995 12 John Van De 12 John Van De VegteVegte， Feedback Control Feedback Control System (3System (3rdrd ed) ed)， Prentice-Hall Prentice-Hall， Inc. Inc.， EnglewoodEnglewood：Cliffs,New JerseyCliffs,New Jersey， 1994 19941313Ernest O. Ernest O. DoebelinDoebelin， Control System Control System Principles and DesignPrinciples and Design，Prentice-HallPrentice-Hall， Inc.Inc.， Englewood Englewood：Cliffs,New JerseyCliffs,New Jersey， 1985 1985 本章作业（本章作业（p1516)1-1， 1-2选做：做：1-6