控制工程基础1章

l教材：董景新控制工程基础教材：董景新控制工程基础l参考：胡寿松自动控制原理参考：胡寿松自动控制原理l 绪芳胜彦现代控制工程绪芳胜彦现代控制工程 MATLAB在控制系统分析与设计在控制系统分析与设计中的应用类的书籍中的应用类的书籍1l1、自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制：自动控制：就是在没有人直接参与的情况就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控对象的某些物理量准下，使生产过程或被控对象的某些物理量准确地按照预期的规律变化，使其具有希望的确地按照预期的规律变化，使其具有希望的状态和功能。状态和功能。自动控制系统：自动控制系统：能够实现自动控制任务的能够实现自动控制任务的系统。系统。2l恒值调节：恒值调节：系统的输入量为一恒值，或者随系统的输入量为一恒值，或者随时间缓慢地变化，要求系统的输出量保持为时间缓慢地变化，要求系统的输出量保持为希望的恒定值。例如：稳压电源，恒温系统。希望的恒定值。例如：稳压电源，恒温系统。l随动系统：随动系统：又称伺服跟踪系统。系统的输入又称伺服跟踪系统。系统的输入量随时间任意变化，系统的基本任务是控制量随时间任意变化，系统的基本任务是控制输出量以要求的精度及时平稳地复现输入量。输出量以要求的精度及时平稳地复现输入量。如转速调节，位置随动等如转速调节，位置随动等l程序控制：程序控制：系统的输入量按既定规律变化，系统的输入量按既定规律变化，系统的控制过程按照预定的程序进行。如生系统的控制过程按照预定的程序进行。如生产线的生产过程。产线的生产过程。3l控制理论分为控制理论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。经典控制理论：以经典控制理论：以传递函数传递函数为基础，研究为基础，研究单输单输入单输出入单输出的线性连续系统的分析和设计问题。的线性连续系统的分析和设计问题。现代控制理论：以现代控制理论：以状态空间法状态空间法为基础，研究为基础，研究多多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域的主要研究课题。其基础是计算机技这一领域的主要研究课题。其基础是计算机技术和现代应用数学。术和现代应用数学。4l经典控制可以利用硬件电路实现，也可经典控制可以利用硬件电路实现，也可以用计算机来实现，但现代控制是无论以用计算机来实现，但现代控制是无论如何离不开计算机的。如何离不开计算机的。l自动控制理论的发展：它的发展初期，自动控制理论的发展：它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。如二战时期的飞并主要用于工业控制。如二战时期的飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等。雷达跟踪系统等。60年代开始向以控制年代开始向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论发展。理论发展。5l本课程主要讲述以机械设备和机械制造本课程主要讲述以机械设备和机械制造过程为对象的经典控制理论。包括：过程为对象的经典控制理论。包括：1）控制系统分析：对已知的系统的静态和控制系统分析：对已知的系统的静态和动态性能（一般概括为稳定性、快速性和准动态性能（一般概括为稳定性、快速性和准确性）进行分析，看它们是否满足要求，并确性）进行分析，看它们是否满足要求，并提出改进措施。提出改进措施。2）控制系统设计：根据所要求的系统性能控制系统设计：根据所要求的系统性能指标来设计控制系统。也称控制系统的综合。指标来设计控制系统。也称控制系统的综合。67l1、研究机械工程技术中广义系统的动力研究机械工程技术中广义系统的动力学问题学问题l分析问题：系统已定，输入已知，求系统分析问题：系统已定，输入已知，求系统的输出的输出l最优控制：系统已知，确定输入，使系统最优控制：系统已知，确定输入，使系统尽可能符合给定的最佳要求尽可能符合给定的最佳要求l最优设计：输入已知，确定系统，使输出最优设计：输入已知，确定系统，使输出尽可能符合给定的最佳要求尽可能符合给定的最佳要求l滤波与预测：输出已知，确定系统，以识滤波与预测：输出已知，确定系统，以识别输入或输入输出中的有关信息别输入或输入输出中的有关信息l系统辩识：输入输出均已知，求出系统的系统辩识：输入输出均已知，求出系统的结论和参数结论和参数-数学模型数学模型8l1、名词解释、名词解释对象：是一个设备，它是由一些机器零件有机地对象：是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起，其作用是完成一个特定的动作。如组合在一起，其作用是完成一个特定的动作。如加热炉，调速器等。加热炉，调速器等。过程：一种自然的逐渐进行的运转或发展，其特过程：一种自然的逐渐进行的运转或发展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的方式相征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的方式相继发生在运转或发展状态中，并且最后导致一个继发生在运转或发展状态中，并且最后导致一个特定的结果或状态。简单地称任何被控制的运行特定的结果或状态。简单地称任何被控制的运行状态为过程。如化学过程，经济学过程和生物学状态为过程。如化学过程，经济学过程和生物学过程。过程。系统：系统是一些部件的组合，它们组合在一起系统：系统是一些部件的组合，它们组合在一起完成一定的任务。系统不限于物理系统。如包含完成一定的任务。系统不限于物理系统。如包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。了物理学，生物学和经济学等现象的系统。9l扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部，称为外扰。外扰是系统扰动产生在系统外部，称为外扰。外扰是系统的输入量。的输入量。l反馈控制：反馈控制是这样一种控制过程，它反馈控制：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量之间的偏差，而且其工作原出量与参考输入量之间的偏差，而且其工作原理也正是基于这一偏差基础之上的。理也正是基于这一偏差基础之上的。l反馈控制系统：反馈控制系统是一种能对输出反馈控制系统：反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的偏差进行控制。入量的偏差进行控制。10控制器对象或 过程测量 反馈11l1）开环控制系统：系统的输出量对系统）开环控制系统：系统的输出量对系统控制作用没有影响。控制作用没有影响。例如洗衣机，浸湿、洗涤、漂洗和甩干，例如洗衣机，浸湿、洗涤、漂洗和甩干，在洗衣机中是依次完成的。采用时基信在洗衣机中是依次完成的。采用时基信号的交通信号灯，则是另一个例子。号的交通信号灯，则是另一个例子。l2）闭环控制：凡是系统输出信号对控制）闭环控制：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。作用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。例如：热力系统的人工（或自动）反馈例如：热力系统的人工（或自动）反馈控制，所有的随动系统，大多数的程序控制，所有的随动系统，大多数的程序控制系统，室内冷藏设备，自动热水器。控制系统，室内冷藏设备，自动热水器。12 控制器控制器被控对象被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)k udnug例：直流电动机调速系统开环系统开环系统13 优点：结构简单、维护容易、成本低、不优点：结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题。存在稳定性问题。缺点：对元器件要求较高、抗干扰能力差。缺点：对元器件要求较高、抗干扰能力差。适用范围：输入量已知、控制精度要求不适用范围：输入量已知、控制精度要求不 高、扰动作用不大。高、扰动作用不大。14l 反映了控制量与被控制量相互间的矛盾，反映了控制量与被控制量相互间的矛盾，动静性能得到提高。动静性能得到提高。闭环系统闭环系统：负反馈：构成按偏差调节的闭环系统负反馈：构成按偏差调节的闭环系统控制器控制器被控对象被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差e(t)15 这是一个手动控制的电加热炉的示意图。从图中可以这是一个手动控制的电加热炉的示意图。从图中可以看出，控制的过程主要有三个部分：一是测量炉温，用眼看出，控制的过程主要有三个部分：一是测量炉温，用眼观察温度计，将读数送到大脑；二是在大脑中将读数与给观察温度计，将读数送到大脑；二是在大脑中将读数与给定温度（定温度（7000C）比较，并根据比较的结果指挥手臂的动）比较，并根据比较的结果指挥手臂的动作；三是增加或减小加热电阻丝两端的电压，以使炉温尽作；三是增加或减小加热电阻丝两端的电压，以使炉温尽可能接近给定值。可能接近给定值。16工作过程从受控对象（电加热炉）获取输出工作过程从受控对象（电加热炉）获取输出量量（实际炉温），并回送到输入端（即反馈），（实际炉温），并回送到输入端（即反馈），与输入量（给定炉温）进行比较产生偏差信号与输入量（给定炉温）进行比较产生偏差信号（温度差），利用偏差信号经过控制器（手臂）（温度差），利用偏差信号经过控制器（手臂）产生控制量（电阻产生控制量（电阻 丝两端的电压），从而跟踪丝两端的电压），从而跟踪输入量，减小跟踪误差。输入量，减小跟踪误差。1718l ug kudnub例：直流电动机调速系统按偏差调节：nub(ug-ub)ud n 控制量：ud=K(ug-ub)偏差信号：ug-ub19l3）、开环与闭环系统比较开环与闭环系统比较优点优点缺点缺点开环控制开环控制简单，没有振荡简单，没有振荡抗干扰能力差抗干扰能力差闭闭环控制环控制对外部扰动和内部对外部扰动和内部参数变化不敏感参数变化不敏感系统复杂，会有系统复杂，会有振荡、不稳定问振荡、不稳定问题题20放大 变换执行 元件并联 校正串联校正控制 对象反馈元件21l给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。l反馈元件：它测量被调节量或输出量，产生主反馈元件：它测量被调节量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在固定的函数关反馈信号，该信号与输出量存在固定的函数关系。系。l比较元件：用来比较输入信号与反馈信号之间比较元件：用来比较输入信号与反馈信号之间的偏差。的偏差。l放大元件：对偏差信号进行放大。放大元件：对偏差信号进行放大。l执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。如执行电机。如执行电机。l控制对象：控制系统所要操纵的元件。如机床，控制对象：控制系统所要操纵的元件。如机床，工作台。工作台。l校正元件：用于稳定控制系统，提高性能校正元件：用于稳定控制系统，提高性能。222324 按系统功用分按系统功用分252627可以归结为：可以归结为：稳定性稳定性 （长期稳定性）（长期稳定性）准确性准确性 （精度）（精度）快速性快速性 （相对稳定性）（相对稳定性）稳稳 准准快快28l1）稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的先）稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控制量偏离期决条件。一个稳定的控制系统，其被控制量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。不稳定的系统无法实现预定的控制任务。只有闭环不稳定的系统无法实现预定的控制任务。只有闭环系统才有稳定性问题。这是基本要求。系统才有稳定性问题。这是基本要求。l2）快速性：指当系统输出量与给定的输出量之间）快速性：指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。一般称为产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。一般称为动态性能。如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身动态性能。如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。动迟缓，仍然抓不住目标。l3）准确性：调整过程结束后输出量与给定的输入）准确性：调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，称为稳态偏差。一般用静态性能指量之间的偏差，称为稳态偏差。一般用静态性能指标来描述。显然，这种误差越小，表示系统的输出标来描述。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。跟随参考输入的精度越高。29l阶跃信号阶跃信号l斜坡信号斜坡信号l加速度信号加速度信号l脉冲信号脉冲信号l正弦函数正弦函数30)0(0)0()(ttatxi阶跃函数31)0(0)0()(ttattxi斜坡函数32)0(0)0()(2ttattxi加速度函数33)0(0)0(sin)(ttwtatxi正弦函数34)0(0)0(lim)(00000ttttttatxti或35l掌握有关自动控制的基本概念，明确控掌握有关自动控制的基本概念，明确控制系统的任务、组成及控制装置各部分制系统的任务、组成及控制装置各部分的作用。的作用。l了解系统的基本控制方式及特点，正确了解系统的基本控制方式及特点，正确理解负反馈控制原理理解负反馈控制原理l正确理解对控制系统稳、准、快的要求正确理解对控制系统稳、准、快的要求l通过学习，掌握由系统工作原理图画出通过学习，掌握由系统工作原理图画出系统方框图的方法（本章难点）系统方框图的方法（本章难点）36