控制与控制系统讲座教学课件

培养无师自通能力培养无师自通能力 可以预言，未来的可以预言，未来的“文盲文盲”将不再将不再是目不识丁的人，而是一些没有学会学是目不识丁的人，而是一些没有学会学习方法，不会自己钻研问题，没有预见习方法，不会自己钻研问题，没有预见能力、分析能力的人。能力、分析能力的人。6/23/20241武汉理工大学机电学院 容一鸣2.关于控制与控制系统关于控制与控制系统阀门阀门水箱水箱浮子浮子给定液位给定液位实际液位实际液位物质流物质流干扰信号干扰信号杠杆杠杆一一一一6/23/20242武汉理工大学机电学院 容一鸣2.1控制系统的基本概念控制系统的基本概念大脑大脑脚踏油门脚踏油门汽车汽车车速表车速表期望期望车速车速实际车实际车速速反馈信号反馈信号偏差偏差汽车的恒速控制汽车的恒速控制汽车的恒速控制汽车的恒速控制驱动系驱动系能量流能量流道路坡度等的道路坡度等的影响影响6/23/20243武汉理工大学机电学院 容一鸣汽车的行驶轨线控制汽车的行驶轨线控制大脑大脑方向盘方向盘汽车汽车眼睛眼睛期望期望轨线轨线实际轨实际轨线线反馈信号反馈信号偏差偏差转向系转向系能量流能量流横风等的横风等的影响影响6/23/20244武汉理工大学机电学院 容一鸣定义：控制与自动控制定义：控制与自动控制所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制称控制装置或控制器器)，使机器、设备或生产过程，使机器、设备或生产过程(统称被控对象统称被控对象)的的某个工作状态或参数某个工作状态或参数(即被控量、输出即被控量、输出)自动地按自动地按照预定的规律运行。照预定的规律运行。控制就是按照预先给定的目标，改变系统控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。行为或性能的方法学。6/23/20245武汉理工大学机电学院 容一鸣2.1.1控制系统基本组成与工作原理控制系统基本组成与工作原理控制器控制器执行器执行器受控对象受控对象检测器检测器输入输入输出输出反馈信号反馈信号干扰信号干扰信号能量流能量流物质流物质流信息流信息流控制规律控制规律偏差信号偏差信号控制器：现代控制系统一般采用计算机，完成比较、放大、变换等信控制器：现代控制系统一般采用计算机，完成比较、放大、变换等信号处理工作，输出控制规律；比较器就是最简单的控制器。执行器和号处理工作，输出控制规律；比较器就是最简单的控制器。执行器和受控对象合称受控系统，它一般是一个能量传动系统，一个动态系统。受控对象合称受控系统，它一般是一个能量传动系统，一个动态系统。6/23/20246武汉理工大学机电学院 容一鸣2.1.2反馈控制原理反馈控制原理检测输出检测输出比较得偏差比较得偏差纠正偏差纠正偏差控制的目的？控制的目的？输入是什么？输入是什么？输出是什么？输出是什么？描述对象特征的某个物理量描述对象特征的某个物理量输出如何检测？输出如何检测？受控对象是谁？受控对象是谁？基于负反馈基础上的检测偏差用以纠正偏差的基于负反馈基础上的检测偏差用以纠正偏差的控制原理称之为反馈控制原理。控制原理称之为反馈控制原理。6/23/20247武汉理工大学机电学院 容一鸣2.1.3控制过程的物理本质控制过程的物理本质 从从物物理理本本质质上上看看，控控制制过过程程是是一一种种信信息息处处理理及及控控制制能能量量（物质、信息）按给定规律进行转移的过程。（物质、信息）按给定规律进行转移的过程。控制器控制器执行器执行器受控对象受控对象检测器检测器输入输入输出输出反馈信号反馈信号干扰信号干扰信号能量流能量流物质流物质流信息流信息流控制控制规律规律偏差信号偏差信号 提高信息处理能力，以最短的时间和（或）最小的控制提高信息处理能力，以最短的时间和（或）最小的控制代价，实现系统按预定的规律进行能量转移，这就是控制系代价，实现系统按预定的规律进行能量转移，这就是控制系统设计所要解决的中心问题。统设计所要解决的中心问题。不论控制理论如何发展，不论控制理论如何发展，最优控制始终是控制的核心问题。最优控制始终是控制的核心问题。6/23/20248武汉理工大学机电学院 容一鸣2.1.4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求表示性能指标td、tr、Mp和ts的单位阶跃响应曲线瞬态性能瞬态性能稳态性能稳态性能稳定性稳定性6/23/20249武汉理工大学机电学院 容一鸣2.2 动态系统的数学模型动态系统的数学模型此式为二阶常系数线性微分方程此式为二阶常系数线性微分方程惯性力惯性力粘性力粘性力弹性力弹性力外力或内力外力或内力6/23/202410武汉理工大学机电学院 容一鸣数学模型的方块图表示数学模型的方块图表示 方方块块图图描描述述了了系系统统中中信信号号转转换换、传传递递的的过过程程，给出了系统的工作原理。给出了系统的工作原理。6/23/202411武汉理工大学机电学院 容一鸣动态系统的传递函数模型动态系统的传递函数模型运动微分方程运动微分方程S S的代数方程的代数方程拉普拉斯变换拉普拉斯变换按传递函数定义，有按传递函数定义，有系统输出响应：系统输出响应：即即线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出量线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。6/23/202412武汉理工大学机电学院 容一鸣系统的特征根与极点系统的特征根与极点N阶系统有阶系统有n个特征根。个特征根。特征根只能是特征根只能是0、实数、复数（必共扼出现）。、实数、复数（必共扼出现）。特征方程为特征方程为齐次方程为齐次方程为特征方程的根称为特征根，特征根是系统系数的组合。特征方程的根称为特征根，特征根是系统系数的组合。系统特征根决定了系统的性能系统特征根决定了系统的性能!6/23/202413武汉理工大学机电学院 容一鸣系统的特征根与极点系统的特征根与极点系统的特征方程系统的特征方程分母称为系统的特征多项式分母称为系统的特征多项式系统特征根系统特征根系统极点系统极点根据传递函数定义，有输入根据传递函数定义，有输入输出模型输出模型6/23/202414武汉理工大学机电学院 容一鸣控制系统的分析内容与方法控制系统的分析内容与方法分析的内容分析的内容稳定性分析，动态性能分析、稳态误差分析稳定性分析，动态性能分析、稳态误差分析主要分析方法主要分析方法时域分析方法、频域分析方法时域分析方法、频域分析方法时域分析的实质就是求解描述系统性能的运动微分方程时域分析的实质就是求解描述系统性能的运动微分方程6/23/202415武汉理工大学机电学院 容一鸣2.3 控制系统的时域分析控制系统的时域分析为为了了衡衡量量系系统统的的动动态态性性能能，同同时时能能对对不不同同系系统统的的性性能能进进行行比比较较，通通常常采采用用单单位位阶阶跃跃函函数数作作为为测测试试信信号号。相相应应地地，系系统统的的响应称为单位阶跃响应。响应称为单位阶跃响应。任何复杂系统都是由简单的一阶、二阶系统组成任何复杂系统都是由简单的一阶、二阶系统组成任何复杂信号都是由简单信号叠加而成的任何复杂信号都是由简单信号叠加而成的傅立叶级数傅立叶级数线性稳定系统线性稳定系统响应响应输入的微分输入的微分(积分积分)响应的微分响应的微分(积分积分)输入输入脉冲函数脉冲函数阶跃函数阶跃函数加速度函数加速度函数速度函数速度函数积积分分积积分分微微分分6/23/202416武汉理工大学机电学院 容一鸣2.3.1 一阶系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应举例举例特点：特点：有一个蓄能元件，有一个蓄能元件，含时间常数，含时间常数，具有惯性，输出滞后输入。具有惯性，输出滞后输入。：时间常数：时间常数响应分析响应分析6/23/202417武汉理工大学机电学院 容一鸣2.3.2二阶系统的阶跃响应分析二阶系统的阶跃响应分析6/23/202418武汉理工大学机电学院 容一鸣二阶系统的传递函数与极点二阶系统的传递函数与极点根据系统阻尼比根据系统阻尼比的值，二阶系统有：的值，二阶系统有：6/23/202419武汉理工大学机电学院 容一鸣欠阻尼二阶系统的响应曲线欠阻尼二阶系统的响应曲线6/23/202420武汉理工大学机电学院 容一鸣控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标注意：响应的平稳性与快速性是相互矛盾的。注意：响应的平稳性与快速性是相互矛盾的。时间指标：响应的时间指标：响应的快速性。快速性。最大超调量：相对最大超调量：相对稳定性，响应的平稳定性，响应的平稳性，系统的阻尼稳性，系统的阻尼程度。程度。6/23/202421武汉理工大学机电学院 容一鸣2.4控制系统的频域分析控制系统的频域分析频率特性是控制理论最基本的概念之一频率特性是控制理论最基本的概念之一频率响应？频率响应？稳定的系统对正弦输入的稳态响应。稳定的系统对正弦输入的稳态响应。频率响应有什么特性？频率响应有什么特性？如何求系统的频率响应？如何求系统的频率响应？为什么可以用频率响应来研究系统的性能？为什么可以用频率响应来研究系统的性能？6/23/202422武汉理工大学机电学院 容一鸣2.4.1频率响应与频率特性频率响应与频率特性频率响应频率响应的特点的特点稳态输出与输入相比，都是同频率的正弦函数，稳态输出与输入相比，都是同频率的正弦函数，但幅值不同，相位不同。但幅值不同，相位不同。稳态输出的幅值为输入幅值的一个相应的倍数；稳态输出的幅值为输入幅值的一个相应的倍数；相位比输入相位滞后一个角度。相位比输入相位滞后一个角度。幅值比幅值比它是频率它是频率的函数，的函数，称为幅频特性；称为幅频特性；相位差相位差它是频率它是频率的函数，的函数，称为相频特性。称为相频特性。结论结论幅值比、相位差随频率幅值比、相位差随频率变化变化频率响应的这种特性，用频率特性描述。频率响应的这种特性，用频率特性描述。频率响应：频率响应：系统对正弦信号的稳态响应系统对正弦信号的稳态响应稳定系统稳定系统Xi=AisintXo=Ao()sint+()6/23/202423武汉理工大学机电学院 容一鸣2.4.2频率特性的定义频率特性的定义线性稳定系统在正弦信号作用下，当频率从零变线性稳定系统在正弦信号作用下，当频率从零变化到无穷时，稳态输出与输入的幅值比、相位差随频化到无穷时，稳态输出与输入的幅值比、相位差随频率变化的特性，称为频率特性。频率特性由幅频特性率变化的特性，称为频率特性。频率特性由幅频特性和相频特性两部分组成。和相频特性两部分组成。6/23/202424武汉理工大学机电学院 容一鸣幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性 系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输人信号的幅系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输人信号的幅值之比随输入频率的变比而变化的特性称为幅频特性，值之比随输入频率的变比而变化的特性称为幅频特性，它描述了系统对输入信号幅值的放大、衰减特性。它描述了系统对输入信号幅值的放大、衰减特性。系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输入信号的相系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输入信号的相位之差随输入频率的变化而变化的特性称为相频特性，位之差随输入频率的变化而变化的特性称为相频特性，它描述了系统输出信号相位对输入信号相位的超前、迟它描述了系统输出信号相位对输入信号相位的超前、迟后特性。后特性。6/23/202425武汉理工大学机电学院 容一鸣频率特性的求取方法频率特性的求取方法两两个个复复数数积积或或商商的的模模等等于于两两个个复复数数的的模模的的积积或或商商；两两个个复复数数积积或或商商的的相相位位等等于于两两个个复复数数的的相相位位的的和和（加）（加）或差（减）。或差（减）。注意复数的运算：注意复数的运算：6/23/202426武汉理工大学机电学院 容一鸣频率特性的求取举例频率特性的求取举例传递函数和频率特性为传递函数和频率特性为幅频特性幅频特性相频特性相频特性若输入为若输入为:则稳态输出为则稳态输出为:6/23/202427武汉理工大学机电学院 容一鸣频率特性的物理意义频率特性的物理意义表明系统跟踪、复现不同频率表明系统跟踪、复现不同频率信号的能力。信号的能力。系统的频率特性随频率而变化的根本原因：系统的频率特性随频率而变化的根本原因：系统有蓄能元件、有惯性，对频率高的输入，系统有蓄能元件、有惯性，对频率高的输入，系统来不及响应。系统来不及响应。当频率低时，系统能正确响当频率低时，系统能正确响应、跟踪、复现输入信号；当频应、跟踪、复现输入信号；当频率高时，系统输出幅值衰减近似率高时，系统输出幅值衰减近似为为0 0，相位严重滞后，系统不能，相位严重滞后，系统不能跟踪、复现输入。跟踪、复现输入。6/23/202428武汉理工大学机电学院 容一鸣频率特性的物理意义频率特性的物理意义系统的频率特性是系统的固有特性，取决于系统系统的频率特性是系统的固有特性，取决于系统结构和参数。结构和参数。时间常数一旦确定，频率特性随之而定，幅频特性、时间常数一旦确定，频率特性随之而定，幅频特性、相频特性也就确定，时间常数越大，系统能跟踪复现相频特性也就确定，时间常数越大，系统能跟踪复现的信号的频率越低。控制系统具有低通滤波器特性。的信号的频率越低。控制系统具有低通滤波器特性。6/23/202429武汉理工大学机电学院 容一鸣对数幅频特性坐标图的坐标系对数幅频特性坐标图的坐标系对对数数幅幅频频特特性性图图中中的的横横坐坐标标也也称称为为频频率率轴轴，采采用用对对数数分分度度，但但标注频率的实际值，单位是标注频率的实际值，单位是rad/s；6/23/202430武汉理工大学机电学院 容一鸣对对数数幅幅频频特特性性图图中中的的纵纵坐坐标标为为L()，表表示示对对数数幅幅频频特特性性的的函函数数值值。线性分度，单位是分贝线性分度，单位是分贝dB。6/23/202431武汉理工大学机电学院 容一鸣对数相频特性的纵坐标表示相频特性的函数值，单位是度（对数相频特性的纵坐标表示相频特性的函数值，单位是度（）。）。6/23/202432武汉理工大学机电学院 容一鸣6/23/202433武汉理工大学机电学院 容一鸣2.4 机电一体化系统机电一体化系统机电一体化是机械工程学中采用电子工程学的体现。机电一体化是机械工程学中采用电子工程学的体现。机电一体化是把机械学和电子学有机结合起来，机电一体化是把机械学和电子学有机结合起来，提供更加优越技术的一种技术。提供更加优越技术的一种技术。机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的总称。机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的总称。日本机械振兴协会经济研究所日本机械振兴协会经济研究所(1981.3)：机电一体化这：机电一体化这个词乃是机构的主功能、动力功能、信息处理功能和个词乃是机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成的系统的总称。备以及软件等有机结合起来构成的系统的总称。美国美国ASME1984年提出现代机械系统的定义：年提出现代机械系统的定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。机电部件相互联系的系统。MechanicsElectronics6/23/202434武汉理工大学机电学院 容一鸣机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成五官五官头脑头脑手足手足骨骼骨骼心脏心脏传感器传感器计算机计算机执行器执行器机械本体机械本体动力动力人体的五大部分人体的五大部分机电一体化产品的机电一体化产品的五大部分五大部分6/23/202435武汉理工大学机电学院 容一鸣机电一体化系统的一般结构机电一体化系统的一般结构控控制制器器执行器执行器机机械械本本体体检测器检测器A/D接接口口D/A驱动驱动动力源动力源现代系统一般现代系统一般采用计算机采用计算机信息储存、分析处理信息储存、分析处理数值计算、分析数值计算、分析发出各种控制命令发出各种控制命令完成各种动作完成各种动作行为、状态检测行为、状态检测机身机身机架机架工作台工作台提供能量去驱动执行机构提供能量去驱动执行机构信号转换信号转换6/23/202436武汉理工大学机电学院 容一鸣机电一体化相关技术机电一体化相关技术精密机械技术精密机械技术计算机与信息处理技术计算机与信息处理技术系统技术系统技术接口技术接口技术自动控制技术自动控制技术传感与检测技术传感与检测技术驱动技术（伺服控制，功率传动）驱动技术（伺服控制，功率传动）6/23/202437武汉理工大学机电学院 容一鸣6/23/202438武汉理工大学机电学院 容一鸣3.信号处理与分析信号处理与分析 6/23/202439武汉理工大学机电学院 容一鸣供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)