机械工程控制基础--绪论--课件

自自动控制理控制理论_第第一一章章v 第一节第一节 自动控制理论发展史简述自动控制理论发展史简述v 第二节第二节 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念v 第三节第三节 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制v 第四节第四节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v 第五节第五节 对控制系统性能的要求和对控制系统性能的要求和 本课程的任务本课程的任务v 本章小结本章小结 第一章第一章 绪绪 论论ppt课件课件第一章第一章 绪论绪论(Introduction)Introduction)在在科科学学和和工工程程技技术的的发展展过程程中中，自自动控控制制技技术起起着着非非常常重重要要的的作作用用。除除了了在在宇宇宙宙飞船船、导弹发射射和和飞机机驾驶等等系系统中中，自自动控控制制技技术具具有有特特别重重要要的的作作用用之之外外，它它在在现代代机机器器制制造造和和工工业生生产过程程中也是不可缺少的重要中也是不可缺少的重要组成部分。成部分。随随着着自自动控控制制理理论和和技技术的的不不断断发展展，给人人们提提供供了了获得得动态系系统最最佳佳性性能能的的方方法法，提提高高了了产品品质量量，降降低低了了生生产成成本本，提提高高了了劳动生生产率率，使使人人们从繁重的体力从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。和重复的手工操作中解放出来。ppt课件课件 本章将本章将对本本课程的主要内容作一个程的主要内容作一个简介，使介，使同学们同学们对自自动控制理控制理论的内容的内容有一个基本有一个基本的的了解，以便更好地学了解，以便更好地学习以以后各章后各章节。ppt课件课件 第一节第一节 自动控制理论发展自动控制理论发展史简述史简述 第二节第二节 自动自动控制系统的一控制系统的一般概念般概念一、一、自动控制在国民经济中的作用自动控制在国民经济中的作用 自自动控制：控制：就是就是在在没有没有人直接参与的人直接参与的条件条件下，下，利用利用控制控制器使被控器使被控对象（如机器、象（如机器、设备、生、生产过程等）程等）的某些物理量的某些物理量（或工作状态）能（或工作状态）能自自动地按照地按照预定的定的规律律变化（或运行）变化（或运行）。自自动控制系控制系统的的应用是非常广泛的，例如：用是非常广泛的，例如：（一）自动控制一）自动控制技技术应用于用于军事、航天领域军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系火炮、雷达、跟踪系统；人造人造卫星；星；宇宙宇宙飞船。船。ppt课件课件q 轧钢过程；程；q 工工业窑炉；窑炉；q 石油化工；石油化工；q 水泥建材；水泥建材；q 玻璃、造玻璃、造纸等。等。（二）自动控制技术应用于工业生产过程（二）自动控制技术应用于工业生产过程（三）自动控制技术应用于现代农业生产（三）自动控制技术应用于现代农业生产 q 自自动灌灌溉；q 农产品品质量量检测；q 疫情疫情检测等。等。qppt课件课件 由于由于计算机等技算机等技术的的诞生和生和飞速速发展，使得展，使得控制技控制技术水平不断提高，已水平不断提高，已扩大到大到经济与与社会生社会生活的各个活的各个领域域，如通信、交通、医学、，如通信、交通、医学、环境保境保护、经济管理等管理等领域，控制技域，控制技术已成已成为现代社会不可代社会不可缺少的重要缺少的重要组成部分。成部分。近近年年来来，我我国国在在自自动化化仪表表、工工业调节器器、数数字字控控制制技技术、航航天天工工程程、核核动力力工工程程等等方方面面的的研究和研究和应用取得了用取得了长足足进展。展。ppt课件课件二、自动控制理论发展简介二、自动控制理论发展简介 自自动控制理控制理论是是自自动控制技控制技术的基的基础理理论，是一，是一门理理论性性较强的工程科学。根据自的工程科学。根据自动控控制技制技术的的发展展进程，自程，自动控制理控制理论可分可分为经典控制典控制理理论和和现代控制理代控制理论两大部分。两大部分。（一）、（一）、经典控制理典控制理论的形成和基本内容的形成和基本内容 古代两个典型的自古代两个典型的自动控制系控制系统ppt课件课件古代的液面和流量控制装置原理图古代的液面和流量控制装置原理图供水供水浮子浮子浮子浮子水钟水钟时时间间刻刻度度ppt课件课件离心调速器的应用示意图离心调速器的应用示意图ppt课件课件 最早期的、在工业中起重要作用的最早期的、在工业中起重要作用的第一个第一个自动调节装自动调节装置是置是1788年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速动调节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理是：器的工作原理是：如果负载增加，如果负载增加，(若若P不变不变Mn)蒸汽机蒸汽机转速转速 下降，则离心振子下降，则离心振子下降。滑块下降。滑块将通过杠杆将通过杠杆使蒸汽阀门开大，使蒸使蒸汽阀门开大，使蒸汽供给量增加（汽供给量增加（M不变，不变，Pn ），从而使蒸汽），从而使蒸汽机转速上升。机转速上升。ppt课件课件蒸汽机蒸汽机比较机构比较机构离心机构离心机构转换机构转换机构蒸汽量蒸汽量Q阀门阀门ppt课件课件 反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样，转速下降。这样，离心调速器可自动地抵制负载的变化，离心调速器可自动地抵制负载的变化，使转速保持在某一给定范围之内。使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自可以说，这是最早的自动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就会出现速度反复变化频繁的会出现速度反复变化频繁的振荡振荡现象，若其参数处理不好现象，若其参数处理不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，振荡是经常出现的现象）。振荡是经常出现的现象）。ppt课件课件最早的系统稳定性研究：最早的系统稳定性研究：J.C.Maxwell（麦克斯韦尔）（麦克斯韦尔），1868年发表年发表论调节器论调节器，研究调节器的微分方程，线性化处理，从描述系统的微分研究调节器的微分方程，线性化处理，从描述系统的微分方程的解中有无增长指数函数项来判断系统的稳定性，证方程的解中有无增长指数函数项来判断系统的稳定性，证明系统稳定性取决于明系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有负的实微分方程的特征根是否都具有负的实部部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。特征多项式系列应满足的条件。系统稳定准则：系统稳定准则：A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）（李雅普诺夫）于于1882年提出了李雅普诺年提出了李雅普诺夫第一法与第二法夫第一法与第二法；Hurwitz（霍尔维茨）（霍尔维茨）和和 E.J.Routh（劳斯）（劳斯）于于1884年提年提出的劳斯出的劳斯-霍尔维茨稳定判据。霍尔维茨稳定判据。ppt课件课件 H.Nyquist（奈奎斯特）（奈奎斯特）于于1932年提出奈氏判据及年提出奈氏判据及“稳定稳定裕度裕度”的概念，的概念，Bode(伯德）伯德）于于1945年提出了对数频率特性年提出了对数频率特性的方法。的方法。二二战战期期间间，军军事事科科学学的的需需要要大大大大促促进进了了反反馈馈控控制制理理论论的的发发展展。美美国国麻麻省省理理工工学学院院雷雷达达实实验验室室的的科科学学家家们们将将反反馈馈放放大大器器理理论论、PID（比比例例-积积分分-微微分分）控控制制以以及及N.Wiener（维维纳纳）的的随随机机过过程程理理论论等等结结合合在在一一起起，形形成成了了一一整整套套被被称称为为随动控制系统随动控制系统(servo control system)的设计方法。的设计方法。ppt课件课件根轨迹方法：根轨迹方法：(root locus)W.R.Evans（伊万斯）（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。稳定性分析的一种重要方法。1948年美国数学家年美国数学家N.Wiener（维纳）（维纳）发表了一篇题为发表了一篇题为控制论控制论的著作，首创了的著作，首创了（Cybernetics）这个名词，这本这个名词，这本著作的出版，标志着著作的出版，标志着控制论控制论这门学科的正式诞生。这门学科的正式诞生。第二次世界大战后，控制理论在民用工业中得到进一步第二次世界大战后，控制理论在民用工业中得到进一步应用，如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的控制，应用，如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的控制，解决了压力、温度、流量与化学成分的控制问题。解决了压力、温度、流量与化学成分的控制问题。50年代中年代中期，以反馈控制为中心的理论体系基本形成。一般把期，以反馈控制为中心的理论体系基本形成。一般把50年代年代掌舵人掌舵人ppt课件课件末以前形成的理论称为经典控制理论。主要讨论末以前形成的理论称为经典控制理论。主要讨论的内容有：的内容有：系统数学模型的建立、时域分析法、系统数学模型的建立、时域分析法、根轨迹法、频率响应法、系统综合与校正、非线根轨迹法、频率响应法、系统综合与校正、非线性系统性系统和和采样控制系统分析法采样控制系统分析法等。等。经典控制论是在复数域中以经典控制论是在复数域中以传递函数传递函数概念为概念为理论体系。主要研究理论体系。主要研究单输入单输入输出定常输出定常线性系统的分析与设计线性系统的分析与设计。Transformation functionppt课件课件（二）、现代控制理论概述（二）、现代控制理论概述 50年年代代末末，由由于于导导弹弹制制导导、航航天天、航航海海、航航空空技技术术的的发发展展需需要要和和电电子子计计算算机机技技术术的的成成熟熟，控控制制理理论论发发展展到到一一个个新新的阶段，出现了现代控制论。的阶段，出现了现代控制论。1956年年前前苏苏联联特特略略金金提提出出的的最最优优控控制制，1957年年美美国国的的Bellman（贝贝尔尔曼曼）提提出出的的动动态态规规划划理理论论，1960年年美美国国Kalman（卡卡尔尔曼曼）提提出出的的最最优优过过滤滤理理论论形形成成了了现现代代控控制制理理论的基础。论的基础。经经典典控控制制论论是是具具有有一一定定的的局局限限性性的的，它它所所研研究究的的系系统统限限于于线线性性时时不不变变单单回回路路系系统统，且且它它为为我我们们提提供供分分析析的的方方法法，然然后后改改进进系系统统再再进进行行尝尝试试，不不能能提提供供最最好好的的设设计计。由由于于数数字字计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能，计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能，ppt课件课件这这时时李李雅雅普普诺诺夫夫的的工工作作被被引引人人到到控控制制理理论论中中来来，而而由由Wiener（维维纳纳）等等人人在在第第二二次次世世界界大大战战期期间间关关于于最最优优控控制制的的研研究究也也被被用用来来研研究究系系统统状状态态轨轨迹迹的的优优化化问问题题。这这种种方方法法在在标标准准形形式式或或状状态态形形式式的的常常微微分分方方程程的的基基础础上上直直接接引引进进并并大大量量使使用用了了计计算算机机。这这种种方方法法通通常常称称为为“现现代代控控制制理理论论”，以区别于，以区别于60年代以前的年代以前的“经典控制理论经典控制理论”。1892年提出的理论年提出的理论The classic control theoryThe modern control theoryppt课件课件 现代控制理论的重要标志：现代控制理论的重要标志：状态空间法状态空间法被引入到控制理论中来被引入到控制理论中来 Kalman提出了提出了能控性能控性与与能观测性能观测性。表征系统结构特征的重。表征系统结构特征的重要概念。要概念。“内部研究内部研究”代替了传统的代替了传统的“外部研究外部研究”。并使分析与综。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。合过程建立在严格的理论基础之上。主主要要分分支支学学科科：线线性性系系统统理理论论、最最优优控控制制理理论论、系系统统辨辨识识与与自自适适应应控控制制、大大系系统统理理论论和和特特大大系系统统理理论论等等。一一些些分分支支学学科科还还渗渗透透到到相相邻邻学学科科中中去去，如如滤滤波波技技术术、自自学学习习理理论论与与人人工工智能、建模理论与系统工程等。智能、建模理论与系统工程等。ppt课件课件三、三、自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统 （一）、自动控制的概念（一）、自动控制的概念 自动控制中的被控制的物理量有各种各样的，如温度自动控制中的被控制的物理量有各种各样的，如温度压力、流量、电压、转速、位移和力等。虽然组成这些控制压力、流量、电压、转速、位移和力等。虽然组成这些控制系统的元、部件有较大的系统的元、部件有较大的差异，但是系统的基本结差异，但是系统的基本结构是大致相类似的，先来构是大致相类似的，先来看下面的具体例子：看下面的具体例子：1 1、手动控制、手动控制(manual control)水箱水位的手动控制：水箱水位的手动控制：h1ppt课件课件图中图中F1 1为放水阀，为放水阀，F2 2为进水阀，控制要求液面的希望高度等为进水阀，控制要求液面的希望高度等于于h0 0。人参与了液面高度的控制。观测实际水位，将实际水。人参与了液面高度的控制。观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，量，从而改变水箱水位，以达到维持液面高度不变以达到维持液面高度不变的目的。的目的。h1ppt课件课件 我们从上面的例子中可以看出，人在参与控制中起了我们从上面的例子中可以看出，人在参与控制中起了以下三方面的作用：以下三方面的作用：q 测量测量实际液面的高度实际液面的高度h1用眼睛；用眼睛；q 将测得的实际液面的高度将测得的实际液面的高度h1与希望液面的高度与希望液面的高度h0相相 比较比较用脑；用脑；q 根据比较的结果，即按照偏差的正负去根据比较的结果，即按照偏差的正负去执行执行控制的控制的 动作动作用手。用手。人工控制液面高度的过程人工控制液面高度的过程可以用以下框图来表示：可以用以下框图来表示：ppt课件课件人工控制液面高度的过程可以用以下人工控制液面高度的过程可以用以下框图框图来表示：来表示：block diagramppt课件课件 用人工控制既不能保证系统所需的控制精度，也不能减用人工控制既不能保证系统所需的控制精度，也不能减轻人的劳动强度，这是不言而喻的道理。轻人的劳动强度，这是不言而喻的道理。显然，如果用自动控制系统去代替上述的人工控制系统，显然，如果用自动控制系统去代替上述的人工控制系统，那么在自动控制系统中必须同样具有上述三种职能机构，即那么在自动控制系统中必须同样具有上述三种职能机构，即测量机构、比较机构和执行机构测量机构、比较机构和执行机构。如果将该人工控制系统改。如果将该人工控制系统改为自动控制系统，就可以实现不论放水阀为自动控制系统，就可以实现不论放水阀Fl l输出的流量如何输出的流量如何变化，系统总能自动地维持其液面高度在允许的偏变化，系统总能自动地维持其液面高度在允许的偏(误误)差范差范围之内。液面高度自动控制系统如下图所示：围之内。液面高度自动控制系统如下图所示：2 2、自动控制、自动控制(Automatic control)ppt课件课件电动执行器（角行程）电动执行器（角行程）ppt课件课件电动执行器（直行程）电动执行器（直行程）ppt课件课件液面自动控制系统液面自动控制系统五个部分所组成五个部分所组成Automatic control system of a liquid levelppt课件课件 比较机构比较机构比较浮子的希望位置与实际位置的差值；比较浮子的希望位置与实际位置的差值；(Measurement device)电位器电位器 放大机构放大机构当测量元件测得的信号与给定信号比较当测量元件测得的信号与给定信号比较后得到的误差信不足以使执行元件动作时，一般都需加放后得到的误差信不足以使执行元件动作时，一般都需加放大元件，以提高系统的控制精度。大元件，以提高系统的控制精度。(Magnifying device)功率放大器功率放大器 执行元件执行元件直接驱动被控对象，以改变被控制量。直接驱动被控对象，以改变被控制量。(Executing device)电机电机（1 1）系统构成：）系统构成：该液面自动控制系统是由该液面自动控制系统是由以下五个部分所组成：以下五个部分所组成：被控对象被控对象水池；水池；(Controlled object)测量元件测量元件浮子；浮子；(Measurement device)ppt课件课件（2）工作原理）工作原理：假设水池液面的高度因假设水池液面的高度因F1 1阀开度的增大而稍有降低时，阀开度的增大而稍有降低时，则系统立即产生一个与降落液面高度成比例的误差电压则系统立即产生一个与降落液面高度成比例的误差电压u u，（设希望液面高度电压信号为（设希望液面高度电压信号为0 0），该电压一般比较微弱，），该电压一般比较微弱，经功率放大器放大后供电给进水阀的拖动电动机（一般多采经功率放大器放大后供电给进水阀的拖动电动机（一般多采用电动执行器），使阀用电动执行器），使阀F2 2的开度也相应地增大，从而使水池的开度也相应地增大，从而使水池的液面恢复到所希望的高度；当液面高度升高时，反之亦然。的液面恢复到所希望的高度；当液面高度升高时，反之亦然。F1F2ppt课件课件上述自动控制系统的控制原理可以用下述的框图来表示：上述自动控制系统的控制原理可以用下述的框图来表示：Block diagram of the systemppt课件课件分支点分支点RRR+RCRC+部件名称部件名称uruc 由于框图能够清晰明了地表征控制系统的组成及工作情由于框图能够清晰明了地表征控制系统的组成及工作情况，所以在自动控制中被广为采用。况，所以在自动控制中被广为采用。(b)(a)(c)ppt课件课件再来看刚才分析过的水箱液面控制系统：再来看刚才分析过的水箱液面控制系统：课本上还有直流随动系统的例子，请同学们自己分析。课本上还有直流随动系统的例子，请同学们自己分析。ppt课件课件分支点分支点RRR+RCRC部件名称部件名称uruc下面简单讲述框图的构成：下面简单讲述框图的构成：有三个基本单元。有三个基本单元。(1)引出点引出点：表示信号的引出，箭头表示信号传递方向：表示信号的引出，箭头表示信号传递方向(图图a)；(2)比较点比较点：表示两个或两个以上的信号在该处进行：表示两个或两个以上的信号在该处进行减减或或加加 的运算，的运算，“-”号表示信号相减，号表示信号相减，“+”号表示信号相加号表示信号相加(图图b);(3)方框方框：输入信号置于方框的左端，输出信号置于方框的：输入信号置于方框的左端，输出信号置于方框的 右端，方框中填入部件的名称右端，方框中填入部件的名称(图图c)。(b)(a)(c)+ppt课件课件 第三节第三节 开环控制和闭环控开环控制和闭环控制制 工程中常见的自动控制系统多种多样，其工程中常见的自动控制系统多种多样，其结构和用途也各不相同。尽管如此，一般的自结构和用途也各不相同。尽管如此，一般的自动控制系统都具有如下的典型方框图，如图所动控制系统都具有如下的典型方框图，如图所示。示。Closed loopOpen loopppt课件课件控制器控制器ppt课件课件上述框图可简化为下图：上述框图可简化为下图：自动控制系统的框图自动控制系统的框图输出量输出量+控制器控制器被控对象被控对象控制作用控制作用 反馈环节反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节给定环节r(t)控制器控制器ppt课件课件 给定环节给定环节产生参考输入信号产生参考输入信号的元件，如电位器、旋转变的元件，如电位器、旋转变压器等。压器等。控控 制制 器器它的输入是系统的误差信号，经其变换运算后，它的输入是系统的误差信号，经其变换运算后，产生期望的控制信号去产生期望的控制信号去控制被控对象控制被控对象。被控对象被控对象它它受控制器输出量的控制受控制器输出量的控制，其输出就是系统的，其输出就是系统的被控制量被控制量。反馈环节反馈环节将将被控制量转换为主反馈信号的装置被控制量转换为主反馈信号的装置，这个装，这个装置一般为检测元件置一般为检测元件 。1、系统构成、系统构成 自动控制系统的框图自动控制系统的框图输出量输出量+控制器控制器被控对象被控对象控制作用控制作用 反馈环节反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节给定环节r(t)ppt课件课件2、定义各信号量、定义各信号量 r(t)系统的系统的参考输入量参考输入量(简称简称输入量输入量或或给定量给定量)；c(t)系统的系统的输出量输出量(又称又称被控制量被控制量)；b(t)系统的系统的主反馈量主反馈量，它是与被控制量成正比或为某种，它是与被控制量成正比或为某种函数的信号，其物理量纲必须与参考输入相同。因为只有相函数的信号，其物理量纲必须与参考输入相同。因为只有相同量纲的信号，才能在比较点处进行相减运算。同量纲的信号，才能在比较点处进行相减运算。e(t)系统的系统的误差误差，等于参考输入与主反馈量之差，等于参考输入与主反馈量之差，e(t)=r(t)-b(t)。请同学们将这些基本概念、定义搞明白，以利于后面知识的学习！请同学们将这些基本概念、定义搞明白，以利于后面知识的学习！自动控制系统的框图自动控制系统的框图输出量输出量+控制器控制器被控对象被控对象控制作用控制作用 反馈环节反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节给定环节r(t)ppt课件课件 开开环控控制制是是一一种种最最简单的的控控制制方方式式。特特点点：在在控控制制器器与与被被控控对象象之之间只只有有正正向向控控制制作作用用而而没没有有反反馈控控制制作作用用，即即系系统的的输出出量量对输入入量量没没有有影影响响。输入入量量直直接接送送入入控控制制器器，产生生控控制制量量作作用用于于被被控控对象象，从从而而改改变被控制量。被控制量。可以用如下方框图来表示。可以用如下方框图来表示。v 开开环控制系控制系统v 闭环控制系控制系统 一、开环控制与闭环控制的概念一、开环控制与闭环控制的概念 （）开环控制与开环控制系统（）开环控制与开环控制系统（定义、优缺点定义、优缺点）实际应用的控制系用的控制系统中，根据中，根据有无反有无反馈作用，又可分作用，又可分为：输出量输出量控制器控制器被控对象被控对象参考输入参考输入c(t)r(t)开环控制系统开环控制系统输出量输出量+控制器控制器被控对象被控对象控制作用控制作用 反馈环节反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节给定环节r(t)Open loop control systemppt课件课件 例如：直流电动机转速开环控制系统例如：直流电动机转速开环控制系统 给定定电压ug经放大后放大后产生生电枢枢电压ua，当，当电动机励磁机励磁电压恒定恒定时，改，改变ua可得到不同的可得到不同的转速速n。n与与ua具有一一具有一一对应的关系。例如的关系。例如当当u=ua1时，n=n1；该系系统的信号通路不的信号通路不闭合，所以是合，所以是开开环系系统。当有当有扰动引起引起转速速变化化时，无法克服，无法克服扰动造成的影响，因此造成的影响，因此ua与与n之之间的的对应关系是不准确的。要关系是不准确的。要进行行补偿就必就必须借助人工改借助人工改变输入入电压ua。ug电位器电位器电动机电动机负载负载功率功率放大器放大器uan-uappt课件课件（二）闭环控制与闭环控制系统（二）闭环控制与闭环控制系统 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图 凡凡是是系系统的的输出出端端与与输入入端端之之间存存在在反反馈回回路路，即即输出出量量对控控制制作作用用具具有有直直接接影影响响的的系系统称称为闭环控控制制系系统。如下如下图所示。所示。偏差量偏差量输出量输出量+控制器控制器控制量控制量被控对象被控对象输入量输入量 测量元件测量元件反馈量反馈量Closed loop control systemppt课件课件 将将检测得得到到的的输出出量量回回送送到到系系统输入入端端，并并与与输入入量量进行行比比较，构构成成信信号号的的反反馈。输入入信信号号与与反反馈信信号号之之差差即即为偏偏差差信信号号，该偏偏差差信信号号作作用用于于控控制制器器，使使系系统的的输出出量量趋于于给定定的的数数值，这就就是是闭环控控制制，也也称称为反反馈控控制制，其其实质就就是利用是利用负反反馈来减少或消除系来减少或消除系统的偏差。的偏差。偏差量偏差量输出量输出量测量元件测量元件+控制器控制器控制量控制量被控对象被控对象输入量输入量反馈量反馈量ppt课件课件 反反馈控控制制是是一一种种基基本本的的控控制制规律律，它它具具有有自自动修修正正被被控控制制量量偏偏离离给定定值的的作作用用，因因而而可可以以抑抑制制内内部部扰动及及外外部部扰动的的影影响响，从从而而达达到到自自动控控制制的的目目的的。本本课程程所所指指的的自自动控控制制系系统即即指指反反馈（闭环）控控制制系系统，而而实际中中应用最多的是用最多的是负反反馈控制系控制系统。偏差量偏差量输出量输出量测量元件测量元件+控制器控制器控制量控制量被控对象被控对象输入量输入量反馈量反馈量ppt课件课件 在在开开车过程程中中，司司机机用用眼眼睛睛观察察转速速表表上上的的实际车速速并并由由大大脑将将实际车速速与与希希望望车速速进行行比比较，大大脑根根据据比比较后后的的偏偏差差对脚脚发出出指指令令，控控制制油油门踏踏板板，从从而而使使实际车速速与与希希望望车速速一一致致。在在这里里人人与与车构构成成了了一一个个系系统。在在该系系统中中，眼眼睛睛将将实际车速速这一一信信息息送送入入大大脑并并与与大大脑中中储存存的的车速速信信息息进行比行比较，这一一过程就是程就是信息反信息反馈过程。程。例：司机例：司机驾驶汽汽车过程。程。希望车速希望车速c(t)大脑大脑偏差偏差脚、油门踏板脚、油门踏板 汽车汽车实际车速实际车速r(t)眼睛、转速表眼睛、转速表b(t)e(t)ppt课件课件例：直流电机转速闭环控制系统。例：直流电机转速闭环控制系统。在在直直流流电动机机转速速开开环控控制制系系统中中引引入入测速速发电机机，构构成成一一个个直直流流电动机机转速速闭环控制系控制系统，如，如图所示。所示。ug电位器电位器电动机电动机负载负载功功放放uappt课件课件仍以上仍以上图为例。例。闭环控制过程：闭环控制过程：1 1、输出量高于给定值、输出量高于给定值检测出偏差检测出偏差控制运算控制运算执行执行减少减少输出量输出量输出量趋于给定值；输出量趋于给定值；2 2、输出量低于给定值、输出量低于给定值检测出偏差检测出偏差控制运算控制运算执行执行 增增加输出量加输出量输出量趋于给定值。输出量趋于给定值。ppt课件课件测速发电机测速发电机ppt课件课件优点：点：闭环控制系控制系统具有具有较高的控制精度；不高的控制精度；不论何种原因引何种原因引 起被控制量的起被控制量的变化，都将化，都将进行自行自动调节，以消除和减，以消除和减 小偏差。小偏差。缺点：缺点：使用元件使用元件较多，多，线路比路比较复复杂；系；系统要工作就必要工作就必须有有 偏差存在，偏差存在，这是由于是由于闭环系系统是以偏差作是以偏差作为控制因控制因素素 来消除偏差的，因此来消除偏差的，因此这类系系统的精度也是的精度也是有限有限的（的（虽 然比开然比开环系系统的精度高出的精度高出许多）；多）；闭环系系统不易不易稳定定 工作；工作；精度与精度与稳定性是一定性是一对矛盾。矛盾。ppt课件课件（三）开环控制系统与闭环控制系统的比较（三）开环控制系统与闭环控制系统的比较 闭环控制系控制系统的的优点是采用了点是采用了负反反馈，因此，因此对系系统外部外部扰动和内部参数的和内部参数的变化（化（内内扰动）引起的偏差能自）引起的偏差能自动进行行调整。可以采用整。可以采用精度不太高、成本比精度不太高、成本比较低低的元件来的元件来组成一个精成一个精确度确度较高的控制系高的控制系统。开开环系系统没没有有反反馈，故故没没有有自自动消消除除偏偏差差的的能能力力，外外部部扰动和系和系统内部参数的内部参数的变化都将引起系化都将引起系统精度的降低。精度的降低。从从稳定性定性的角度看，的角度看，开开环系系统结构构简单，系系统总能能稳定地定地工作。而工作。而闭环系系统的的稳定性始定性始终是一个重要是一个重要问题，如果参数，如果参数选择不当，将使系不当，将使系统不不稳定（定（发生振生振荡或或发散散），失去），失去对被控量被控量的控制。的控制。ppt课件课件 采用开采用开环控制和控制和闭环控制的原控制的原则：如果系如果系统的的输入量入量预先知道，并且不存在外部先知道，并且不存在外部扰动，采，采用开用开环控制，控制，如果存在无法如果存在无法预计的的扰动，或系，或系统中元器件参数中元器件参数不不稳定，定，则采用采用闭环控制。控制。当当对整整个个系系统的的性性能能要要求求较高高时，为了了解解决决闭环控控制制精精度度和和稳定定性性之之间的的矛矛盾盾，往往往往将将开开环系系统和和闭环系系统的的功功能能结合合在一起，即采用在一起，即采用复合控制系复合控制系统。ppt课件课件二、自动控制系统举例二、自动控制系统举例例例1 1：恒温箱控制系统：恒温箱控制系统 Tt220Vu2恒温箱自动控制系统原理图恒温箱自动控制系统原理图ppt课件课件二、自动控制系统举例二、自动控制系统举例例例1 1：恒温箱控制系统：恒温箱控制系统 Ttu2ppt课件课件例例2：机床工作台位置控制系统：机床工作台位置控制系统 yiuvruivciQyucufppt课件课件第四节第四节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 从信号从信号传送的送的结构特点可将控制系构特点可将控制系统可分可分为开开环控制系控制系统与与闭环控制系控制系统（已讲述已讲述）。）。按照其他分按照其他分类原原则还可分可分为：（一）线性控制系统和非线性控制系统（一）线性控制系统和非线性控制系统 线性系性系统是指是指组成系成系统的元器件的静的元器件的静态特性特性为直直线，能，能用用线性性常微分方程常微分方程描述其描述其输出与出与输入关系的系入关系的系统。线性系性系统的主要特点是具有的主要特点是具有叠加性叠加性和和齐次性次性。（所谓齐次性是指当输入信号为原输入信号的所谓齐次性是指当输入信号为原输入信号的k倍时，系统的输出响倍时，系统的输出响应也为原输出响应的应也为原输出响应的k倍。）倍。）本本课程研究程研究线性定常系性定常系统（或称或称为线性性时不不变系系统、自自治系治系统）。）。Linear constant systemppt课件课件 非非线性系性系统是指是指组成系成系统的元器件中有一个以上具有非的元器件中有一个以上具有非直直线的静的静态特性的系特性的系统。非。非线性系性系统还可分可分为非非线性性时变系系统与与非非线性定常系性定常系统。严格地格地说，实际上不存在上不存在线性系性系统，这是因是因为各种各种实际的物理系的物理系统总是具有不同程度的非是具有不同程度的非线性，但只要非性，但只要非线性不性不严重，在一定范重，在一定范围内能用内能用线性系性系统的理的理论和方法和方法处理处理的系的系统都都可可视为线性系性系统。ppt课件课件（二）恒值控制系统和随动系统（二）恒值控制系统和随动系统 恒恒值控制系控制系统又称又称为自自动调整系整系统、定定值调节系系统或或自自动镇定系定系统。特点：特点：系系统输入量（即入量（即给定定值）不）不变，但由于，但由于扰动使被控使被控量偏离要求量偏离要求值，该系系统能根据偏差能根据偏差产生控制作用，使被控量生控制作用，使被控量恢复到要求恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求，并以一定的准确度保持在要求值附近。附近。例如：例如：控制水箱液面高度为恒定值的系统。控制水箱液面高度为恒定值的系统。Constant control system and servo control systemppt课件课件液面自动控制系统液面自动控制系统ppt课件课件随随动系系统又称又称为伺服系伺服系统。特点：特点：给定定值是是预先未知的、随先未知的、随时间任意任意变化，要求化，要求系系统被控量以尽可能小的被控量以尽可能小的误差跟随差跟随给定定值变化。化。例子见下页。例子见下页。ppt课件课件例：工作台位置控制系统。例：工作台位置控制系统。该系统由指该系统由指令电位器、反馈令电位器、反馈电位器、放大器、电位器、放大器、伺服电机、齿轮伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝减速器、滚珠丝杠及工作台组成，杠及工作台组成，其功用是控制工其功用是控制工作台位置按指令作台位置按指令电位器给出的规电位器给出的规律变化。律变化。ppt课件课件（三）连续控制系统与离散控制系统（三）连续控制系统与离散控制系统 连续系系统，各部分的，各部分的输入和入和输出信号都是出信号都是连续变化化的的模模拟量量，可，可用用微分方程微分方程来描述各部分来描述各部分输入入-输出关系的系出关系的系统。离散系离散系统，某一，某一处或多或多处的信号以的信号以脉冲序列脉冲序列或或数数码形式形式传递的系的系统。离散系离散系统也有也有线性离散系性离散系统和和非非线性离散系性离散系统、定常离散系定常离散系统和和时变离散系离散系统之分。之分。下下图为计算机控制系算机控制系统框框图，这是一种常是一种常见的离散控制系的离散控制系统。计算机控制系算机控制系统框框图计算机计算机D/AA/D被控被控对象对象放大器放大器检测元件检测元件+r(t)c(t)ppt课件课件除了以上几种形式外，还有以下几种分类在这里顺便讲一下。除了以上几种形式外，还有以下几种分类在这里顺便讲一下。（四）单输入（四）单输入-单输出系统与多输入单输出系统与多输入-多输出系统多输出系统 （五）确定系统与不确定系统（五）确定系统与不确定系统 若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为或图表确切地表示，这种系统称为确定系统确定系统。系系统统本本身身的的结结构构和和参参数数不不确确定定或或作作用用于于系系统统的的输输入入信信号号不确定时，则称这种系统为不确定时，则称这种系统为不确定系统不确定系统。单输入单输入-单输出系统单输出系统的输入量和输出量各只有一个，也称的输入量和输出量各只有一个，也称为为单变量系统单变量系统。多多输输入入-多多输输出出系系统统的的输输入入量量和和输输出出量量个个数数多多于于一一个个，也也称为称为多变量系统多变量系统。ppt课件课件（六）集中（六）集中(总总)参数系统和分布参数系统参数系统和分布参数系统 能用常微分方程描述的系统称为能用常微分方程描述的系统称为集中集中(总总)参数系统参数系统。不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为为分布参数系统分布参数系统。本本课课程程中中涉涉及及的的内内容容主主要要是是单单变变量量、集集中中参参数数、线线性性、定定常常、连连续续系系统统，同同时时对对非非线线性性系系统统及及线线性性离离散散系系统统也也作作必必要的阐述。要的阐述。ppt课件课件第五节第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任对控制系统性能的要求和本课程的任务务 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 评价一个控制系统的好坏，指标是多种多样的，评价一个控制系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依其使用目的的不同，对各项性能指标的要求各系统依其使用目的的不同，对各项性能指标的要求不同。但对控制系统的基本要求一般可归纳为以下几不同。但对控制系统的基本要求一般可归纳为以下几个方面（性能评价指标）：个方面（性能评价指标）：ppt课件课件一、稳定性一、稳定性 输出量对给定的输入量的偏离应该随着时间输出量对给定的输入量的偏离应该随着时间增长逐渐趋近于零，这样的系统是稳定系统。稳增长逐渐趋近于零，这样的系统是稳定系统。稳定性要求是控制系统正常工作的定性要求是控制系统正常工作的首要首要条件，且是条件，且是最重要最重要的条件。实际控制系统在进行设计时均留的条件。实际控制系统在进行设计时均留有一定的有一定的稳定裕度稳定裕度，系统工作时参数可能发生变，系统工作时参数可能发生变化时，如果未留稳定裕度或裕度值不够时，会导化时，如果未留稳定裕度或裕度值不够时，会导致系统失稳，不稳定的系统是不能工作的。致系统失稳，不稳定的系统是不能工作的。ppt课件课件二、响应速度二、响应速度响应的快速性响应的快速性 控制系统不仅要稳定，而且还要求系统的响应具控制系统不仅要稳定，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，这对某些系统来说，是一个十分有一定的快速性，这对某些系统来说，是一个十分重要的性能指标。重要的性能指标。快速性指当系统的输出量与给定的输入量之间快速性指当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。ppt课件课件对分析和研究控制系统时，对衡量其快速性及稳定性常用下对分析和研究控制系统时，对衡量其快速性及稳定性常用下面的方法：面的方法：1、在阶跃信号作用下，系统跟随的瞬态响应时间、在阶跃信号作用下，系统跟随的瞬态响应时间ts（ts称为称为过渡过程时间或调整时间）来衡量过渡过程时间或调整时间）来衡量,ts越小说明系统从一个稳越小说明系统从一个稳态过渡到另一个稳态所需要的时间越短，反之，则越长。态过渡到另一个稳态所需要的时间越短，反之，则越长。2、用在过渡过程中，出现、用在过渡过程中，出现 的情况时的超调的情况时的超调量量Mp来衡量，来衡量，Mp小，则说明系统的过渡过程进行得越平稳。小，则说明系统的过渡过程进行得越平稳。(输出量对给定的输入量偏差输出量对给定的输入量偏差D D0，D D为给定微量为给定微量2%或或5%，工程实际允许值工程实际允许值)。ppt课件课件ts2%(5%)c(t)c()=0.5c()=1cmaxtdtrtp二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应ppt课件课件三、稳态精度三、稳态精度响应的准确性响应的准确性 是指在过渡过程结束后输出量与给定的输入量是指在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，它又称为的偏差，它又称为静态精度静态精度，它也是衡量系统工，它也是衡量系统工作性能的重要指标。作性能的重要指标。对控制系统的基本要求可以用三个字来表示：对控制系统的基本要求可以用三个字来表示：“稳、快、准稳、快、准”本课程所要讲解的内容都是围绕本课程所要讲解的内容都是围绕“稳、快、稳、快、准准”这三项要求来进行的。这三项要求来进行的。ppt课件课件 本课程的任务本课程的任务 不同的控制系统，由于其控制要求不同，对于不同的控制系统，由于其控制要求不同，对于稳定稳定性、响应速度以及稳态精度性、响应速度以及稳态精度的要求也是不相同的。如随动的要求也是不相同的。如随动系统对响应速度的要求是很高的。系统的三个方面的要求系统对响应速度的要求是很高的。系统的三个方面的要求往往是相互制约相互矛盾的。从后面的讲解中同学们会了往往是相互制约相互矛盾的。从后面的讲解中同学们会了解到，要想使系统的响应速度解到，要想使系统的响应速度（快）（快）与稳态精度与稳态精度（准）（准）的的提高，就要求系统具有较大的增益值（放大能力），而增提高，就要求系统具有较大的增益值（放大能力），而增益的增大，总是使系统的稳定裕度降低甚至导致系统失稳益的增大，总是使系统的稳定裕度降低甚至导致系统失稳由稳定变为不稳定由稳定变为不稳定（稳）（稳）。这也就是说：。这也就是说：系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是永恒的矛盾！之间是永恒的矛盾！ppt课件课件那么本课程的任务也就很明确了：那么本课程的任务也就很明确了：解决上面的矛盾解决上面的矛盾1、对于一个具体的控制系统（一定首先保证它是稳、对于一个具体的控制系统（一定首先保证它是稳定的），如何从理论上对它的动态性能和稳态精度定的），如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算；进行定性的分析和定量的计算；2、根据对系统性能要求，如何合理地、根据对系统性能要求，如何合理地设计校正装置设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上要求。使系统的性能能全面地满足技术上要求。ppt课件课件本学期讲授的主要内容本学期讲授的主要内容 自自动动控控制制理理论论在在阐阐述述自自动动控控制制与与自自动动控控制制系系统统相相关关基基本本概概念念的的基基础础上上，从从控控制制系系统统的的数数学学模模型型（第第二二章章）入入手手，分分别别介介绍绍时时域域分分析析法法（第第三三章章）、根根轨轨迹迹分分析析法法（第第四四章章）、和和频频率率特特性性分析法分析法（第五章）（第五章）。上上述述三三种种分分析析方方法法虽虽然然不不同同，但但都都围围绕绕着着系系统统稳稳定定性性、稳稳态态特特性性（稳稳态态精精度度）和和动动态态特特性性（响响应应速速度度）的的分分析析这这条条主主线线来来进进行的，各种分析方法之间具有内在的联系。行的，各种分析方法之间具有内在的联系。掌掌握握上上述述基基本本分分析析方方法法后后，将将进进行行系系统统校校正正与与综综合合（第第六六章章）的的讨讨论论，这这是是比比系系统统分分析析更更深深层层次次的的内内容容，主主要要介介绍绍根根轨轨迹迹法法和和频率特性法校正频率特性法校正与与系统综合系统综合的原理与思路。的原理与思路。此此外外，还还要要介介绍绍针针离离散散控控制制系系统统（第第七七章章）、非非线线性性控控制制系系统统（第十章）。（第十章）。ppt课件课件本本 章章 小小 结结 本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了一些控制系统实例讨论了手动控制手动控制、自动控制自动控制、自动控制系统自动控制系统的工的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将要介绍的主要内容，以利于同学们从总体上把握本课程的相关知识。要介绍的主要内容，以利于同学们从总体上把握本课程的相关知识。本章重点：本章重点：要求掌握要求掌握手动控制与自动控制手动控制与自动控制、自动控制系统自动控制系统及其及其工作原工作原理理与与组成组成、方框图方框图、开环控制开环控制与与闭环闭环控制、控制、系统性能的要求系统性能的要求及相关及相关基本概念。了解本课程将要学习的内容。基本概念。了解本课程将要学习的内容。本章作业：本章作业：教材教材P11 习题习题1-4 作业：作业：T3 进行简要说明进行简要说明ppt课件课件对大家的几点要求对大家的几点要求1、按时上课，勿旷课、迟到、早退；、按时上课，勿旷课、迟到、早退；2、按按时时交交作作业业(请请使使用用作作业业本本，不不要要交交单单页页纸纸)及及实验报告，并要求实验报告，并要求独立独立完成；完成；3、上课认真听讲，勿影响他人；、上课认真听讲，勿影响他人；4、按时做实验，认真预习，更不允许让同学替代。、按时做实验，认真预习，更不允许让同学替代。5、请将手机关闭或静音！请将手机关闭或静音！强调一点：强调一点：本课为必修课本课为必修课。本本门门课课程程综综合合性性强强，涉涉及及的的知知识识面面广广，希希望望大家能认真学习。大家能认真学习。ppt课件课件