《控制工程基础》教学课件：第1章控制工程基础(新).ppt

Email: 控制工程基础控制工程基础武汉理工大学机电工程学院 张和平教材及参考书 教材：1王积伟控制工程基础高等教育出版社，2010 参考书：2容一鸣控制工程基础高等教育出版社，3杨振中，张和平控制工程基础北京大学出版社，2007、84杨叔子机械工程控制基础华中科技大学出版社，2002、85董景新机械工程控制基础清华大学出版社 2009本章主要内容: 1.1 绪论（控制系统、控制等概念）1.2 控制系统的工作原理及其组成1.3 控制系统的分类1.4 控制系统的基本要求1.5 课程基本内容第一章 控制系统的基本概念重点：控制系统的工作原理及基本组成难点：确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道 控制理论是研究各种控制系统共同存在的控制规律的一门技术科学它是一门方法论学科 控制理论是自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互渗透的产物1948年，N.维纳发表了著名的控制论，它基本形成了经典控制理论 1.1 1.1 绪论绪论 1954年，科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方法，首创了工程控制论，把控制理论推广到工程领域，奠定了工程控制论这一技术科学的基础 维纳的控制论是思想，是哲学，是世界观，是认识论和是思想，是哲学，是世界观，是认识论和方法论；而方法论；而钱学森的工程控制论是这种思想和方法论在工是这种思想和方法论在工程领域的具体实践程领域的具体实践。

一、系统（System）的定义: 系统是由若干相互作用和相互依赖（联系）的事物组合而成的具有特定功能的整体（集合） 对于实际应用来说，系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件LCRu0(t)ui(t)1.1 绪论q0hqi水箱浮球阀门杠杆 原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出通常，输入和输出都是物理变量，例如：温度、压力、液位、电压、位移、速度等 LCRu0(t)ui(t)tu0(t)tA表达方式： 系统x1y1xixoui(t)u0(t)1.1 绪论二、控制及自动控制控制的本意: 按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的操作或方法 (1)人工控制： 控制的任务由人来完成，称为人工控制2)自动控制： 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）, 使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行1.1 绪论1.2 控制系统的工作原理及其组成一、恒温箱的人工控制动态过程：动态过程：1. 观测恒温箱内的温度（被控制量）2. 与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向3. 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。

123温度计加热电阻丝调压器实质 检测偏差再纠正偏差大脑恒温箱希望温度实际温度手调压器温度计眼睛 恒温箱人工控制系统的框图表示温度计加热电阻丝调压器220V（1）眼睛观测温度；（2）大脑比较；（3）手操作调压器如果将该系统改用自动控制，需如何改变？1.2 控制系统的工作原理及其组成二、恒温箱的自动控制1.2 控制系统的工作原理及其组成热电偶比较功率放大器电压放大器减速器（3）u经电压、功率放大后，驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2u2（2）恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2u1u二、恒温箱的自动控制热电偶比较功率放大器电压放大器减速器u2u1u给定信号u1热电偶u2u电压功率放大器ua电动机n减速器v调压器u恒温箱(控制对象)温度 t(被控量)1.2 控制系统的工作原理及其组成例：水箱液位控制 控制任务：液面维持在一定高度 水箱是被控对象，水箱液位是被控制量，浮球顶杆（杠杆）的长度（表征液位的期望值）是给定量。

1.2 控制系统的工作原理及其组成h1. 杠杆平衡时，阀门位于某位置而具有一定开度水箱中输入水量与流出水量相等，从而使液位保持在希望高度 h上例：水箱液位控制1.2 控制系统的工作原理及其组成h2. 当液位降低时，浮球位置也随之降低，这时通过杠杆机构使水阀阀门开度增大，进入水箱的水流量增大 随着进入水箱的水流量增大，水箱中液面随之上升，浮球位置又随之上升，使水阀阀门开度减小，进水增加量减小，直至系统处于新的平衡状态3. 反之，若水箱液位上升，系统会自动减小阀门开度，从而减少流入的水量，使液位降低，直至达到新的平衡位置 例：水箱液位控制杠杆机构希望水位实际水位水箱浮球进水阀1.2 控制系统的工作原理及其组成h功能框图：三、控制系统的工作原理（1）检测输出量（被控制量）的实际值；（2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到偏差信号；（3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出比较器输出被控对象执行器放大器测量变送输入1.2 控制系统的工作原理及其组成四、反馈的概念反馈（Feedback)：取出输出量送回到输入端，且与输入信号相比较产生偏差的过程正反馈：送回到输入端的信号与输入信号同号的反馈；负反馈（Negative Feedback)：送回到输入端的信号与输入信号异号的反馈。

比较器输出被控对象执行器放大器测量变送输入+ -1.2 控制系统的工作原理及其组成比较环节1. 给定环节五、控制系统的组成输出给定环节被控对象执行环节放大环节反馈环节校正环节校正环节1.2 控制系统的工作原理及其组成 根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号如：将期望恒定的温度转换为相应电压量测并转换输出信号主要是各种传感器2. 反馈环节比较环节输出给定环节被控对象执行环节放大环节反馈环节1.2 控制系统的工作原理及其组成3.比较环节（器） 将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号如：电压比较电路、平衡电桥等4. 放大环节 对较弱的偏差信号进行放大并驱动执行件动作 如：电压放大器等5. 执行环节 直接对被控对象进行操作的环节 如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等6. 被控对象控制系统所要控制的设备或生产过程，其输出量就是被控制量7. 校正环节为改善控制性能而加入的元件或装置控制过程的物理本质 在机器系统、生命系统甚至社会与经济系统中，都存在一个共同的本质的特点：它们都通过信息的传递、处理与交换(反馈) 来进行控制的 从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及能量转移的过程。

为提高信息处理能力，以最短的时间和(或)最小的代价(能量消耗最小)实现系统按预定的规律进行能量转移，就是控制系统设计所要解决的中心问题1.2 控制系统的工作原理及其组成一、按控制策略来分1. 开环控制系统 输出端与输入端不存在反馈回路，即输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响 1.3 控制系统的基本类型工作台控制指令一定输入量一定输出量驱动电路无自动纠偏能力 系统组成简单，当系统元件特性和参数稳定、外界干扰小时，可保证需要的精度 一、按控制策略来分2. 闭环控制系统 输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制过程产生直接影响 3. 复合控制系统 同时采用闭环控制和开环控制的控制方式 实际为校正方式工作台控制指令1.3 控制系统的基本类型刀架控制指令驱动电路丝杠3. 复合控制系统1.3 控制系统的基本类型丝杠刀架螺母校正尺 刀架丝杠运动刀架运动附加输入二、按输入信号的性质（特征）来分1. 恒值控制系统 输入量预先确知，为恒定值系统的任务是保证在任何扰动信号的作用下，输出量恒定不变 恒温控制系统、水箱液位控制系统、UPS稳压控制系统等属于该类控制系统2. 伺服控制（随动控制）系统 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。

导弹跟踪系统 液压仿形机床伺服系统等 1.3 控制系统的基本类型二、按输入信号的性质（特征）来分3. 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动输入装置动力执行机构被控对象输出测量变换控制器变换放大工作台指令程序图形信息工艺信息伺服电机传动机构数控机床控制原理1.3 控制系统的基本类型三、按系统中传递信号的性质来分1. 连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号连续控制系统通常采用微分方程描述 2. 离散控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统离散控制系统通常采用差分方程描述四、按描述系统的数学模型来分1. 线性控制系统 线性控制系统是指可用线性微分方程描述的系统1.3 控制系统的基本类型机械、电气、机电、液压、气动、热力等五、按构成系统的部件的物理性质来分2. 非线性控制系统 非线性控制系统是指不能用线性微分方程描述的系统 此种系统包含着变量中具有非线性关系的元器件实际上真实的物理系统大都是非线性系统，但因非线性系统的数学描述及求解非常复杂，所以在工程允许的情况下，可将非线性系统化为线性系统。

本课程研究的控制系统： 线性、连续、闭环1.3 控制系统的基本类型一、稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态1.4 对控制系统的基本要求A倒立摆BAC单摆控制精度问题，用稳态误差衡量二、准确性稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值ts给定值实际输出fo(t)t允差例例：神州六号返回的着陆神州六号返回的着陆点离理论着陆点点离理论着陆点1 1公里！公里！其精确范围其精确范围：1.1.宽宽3030公里，长公里，长1515公里；公里；2.2.宽宽3030公里，长公里，长170170公里 1.4 对控制系统的基本要求三、快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度快速性表征系统的动态性能导弹防御系统：对来袭导弹实施拦截 1.4 对控制系统的基本要求 拦截导弹的速度、姿态等是根据来袭导弹的坐标、速度、姿态（卫星、遥感等获得）等来确定的 由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、准确、快速这三方面的要求是各有侧重的 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。

1.5 本课程的基本内容控制系统控制系统的概念快速性稳定性准确性校正装置校正方式PID校正校正工作原理控制系统的组成控制系统的分类对控制系统的基本要求时域分析法频域分析法第1章习题：P91-11-21-4 b)必做题。