控制工程基础绪论

✓美国George Devol研制出第一台工业机器人样机 (1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司Unimation。
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✓※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功 (1957)
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综上所述
控制系统的工作原理： ➢检测输出量（被控制量）的实际值； ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较
得出偏差； ➢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。
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由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，故称之为反馈控制。
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输入信号：是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律 的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与 输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的 信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。 误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈 情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。 扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统 输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为 内部扰动，后者称为外部扰动。 外部扰动是不希望的输入信号。
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现代控制（1950-Now）
现代控制起源于冷战时期的 军备竞赛，如导弹(发射，操 纵，指导及跟踪)，卫星，航 天器和星球大战，以及计算 机技术的出现
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✓美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出 第一台数控机床(1952)
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✓中国马钧研制出 用齿轮传动的自动 指示方向的指南车 (235年)
✓中国明代宋应星所著 《天工开物》记载有程序 控制思想(CNC)的提花织 机结构图(1637年)
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• 1788年：James Watt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转 速。
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✓美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构， 提出PID控制方法(1922)。 ✓美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器 (1925)，气压反馈控制器(1929)。
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控制过程： 测量，求偏差，控制以纠正偏
差
若能找到一个控制器代替人的职能， 就变成了自动控制。
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2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
➢恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
➢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-u2
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机， 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，此时，偏差u=0,电机停止转动。
被控对象
被控 制量
转速n
输入、输出之间无反馈回路，输出对系统的控制作用无影响。 称为开环控制系统（Open-Loop Control System）。
控制量 控制器
扰动 被控制量
被控对象
•开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便， 成本低。
•开环控制的缺点——抗干扰性能差，精度低。
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2、快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。指当
系统输出量与给定的输入量之间产生偏差 时，消除这种偏差过程的快速程度。
3、准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输
入量之间的偏差，即静态精度，这也是 衡量系统工作性能的重要指标。
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由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要 求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系 统对准确性提出较严格的要求；对于机械系统，首要的是稳 定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏。 同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强 烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可 能变坏。
参考 输入 + -
控制器
控制 指令
受控 对象
反馈信号 传感器
输出
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闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比， 对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。
闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复杂性，如 果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至 系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必 须解决的重要问题。
2 闭环控制系统
偏差
ug ue= ug-uf
+
电位器
电压 放大器 _
+ _
+
u 功 率
放大器 _ a
n
Mc
电动机
负载
uf
+
_
uf Kf
测速发电机
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ug ＋
输 入
－
量
ue uf
电压 放大器
功 率 ua 放大器
测速 发电机
Mc 扰动
直流
n
电动机
输
出
量
直流电动机转速闭环控制系统方块图
（以恒温系统为例） 有两种控温方法：人工控制 自动控制
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1. 人工控制恒温箱
[动态过程]
➢ 观测恒温箱内的温度（被控
1
2
制量）
➢ 与要求的温度（给定值）进
行比较得到温度偏差的大小
3
和方向
[实质] 检测偏差再纠正偏差。 ➢ 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
ug
+
电压 放大器 _
+
n
功率 放大器
_u a
电动机
Mc 负载
给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同 的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。 输出端和输入端之间不存在反馈回路。
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控制 信号
给定电压 ug
电压 放大器
功率 放大器
控制装置
扰动 Mc
直流 电动机
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[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理 方块图
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从恒温箱控制系统可见：
➢给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称 为参考输入量（信号）。
➢被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
➢输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的 输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定 信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回 过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反 馈信号。
被控对象（或过程）——又称控制对象或受控对象，指 需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控 对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出 量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作 用。 给定元件——主要用于产生给定信号或输入信号，例如， 调速系统的给定电位计。 测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被 控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反 馈到输入端以作比较。
设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状 态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大） 而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。
Mc↑→n↓→uf↓→ue（ ue = ug - uf ）↑→ua↑→n↑
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闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称反 馈控制系统（Feedback Control System），是在闭环控制系 统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输 入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比 较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内 部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差， 从而实现要求的控制性能。
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
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1.1.2 开环控制系统和闭环控制系统
按照有无反馈测量装置分类，控制系统分为 两种基本形式，即开环控制系统和闭环控制 系统。
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1 开环控制系统
示例——直流电动机转速 +
开环控制系统 +
_
电位器
自动控制理论主要研究闭环控制系统
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1.1.3 闭环控制系统的典型组成和基本概念
给定
输入 信号
比较 ＋元件e(t)
串联
＋
元件 r(t) － 偏差 校正元件 －
信号
放大 元件
执行 元件
扰动
被控
c(t)
对象 输出量
并联 校正元件 局部反馈
主反馈信号b(t)
反馈元件 测量反馈元件
主反馈
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1.1.1 自动控制系统
自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部 件的有机组合体。被控制的设备或过程称为被控对象；被 控制的物理量称为被控量或系统输出量；决定被控量的物 理量称为控制量或输入量；妨碍控制量对被控量进行正常 控制的所有因素称为扰动量。给定和扰动都可以看作自动 控制系统的输入。
• 自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控 制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为 被控量）自动地按照预定的规律运行。
• 自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能 够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。
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1.2 控制理论的发展历史及其在工程中的应用
控制理论的发展主要分为三个阶段：
从控制技术产生到20世纪50年代末为经典控制理论的成熟和发 展期。所谓经典控制论是采用传递函数描述系统的数学模型， 在频率域对单输入单输出系统进行分析和设计的理论问题研究。
20世纪60年代为局部自动化时期。航空航天领域对运载火箭、 人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求导致 了现代控制论的形成和发展。现代控制论中的数学模型描述主 要采用状态空间方程，研究多输入多输出系统、时变系统、非 线性系统的控制和设计问题。
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比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两 者差值的偏差信号。 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 校正元件——也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换 控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。 执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用， 以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀 等。
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1.1.4 自动控制系统的基 本要求
稳定 准确 快速
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1、稳定性
稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向和 系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡 状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡 状态。
稳定性是系统工作的首要条件。
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稳定
不稳定
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第35页共59页现代控制起源于冷战时期的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛如导弹军备竞赛如导弹发射操发射操纵指导及跟踪纵指导及跟踪卫星航卫星航天器和星球大战以及计算天器和星球大战以及计算机技术的出现机技术的出现第36页共59页美国美国mitmit的的servomechanismlaboratoryservomechanismlaboratory研制出研制出第一台数控机床第一台数控机床19521952第37页共59页美国美国georgedevolgeorgedevol研制出第一台研制出第一台工业机器人样机工业机器人样机19541954两年后被称为机器人之父的两年后被称为机器人之父的josephjosephengelbergerengelberger创立了第一家机器人公司创立了第一家机器人公司unimationunimation
• 自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术 科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段， 其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理 论。
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1.1 自动控制理论的产生和基本概念 1.2 控制理论的发展历史及其在工程中的应用 1.3 自动控制系统的基本类型 1.4 课程主要内容及章节安排
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1.1 自动控制理论的产生和 基本概念
• 1765年，俄国人波尔祖诺夫发明了控制锅炉水位的自 动装置；
• 1768年，英国人瓦特发明了飞球调速器； • 1868年，物理学家麦克斯韦以调速器为背景，研究反
馈系统的稳定性问题，发表论文《论调速器》，控制 理论最早的成果论文。 • 20世纪初，美国数学家维纳研究火炮自动控制中，提 出了控制理论中最为基本的反馈概念。1948年，出版 《控制论》，标志自动控制学科的正式诞生。
20世纪70年代末至今为综合自动化时期，控制系统越来越复杂， 控制要求也越来越高，促进了智能控制、复杂控制、大系统控 制等先进控制理论的发展。
1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方法，
用英文出版了《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术
领域。
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✓中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。 ✓希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。 (BC250年)。 ✓亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)。 ✓中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候