控制工程基础ppt

第一章 概论
50年代末60年代初：现代控制理论形 成；现代控制理论以状态空间法为基础， 主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、 时变、非线性等系统的最优控制、最优 滤波、系统辨识、自适应控制、智能控 制等问题；控制理论研究的重点开始由 频域移到从本质上说是时域的状态空间 方法。
第一章 概论
闭环控制系统框图
第一章 概论 闭环控制系统的组成
第一章 概论
二、控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 ➢ 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何 扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 ➢随动系统（伺服系统） 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。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。
“工程控制论是关于工程技术领域各个 系统自动控制和自动调节的理论。维纳博 士40年代提示了控制论的基本思想后，不 少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座 理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师 偏重于实践，解决具体问题，不善于上升 到理论高度；数学家则擅长于理论分析， 却不善于从一般到个别去解决实际问题。 钱学森则集中两者优势于一身，高超地将 两只轮子装到一辆车上，碾出了工程控制 论研究的一条新途径。”
第一章 概论
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。 注意： ➢ 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性 和快速性要求各有侧重。 ➢ 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。
第一章 概论
1.2 控制工程的发展 公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比 伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期 的控制思想。
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第一章 概论
1.1 自动控制系统的基本概念
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（称为控制装置或控制器），使机 器、设备或生产过程（通称被控对象）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。 如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。
ua 控制 电机
n
减 速 器
v
调 压 器
u
恒温箱 (控制
(被控量)
对象)
热电偶
恒温箱自动控制系统功能框图
第一章 概论
从恒温箱控制系统功能框图可见： ➢ 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。
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。
第一章 概论
扰动
温度t
给定 信号
u1 u
电压 功率
u2 放大器
指令 输入
系统输入 装置
工作台
控制 装置
伺服 驱动装置
工作台 位置
系统输出
数控机床的开环控制系统框图
第一章 概论
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。
缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力
输入量
控制器
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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”。
第一章 概论
这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入 量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系 统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、 比较和执行三个基本功能。
注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给 定信号相减，使偏差越来越小，称为负反 馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的 方法。
第一章 概论 工作原理
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V 人工控制的恒温箱
第一章 概论
人工控制恒温箱调节过程： ➢ 观测恒温箱内的温度（被控制量）
➢ 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
➢ 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。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
1956年：庞特里亚金（Понтрягин，Л.С.）提 出极大值原理 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论
1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机
系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习 控制
维纳，MIT教授，曾于1936年 到清华大学任访问教授。
控制论的奠基人，美国科学家 （Wiener,N.，1894~1964）
第一章 概论
1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制ห้องสมุดไป่ตู้；
1954年：钱学森用英文出版《工程控制论》， 首先把控制论推广到工程技术领域
第一章 概论
第一章 概论
➢ 闭环控制系统 特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输
出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感。 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题， 系统性能分析和设计麻烦。
第一章 概论
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
第一章 概论
三、对控制系统的基本要求
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。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所 决定，与外界因素无关。
第一章 概论
精确性 控制精度，主要以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
第一章 概论
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。
第一章 概论
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。
第一章 概论
期望 温度
大脑
实际
手
调压器
恒温箱
温度
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统功能框图
第一章 概论
给定信号
比较 u1
电压 放大器
+
u
+ u2
功率 执行 放大器 电动机
热电偶
加热电阻丝
减速器 调压器
~220V 恒温箱自动控制系统
第一章 概论
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢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
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第一章 概论
开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类： ➢ 开环控制系统 ➢ 闭环控制系统
➢ 半闭环控制系统（反馈信号通过系统内部 的中间信号获得。）
第一章 概论
➢ 开环控制系统
特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。
第一章 概论
按系统中传递信号的性质分类 ➢ 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。
➢ 离散（数字）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。
第一章 概论
其它分类方法 ➢ 线性系统和非线性系统 ➢ 定常系统和时变系统 ➢ 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统 ➢ 温度、压力、位置等控制系统
控制工程基础
2010年
课程内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
概论 控制系统的动态数学模型 时域瞬态响应分析 根轨迹法 控制系统的频率特性 控制系统的综合与校正
第一章 概论
1.1 自动控制系统的基本概念 1.2 控制工程的发展 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用 1.4 课程主要内容及学时安排
时 间 刻 度
浮子
铜壶滴漏
第一章 概论
公元100年，亚历山大的希罗发明开闭 庙门和分发圣水的自动计时装置。
第一章 概论
公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器 控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。
第一章 概论
1868年：J. C. Maxwell发表《调速器》， 提出反馈控制的概念及稳定性条件。 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定
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性理论。 1895年：A. Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。
1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的 一般设计方法
第一章 概论
1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系 统的分析和控制问题；
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