控制工程 吉林大学考研资料精品PPT课件
控制工程1PPT教案
在实际中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，而调速系统对稳定性提出较严格的 要求。
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。
分析和解决这些矛盾，是本课程讨论的重要内容。
2、闭环控制 • 控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联 系的控制过程（输入、输出之间有反馈回路），其输出 量对系统的控制作用产生影响。
• 其基本结构为
扰
输入
偏差 反
控制器
动
输出
被控对象
馈
反馈
输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程 称为反馈。
反馈信号与输入信号相减而使偏差值越来越小 ，则称为负反馈；反之，为正反馈。
系统中各种功能不同的元件： ①给定元件：用于产生输入量。如：电位计。 ②反馈元件：用于测量输出量。如：热电偶。一般用 电量测量非电量。 ③比较元件：比较输入量与反馈量得到偏差。如：电 压放大器输入端电路。 ④放大元件：放大弱的信号以驱动执行器。如：电压 放大器、功率放大器。 ⑤执行元件：用于操作被控对象。如：电机、减速器 、调压器。 ⑥校正元件：用于改善系统性能，不是必需的。 ⑦被控对象：运动规律或状态需要控制的装置。
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➢在机械工程中，有许多机械动力学系统，如书５页 。从它们的系统构成方框图看，有与自动控制系统相 同、相似的地方与概念，所以同样可以用控制理论分 析、研究此类系统。
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感谢您的观赏！
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➢ 自动控制系统分类
按系统结构分为：
1、开环控制 • 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反 向联系的控制过程（输入、输出之间无反馈回路） ，其输出量不对系统的控制作用发生影响。 例如：自动洗衣机、交通信号灯 ……
控制工程知识汇总课件
C
n
C F ( s ) ( s s )
m 1
m
s s1
C
m 1
d F ( s ) ( s s ) ds
1 ( m 1 ) ( m 1 )
m
s s1
x ( t ) L1 X ( s )
1 d C ( m 1)! ds
1
F ( s ) ( s s )
N ( s ) ( s s )( s s )( s s )
1 2 n
控制系统的动态数学模型 1.X(s)中只含不同单极点
Cn C1 C2 n Ci X ( s) s s1 s s2 s sn i1 s si
Ci F ( s ) ( s si ) ssi M (s) ( s si ) N (s) s si
Xi(s) -
-
H2
G 1 H G
2 1
G1
G3
2
Xo(s)
H1
G4
控制系统的动态数学模型
Xi(s) -
H2
G 1 H G
2 1
G1 H1
G3
2
Xo(s)
G4
Xi(s) -
H2
GG 1 H G
2 3 1
G1
Xo(s)
2
H G
1
3
G4
控制系统的动态数学模型
Xi(s) -
H2
GG 1 H G
A
01
A A A ( s 1) s 1 s 2
01
2 2
s ( s 1) ( s 1) ( s 2)
2
控制工程-234页PPT
可加性： f(x 1 x 2 ) f(x 1 ) f(x 2 )
齐次性： f(x)f(x)
或： f(x 1 x 2 ) f( x 1 ) f( x 2 )
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25
第二章 数学模型
非线性系统
用非线性微分方程描述的系统。非线性系统不 满足叠加原理。
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37
第二章 数学模型
实例：液位系统的线性化
Ad dH t(t)H(t)qi(t) 节流阀
解：稳态时：
qi(t)
qi0qo0, H0qi0
H(t)
节流阀
非线性项 H (t) 的泰勒展开为：
液位系统 qo(t)
H H 0 d dH H H 0(H H 0) 2 1 !d d 2 H 2H H 0(H H 0)2
数学模型应能反映系统内在的本质特征，同时
应对模型的简洁性和精确性进行折衷考虑。
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3
第二章 数学模型
对控制系统的哪些部分建模
被控对象
干扰/破坏
执行器 传感器
目标任务
控制器
干扰
干扰/破坏
执行器
建模的三个要素
建立数学模型 获取参数 验证模型
传感(感知)
干扰/破坏
干扰/破坏
fC
(t)
C
d dt
xo
(t)
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11
第二章 数学模型
m d d2 2txo(t)C d dxto(t)Ko(tx )fi(t)
式中，m、C、K通常均为常数，故机械平移系 统可以由二阶常系数微分方程描述。
显然，微分方程的系数取决于系统的结构参数， 而阶次等于系统中独立储能元件（惯性质量、 弹簧）的数量。
《控制工程基础》课件
PLC的原理与应用
1 输入与输出
PLC通过输入模块接收信号，通过输出模块控制设备。
2 程序设计
使用逻辑图或编程语言编写控制程序。
3 实时响应
PLC能够实时监测输入信号并作出相应的输出控制。
DCS的原理与应用
1 分散控制系统
将控制任务分散到多个控 制设备中。
2 通信系统
使用高速通信网络连接分 散的控制设备。
上升时间
指系统响应从初始状态到达 稳态所需的时间。
转移函数的稳定性分析
1
极点
转移函数的极点的位置对系统稳定性影响显著。
2
零点
转移函数的零点的位置对系统稳定性影响较小。
3
频率响应
分析转移函数的频率响应可以判断系统的稳定性和性能。
极点配置法
1 选择理想的极点位置
根据系统要求和性能指标 来选择极点的位置。
描述。
3
状态空间法
系统用一组一阶微分方程描述。
时域法
系统用微分方程描述，利用初始条件和 输入信号求解。
线性系统的稳定性分析
稳定系统
系统的输出有界并趋向于稳态。
不稳定系统
临界稳定系统
系统的输出趋向于无穷大或发散。
系统的输出在稳态和不稳态之间 波动。
PID控制器的原理
1
积分（I）
2
根据误差信号的累积值，产生一个与累
控制系统的基本元素
1 输入
系统接收的控制信号或指令。
2 输出
系统产生的响应或输出信号。
3 反馈
将输出信号与预期目标进行比较，并进行相应的调整。
控制系统的分类
开环系统
系统只考虑输入信号，没有反馈机制。
闭环系统
吉林大学《控制工程基础》期末考试备考资料(三)
吉大《控制工程基础》（三）第三章自动控制系统的时域分析利用labview进行信号的时域分析信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。
将测试信号采集到计算机后，在测试VI 中进行信号特征值处理，并在测试VI 前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI 的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。
信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。
用于信号时域分析的函数，VIs,Express VIs主要位于函数模板中的Signal Processing 子模板中，其中多数对象位于Waveform Measurements子模板，如图所示中用于信号分析的Waveform Measurements子模板基本平均值与均方差VI基本平均值与均方差VI-------Basic Averaged DC—用于测量信号的平均以及均方差。
计算方法是在信号上加窗，即将原有信号乘以一个窗函数，窗函数的类型可以选择矩形窗、Haning窗、以及Low side lob窗，然后计算加窗后信号的均值以及均方差值。
演示程序的前面板和后面板如下图所示Basic Averaged DC—RMS演示程序的前面板Basic Averaged DC—RMS演示程序的后面板平均值与均方差值平均值与均方差值VI------Averaged DC—同样也是用于计算信号的平均值与均方差值，只是Averaged DC—的输出是一个波形函数，这里我们可以看到加窗截断后，正弦信号的平均值和均方差随时间变化的波形。
编写程序演示Average DC----Averaged—的使用方法，程序的后面板和前面板如下图所示。
吉林大学《控制工程基础》期末考试学习资料(六)
吉大《控制工程基础》（六）第六章 控制系统的综合校正一、简要说明系统设计的步骤1) 根据用户提出的性能指标和被控对象的具体工作环境，根据条件进行调研、查阅技术资料，确定合理的设计指标，作为设计的依据；2) 初步确定控制方案，如是用计算机控制还是一般的模拟控制，驱动方式是采用电动还是液压气动，完成系统的职能方框图，写出可行性方案论证报告；3) 具体进行设计：根据初步确定的合理的设计指标进行总体设计，合理地设计或选择元部件，尤其是对测量元件的选择要给予充分的注意，组成系统后，进行动、静态分析计算，同时进行计算机仿真。
若不符合指标要求，则要进行校正，使其满足指标要求；4) 实验原理性试验：根据具体设计，在实验室建造系统的原型机，并进行试验，按照试验的结果调整系统部件中的有关参数，排除故障，进一步完善具体设计。
5) 提交相机通过技术鉴定：在实验室试验的基础上，考虑到实际的使用条件进行样机生产。
再通过对样机的试验考核，鉴定其是否全面满足设计指标，基本符合后才可决定小批量生产，经过实际应用的考验，最后才能通过技术鉴定，投入小批量生产，进行定点实际应用。
二、简述比例控制的作用1） 在系统中增大比例系数Kp 可减小系统的稳态误差以提高稳态精度。
2） 增加Kp 可降低系统的惯性，减小一阶系统的时间常数，改善系统的快速性。
3） 提高Kp 往往会降低系统的相对稳定性，甚至会造成系统的不稳定。
三、简要说明超前校正网络的步骤超前串联校正的作用是提供了一个超前相角，从而增大闭环系统的相角裕度，改善控制系统的稳定性和快速性。
用伯德图方法设计超前校正网络的步骤如下：1) 绘制未校正系统的伯德图，计算相角裕度，判定是否满足要求，是否需要引入合适的超前校正网络；2) 确定所需的最大超前相角；3) 利用11sin +-=ααϕm 计算α；4) 计算αlg 10，在未校正系统的幅值增益曲线上，确定与αlg 10-对应的频率。
当m c ωωω==时，超前校正网络能提供αlg 10（dB ）的幅值增量，因此经过校正后，原有幅值增益为αlg 10-的点将变成新的与0dB 的交点，对应的频率就是新的交接频率m c ωω=；5) 计算极点频率αωm p =和零点频率αωαm p z ==； 6) 绘制校正后的闭环系统伯德图，检查系统是否满足要求，若不满足要求，则需重新设计；7) 确定系统的增益，以保证系统的稳态精度，抵消由超前校正网络带来的衰减1/α。
吉林大学“控制工程基础”_Ch101
被控对象上存在干扰 或者由于控制器元器件老化 控制对象结构或参数因工作环境而发
生变化 均会导致系统输出的不稳定 使输出值偏离预期值 正因为如此 开环控制系统
一般适用于干扰不强 或干扰可预测的 控制精度要求不高的场合
图 １．２．２ 所示为一简单的贮槽液面控制系统 这是一个典型的开环控制系统 要求
控制器和被控对象间只有正向控制作用 系
统的输出量不会对控制器产生任何影响 如
图 １．２．１ 所示
图 １．２．１ 开环控制系统
在该类系统中 对于每一个输入量 就有一个与之对应的工作状态和输出量 系统
的精度仅取决于元器件的精度和执行机构调整的精度
这类系统结构简单 成本低 容易控制 但是控制精度低 因为 如果在控制器或
1
于是 维纳等在１９４３年发表了 行为 目的和目的论 同时火炮自动控制的研制也 获得了成功 这些是控制论萌芽的重要实物标志 １９４８年 维纳所著 控制论 的出 版 标志着这门学科的正式诞生
２０ 世纪 ５０ 年代以后 一方面在控制理论的指导下 火炮及导弹控制技术极大地发展 数控 电力 冶金自动化技术突飞猛进 另一方面在自动控制装备的需求和发展的基础上 控制理论也不断向纵深发展 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 接着在短短的几 十年里 在各国科学家和科学技术人员的努力下 又相继出现了生物控制论 经济控制论 和社会控制论等 控制理论已经渗透到各个领域 并伴随着其他科学技术的发展 极大地 改变了整个世界 控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展 控制理论的中心思想 是通过信息的传递 加工处理并加以反馈来进行控制 控制理论也是信息学科的重要组成 方面 机电工业是我国最重要的支柱产业之一 而传统的机电产品正在向机电一体化 （ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ）方向发展 机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化 机电控制型 产品技术含量高 附加值大 在国内外市场上具有很强的竞争优势 形成机电一体化产品 发展的主流 当前国内外机电结合型产品 诸如典型的工业机器人 数控机床 自动导引 车等都广泛地应用了控制理论 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段 控制理论可分为 经典控制理论 和 现 代控制理论 两大部分 经典控制理论 的内容是以传递函数为基础 以时域分析法 频率分析法和根轨 迹分析法作为分析和综合系统基本方法 主要研究单输人 单输出这类控制系统的分析 和设计问题 现代控制理论 是在 经典控制理论 的基础上 于 ２０ 世纪 ６０ 年代以后发展起来 的 它的主要内容是以状态空间法为基础 研究多输人 多输出 时变参数 分布参数 随机参数 非线性等控制系统的分析和设计问题 最优控制 最优滤波 系统辨识 自适 应控制 预测控制等理论都是这一领域重要的分支 特别是近年来由于电子计算机技术和 现代应用数学研究的迅速发展 又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人 工智能控制等诸多领域有了重大发展 半个世纪以来 控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖电脑的现代
控制工程,第四章ppt课件
2、输出信号与输入信号的相位差也是 的非线
性函，称为系统的相频特性，记为 () 。
3、幅频特性和相频特性总称为系统的频率特性，
记作：A() () 或 A()ej() 。
故，频率特性定义为 的复变函数，其幅值
为 A() ，相位为 () 。
控制工程基础
二、频率特性的求法
1、利用频率特性的定义来求取：
G(j) T2 2 T
G(j)arctg T
2l0 g G (j )2l0 g T 2 2 2l0 g T
讨论：
第四章 频域分析法
控制工程基础
第四章 频域分析法
当 T 时
2 lG g ( 0 j) 2 lg T 0 2 lg T 0 0 d , B G ( j) 0 0
控制工程基础
G(j) r 0
r n 122
进而求得谐振峰值：
G(jr)
2
1
12
G(jr)arctg122
第四章 频域分析法
Im
1 Re
n
0
n
n
r
控制工程基础
第四章 频域分析法
7、延时环节：
Im
G(s)es
Re 0
G (j)ej co sjsin
幅值特性 ： G( j) 1
相频特性 ： G(j)
控制工程基础
2、对数相频特性图： G(j)
第四章 频域分析法
0 0.010.1 1 10 100 (ra/ds)
三、典型环节的对数坐标图
1、比例环节：G(s)=K
G(j)K
控制工程基础
第四章 频域分析法
2lG 0 g (j) w 2lK 0 g , G (j) w 0 o
吉林大学过程控制 9简单控制50页PPT
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本简单控制
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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（3）综合自动化时期（20世纪 50年代末至今） 现代控制理论迅速发展，形成了多个重要分支
⑴系统辨识、建模与仿真 ⑵自适应控制和自校正控制器
⑶遥测、遥控和遥感
⑷综合自动化
⑸大系统理论的诞生 ⑹模式识别和人工智能
⑺智能控制的诞生
三．本课程的主要内容及授课安排
章 节 内容
计划学时
（30）
绪论
2
第一章 自动控制的一般概念 2
• 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念， 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
• 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
• 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
控制工程基础
绪论
本章学习目标
– 本课程隶属学科 – 控制工程的发展及其在各领域中的应用 – 课程的主要内容及授课安排 – 学习本课程的基本要求
使用常规仪表的中央控制室
早期的DCS控制系统
现代的DCS控制系统
现代操作室
一．本课程隶属学科
《控制工程基础》课程是为了适应技术应用型本科特点， 在自动控制理论等课程的基础上，突出“理论以够用为度，重 在应用”的原则，为控制类、电气与信息类等专业开设的技术 基础课程，它隶属于控制论中的工程控制论的经典控制论，沟 通基础科学的实践应用，用于指导工程技术的实现与应用。隶 属关系如下：
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
信号与系统 电路理论 电机与拖动
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
微积分（含微分方程）
二、自动控制原理的发展及其在各领域中的应用
1、发展 – 第一代控制理论——经典控制理论 – 第二代控制理论——现代控制理论 – 第三代控制理论——大系统理论和智能控制理
课程的性质和特点1
讨论的对象：
因果系统 、工程系统
系统的广义性：
经济、社会、工程、生物、环境、医学
课程特点：
研究系统的共性问题
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
课程的性质和特点2
• 自动控制是一门技术学科，• 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控 制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。
论
历史的回顾
• 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。
• 1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
• 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态 正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
第二章 控制系统的数学模型 8
第三章 时域分析法
8
第四章 频率法
8
第五章 控制系统的校正
2
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
16
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
以传递函数为基础研究单 以状态空间法为基础，研
输入-单输出一类定常控制 系统的分析与设计问题。 这些理论由于其发展较早， 现已臻成熟。
究多输入-多输出、时变、 非线性一类控制系统的分
析与设计问题。系统具有 高精度和高效能的特点。
应用
（1）自动化控制技术形成时期
（2）局部自动化时期（20世纪 40-50年代） ① 经典控制理论的形成和发展 ②局部自动化的广泛应用 ③电子数字计算机的发明
• 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域 分析的现代控制理论提供了可能。
• 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及 复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
• 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、 H∞控制及其相关课题。
• 古典控制理论
• 现代控制