控制工程 绪论1

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第一章
经典控制理论 (19世纪中叶-20世纪50年代)
三、控制理论的内容
控 制 工 程 基 础
控制理论


现代控制理论 (60年代以来)
线性

绪论
时域法 频域法 根轨迹法
非线性
状态反馈控制
采样控制
最优控制 智能控制
预测控制 自适应控制 模糊控制 大系统多层分散控制
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2、过程控制系统(或称程序控制系统) 特点:输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制 过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地 复现。
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第一章
绪论
控 制 工 程 基 础
3、随动控制系统 特点:输入信号是一个未知的时间函数，给定量的变 化规律是事先不知道的或不需要知道的。 基本任务是保证被控量跟随给定量变化，也叫跟踪 系统。如果被控量是机械量的系统则可称为伺服系 统。如运动目标的自动跟踪、瞄准系统、 工业自动 化仪表中的显示记录仪等均属于随动控制系统。
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第一章
绪论
比较元件
给定信号
干扰
控 制 工 程 基 础
r
偏差信号
e
控制量
b
主反馈
控制器
u
n
被控对象
被控量
c
测量、变送元件
图1-2-5 反馈控制系统的组成框图
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绪论
给定信号r:输入到系统中的指令信号(参考输入)。 反馈(主反馈b)：与输入成正比或某种函数关系 且与参考输入信号具有相同量纲的反馈信号。 偏差e：参考输入与主反馈之差。 控制量u：从控制器输出并作用于控制对象的信号。
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第一章
绪论
三、按描述系统的数学模型不同来分 1、线性系统
控 制 工 程 基 础
由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程 为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线 性定常系统。线性系统的主要特点是具有叠加性 和齐次性，即当系统的输入分别为r1(t)和r2(t) 时，对应的输出分别为c1(t)和c2(t)，则当输入 为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
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绪论
系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个 系统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而 出现的被控制量希望值与实际值之间误差的能力。
控 制 工 程 基 础
例如，执行机构步进电机出现失步，机床某部分未能准 确地执行程序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控 制指令并不会相应地改变。
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第一章
绪论
机械工程控制论主要研究：输入，系统，输出三 者之间的关系
输入
控 制 工 程 基 础
系统
输出
主要解决以下几方面的问题：
1、系统分析
2、最优控制 3、最优设计 4、系统辨识 5、滤波与预测
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绪论
第二节 自动控制的基本原理
一、基本概念
控 制 工 程 基 础
经典控制理论以连续线性定 常控制系统为研究对象。
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绪论
2、非线性系统
在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节时，该系统为非线性系统。非线性系统不满 足叠加性或齐次性。
控 制 工 程 基 础
注意：
1.非线性的理论研究一般只能 近似的定性描述和数值计算。
2. 严格来说，任何物理系统的 特性都是非线性的。
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绪论
二、按系统传输信号的性质来分 1、连续系统
控 制 工 程 基 础
系统各部分的信号都是时间的连续函数。 如电动机速度自动控制系统。
2、离散系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的 形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用 脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信 号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。
开环控制系统特点： 1.信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2.结构简单. 3.控制精度不高,无法抑制扰动.
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绪论
二、闭环控制
控 制 工 程 基 础
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫 闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环” 这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。闭 环控制系统的方框图如图1-3-3所示。
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第一章
绪论
• 当电源变化、负载变化等引起转速变化，称 为扰动。电动机被称为被控对象，转速称为 被控量，当电动机受到扰动后，转速 ( 被控 量 ) 发生变化，经测速发电机 ( 测量元件 ) 将转 控 制 速信号 ( 反馈信号 ) 反馈到功率放大器 ( 控制 工 器)，使控制器的输出(控制量)发生相应的变 程 基 化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差 础 保持在允许的范围内。
物体--飞船
装臵--锅炉
过程--燃烧
系统--电力，化工，冶金
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绪论
二、 人工控制与自动控制 1、人工控制 煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节
控 制 工 程 基 础
2、自动控制
电饭煲 空调 抽水马桶 声控光控路灯
电动机转速控制
导弹飞行控制
控 制 工 程 基 础
1、按系统输入信号的变化规律不同来分 2、按系统传输信号的性质来分 3、按描述系统的数学模型不同来分
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第一章
绪论
一、按系统输入信号的变化规律不同来分
控 制 工 程 基 础
1、恒值控制系统(或称自动调节系统) 特点:输入信号是一个恒定的数值。主要研究各种干 扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰,使被控 量保持恒定的希望值,基本控制过程是抗扰过程(自动 调节过程)，所以也称为自动调节系统。
控制对象：被控制的机器、设备、过程或系统。 控制器：用来对被控对象施加控制作用的装臵。 反馈环节：将输出量转化为主反馈信号的装臵， 反馈环节中通常有信号检测装臵。
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第一章
典型闭环控制系统的组成框图
绪论
控 制 工 程 基 础
控 制 量
偏 差 量
扰 动 量
给定环节
＋
比较 环节 反 馈 量
放大运算环节
执行环节
被控对象
被 控 量
测量环节
图1-2-6
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绪论
第三节 控制的基本方式
从上面的分析可知，控制的基本方式可以有两种：开环控制
控 制 工 程 基 础
和闭环控制。 一、开环控制
指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对 系统的控制作用不发生影响的系统。开环系统的方框图如 图1-3-1所示。
测 ＋速 发 电 机
图1-2-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
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绪论
控 制 工 程 基 础
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图 1-2-3所示。图中，电位器电压为输入信号。测 速发电机是电动机转速的测量元件，又称为变 送元件（变送器）。图1-2-3，代表电动机转速 变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电 压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控 制功率放大器（控制器），控制器的输出控制 电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控 制系统。
控制的任务：使受控对象的被控量等于 或按照一定的精度符合希望值。
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第一章
绪论
从物理角度上来看，控制理论研究的是特 定激励作用下的系统响应变化情况；
控 制 工 程 基 础
从数学角度上来看，研究的是输入与输出 之间的映射关系； 从信息处理的角度来看，研究的是信息的 获取、处理、变换、输出等问题。
控 制 工 程 基 础
闭环控制系统特点: 1.有反馈回路; 2.结构复杂; 3.控制精度高,自动纠偏
由于反馈的存在， 控制系统可能出 现“振荡”。
有些系统将开环和闭环结合在一起,称为复合控制。
重点讨论闭环控制系统，以后所讲的控制系统都指 闭环控制。
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第一章
绪论
第四节 控制系统的分类
为与自动控制有关。现在已发展成为一门独立的
学科——控制论。工程控制论、生物控制论、 经济控制论和社会控制论。 控制论与工 程技术的结 合
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第一章
绪论
第一节 概论
一、控制的含义
人、机器
控制--某个主体使某个客体按照一定的目的动作。
控 制 工 程 基 础
一件物体，一套装臵，一个 物化过程，一个特定系统。
图1-2-1 锅炉水位控制系统
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绪论
例2 水箱水位控制
控 制 工 程 基 础
图1-2-2 水箱水位控制系统
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绪论
例3 直流电动机速度控制系统
＋U
受控对象 输入信号
控 制 工 程 基 础
电 位 器
＋ 功率 放大器
电动机
测量元件 (变送器)
控制器 偏差信号
输入
控制器
控制对象
输出
图1-3-3 闭环控制系统
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绪论
图纸 微型 计算机
控 制 工 程 基 础
放大器
执行机 构(步进 点机)
工作 机床
切削 位移 刀具
反馈测量元件
图1-3-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
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第一章
绪论
在图1-3-4中，引入了反馈测量元件，闭环控制系统由 于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被控制量出现偏差 的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差。
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绪论
控 制 工 程 基 础
四、其它分类方法 自动控制系统还有其他的分类方法: (1)按系统的输入/输出信号的数量来分:有单输入/单输 出系统和多输入/多输出系统。 (2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控 制系统、位臵控制系统等。 (3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生 物系统。 (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分， 有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统， 模糊控制系统，神经网络控制系统等等。
控 制 工 程 基 础
扰动(干扰n)：来自系统内部或外部，对系统产生 影响的信号。 输出信号c(被控量)：反馈控制系统的被控量，即 被控对象的输出量。
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第一章
绪论
比较环节:将参考输入与主反馈信号进行比教的 环节,它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值。
控 制 工 程 基 础
输入
控制器
控制对象
输出
图1-3-1 开环控制系统
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绪论
如工业上使用的数字程序控制机床，参见图1-3-2。
图纸 微型 计算机 放大器 执行机 构(步进 点机) 工作 机床 切削 位移 刀具
控 制 工 程 基 础
图1-3-2
微型计算机控制机床（开环系统）
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控 制 工 程 基 础
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绪论
例4 锅炉水位控制系统
设定 水位 + 偏 差 量 控 制 量
控 制 工 程 基 础
-
调 节 器
执 行 器
调 节 位 移
调 节 阀 变 送 器
给 水 量
汽 包
实 际 水 位
过 热 器
主蒸汽
测量水位
反馈元件
图1-2-4 锅炉水位控制系统方框图
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反馈：把输出量送回到系统的输入端，并与输 入信号比较的过程。
根据反馈信号对输入信号的影响不同将 其分为正反馈和负反馈。
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第一章
绪论
•工业过程中的反馈控制系统例子
例1 锅炉汽包水位控制系统
控 制 工 程 基 础
主蒸汽 过热器
变送器
汽包 省煤器
调节器
给水 给水泵 执行器 给水调节阀
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第一章
绪论
二、自动控制系统的组成及方框图
控制系统至少包括由测量、变送元件、控制器 等组成的控制装臵和被控对象，它的组成方框图如 图1-2-4所示。 控制装臵应具备三种基本功能：测量、计算和 执行。 参与控制的信号来自三条通道：给定值、干扰 和被控量。 方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部 分之间关系的图解法。
控制： 指由人或用控制装臵使受控对象按照 一定目的来动作所进行的操作。 人工控制： 指控制的任务由人来完成。 自动控制：指控制的任务用控制装臵来完成， 而人不经常直接参与。 控制系统： 一般由控制装臵和被控对象组成。
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绪论
信息反馈是最基本的 自动控制原理。
控 制 工 程 基 础
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第一章
绪论
主要内容
第一节 概论 第二节 控制的基本原理 第三节 控制的基本方式 第四节 控制系统的分类 第五节 控制系统的性能要求
控 制 工 程 基 础
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第一章
绪论
随着科学技术的进步，控制的概念也在扩大， 政治、经济、社会等各个领域也越来越多地被认
控 制 工 程 基 础