现代控制工程第一章

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•(b) 方块图
现代控制工程第一章
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。
➢分析控制过程
• •u -> t •t －－？
•开环控制系统特点：
信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
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•给定值
输入量 (Input) 控制装置 被控对象 输出量 (Output)
•术语
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•扰动量
•输入量 • 开关
• (电源 )
• 加热
• 电阻丝
•控制装置
• 电炉 •输出量 • 恒温箱 •( 温 度 • 受控对象 )
•开环控制系统的方框图
•扰动
•输入量 •控制装置
•输出量 •受控对象
Time Domain n The Root Locus Method n Frequency Response Methods n The Design & Compensation of Control systems
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•Requirements
（课程要求）
n Reference n Experiment n Exercise n Method of exams n Class discipline n How contact
•初始
•中子数 •+
•中子 数 •n
•+
•U235
•能量
•中子数 •2.5n
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•有效中子率
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• 闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向 • 作用有反向联系的控制过程。
•闭环控制 •典型方框图
•扰动
•输出量
•输入 量
•控制器
•-
•被控对象
• 特点：••输低出精影度响元输件入可，组所成以高能精削度弱系或统抑；制干扰； •因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。
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•恒值系统：也称镇定系统。输出量以一定的精度 •等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程 中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统， 石油部门的恒压系统等。
•随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的 系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特 点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确 定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。
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研究对象 数学工具 分析方法
局限性
经典 控制 理论
现代 控制 理论
单I/O 微分方程， 时域法
线性定常 传递函数 频域法
系统
根轨迹法
多输入-多 线性代数、 输出变系 矩阵理论 数，非线 性等系统
状态 空间法
对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无
能为力
比较繁琐
（但由于计
•R(s)
•放大
•串联
•- •整形
•校正
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•变换
•- •放大
•并联校正
•执行 •元件
•C(
•被控 •对象
s)
•测量元件
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•三. 复合控制(Composite control)
• 补偿装置
• 控制装置 • 输入信号 • (-)
•按输入补偿
• 受控对象
• 被控量
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现代控制工程-第一章
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2020/11/23
现代控制工程第一章
Significance
（课程意义）
n Control engineering is an exciting and challenging field.
n It is a multidisciplinary subject, and a core course in the engineering curriculum.
（Basic requirements）
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•Automatic Control
在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机 械（Controller）使被控制对象（Controlled object） 达到预期的目标 。
•Research of AC
Classic control theory Modern control theory
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现代控制工程第一章
•Contents
（课程内容）
n Introduction to Control Systems n Mathematical Modeling of Dynamic Systems n The Analysis of Linear Feedback Systems in the
现代控制工程第一章
n 反馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程
n 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小
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正反馈的例子
已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应， 放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能 再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。
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•闭环控制系统的方框图
• 扰动
• 给定 •r(t) •e(t) • 控
• 放大 •u(t) • 执行 • 受控
• 参考
• 输入信号
• (-••)偏 信差 号
制
• 元件
••调环节节器(或控制器)
• 控制量 •
机构 • 对象 •受控系统
•反馈信号
• 反馈装置
• (测量元件)
n Open-loop Control（开环控制）
An open-loop control system utilizes an actuating device to control the process directly without using feedback
n Composite Control（复合控制）
• c(t)
•被控量
•方框图的组成：
•输入量 • 环节名称 •输出量 •(或特性)
•(a)
•r •e=r-b
• (-)
•b
•(b)
•c •引出点 •c •c
•(c)
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•闭环控制系统的组成
•尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成 为：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象； (6)测量元件。
算机技术的
迅速发展，已 克服)
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•1.2 Basic Types of Control modes
n Closed-loop Control（闭环控制）
A closed-loop control system uses a measurement of the output and feedback of this signal to compare it with the desired output(reference or command).
•程序控制系统(Program control)
•按系统性能分
线性/非线性系统(Linear/Non-linear) 连续/离散性系统(Continuous/Discrete) 定 常 / 时 变 性 系 统 (Time-invariant/Time-
variant) 确定/不确定系统(Certainty/Uncertainty)
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n 按扰动补偿(Disturbance compensation): 控制方式的原理是利用对扰动信 号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经 测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制 方式。因此，控制精度有限.
•按扰动补偿
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•控制器
•被控制 •对象
• 控制的原理方框图
•输出量
•控制方式：•按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给
定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的 调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无 法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳 定和扰动信号较弱的场合.
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• 经典控制理论（Classic control theory）
• 主要研究的对象： • 单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题
• 现代控制理论（Modern control theory）
• 现代控制理论研究对象: • 多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的 • 分析和设计问题
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•开环控制与反馈控制的比较
•开环: 优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和 • 扰动能预先知道时，控制效果较好。
•
缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数
•
变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。
•闭环: 优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 • 正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。
•缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
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•闭环控制系统的术语和定义
•主反馈 — 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同 •偏 差 — 给定信号与主反馈信号之差的信号； •控制单元—接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量； •扰 动 — 对系统输出产生不利影响的信号； •反馈环节—检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号；
•测量装置 •控制器
•被控制 •对象
•扰 动
•输出量
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•1.3 控制系统分类
•按控制方式分
•按给定值操纵的开环控制 •按干扰补偿的开环控制 •按偏差调节的闭环控制 •复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅
•恒值系统(Constant-value) •按给定值变化规律分 •随动系统(Servo)
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•Chapter 1 Introduction to Control Systems
（In Chinese）
1-1 Concepts of Control Systems 1-2 Basic Types of Control modes 1-3 Classes of Control Systems 1-4 Principles to the Control system Design
•程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根 据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。 例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的 程序控制系统等。
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按系统性能分类
线性系统 (Linear system)
特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学 模型为线性微分方程。运动方程一般形式：
n It is widely applied to the field of industry and agriculture, even to the sociological, biological, ecological and economic systems.
n It is especially used in high-technology areas such as spacecraft control system.
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•风扇叶片 （Controlled Object）
•开关或程序 •控制电压
Controller
•电机 •（Actuators）
•电风扇的控制
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•一.开环控制 (Open-loop control)
•例: 电炉温度控制系统
➢分析控制组成
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•例: 直流电动机转速开环控制系统。
➢ 输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
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• • • • • • • • • • •
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•图示: 人工电动机转速闭环控制系统
现代控制工程第一章
•汽车方向控制系统
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式中：r(t)—系统输入量； c(t)—系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
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•
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•预期行
驶路线 •+
•比较
•偏差
•驾车
器
人百度文库
•方向 盘
••视觉测量
•实际行 •汽 驶路线 车
•汽车方向控制人工职能图
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现代控制工程第一章
•二、闭环控制
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•控制任务：保持工作机械恒速运行.
•控制过程：• n
uf
@u
ua
•n
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