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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料,控制工程基础(共4篇)控制工程基础学习笔记一、概论基本概念控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。输入信号：人为给定的，又称给定量。输出信号：就是被控制量。它表征对象或过程的状态和性能。反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。偏差信号：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。扰动信号：来自系
2、统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。控制的基本方式开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。反馈控制系统的基本组成给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值。测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：用于直接驱动被控对
3、象，使被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。对控制系统的性能要求稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。稳定是控制系统正常工作的先决条件。快速性：指稳定系统响应的动态过程的时间长短。准确性：指控制系统进入稳态后，跟踪给定信号或纠正扰动信号影响的准确度。二、控制系统的动态数学模型控制系统的运动微分方程建立数学模型的一般步骤用解析法列写系统或元件微分方程的一般步骤是：(1)分析系统的工作原理和信号传递变换的过程，确定系统和各元件的输入、输出量。(2)从系统的输入端开始，按照信号传递变换过程，依据各变量所遵循的物理学定律，依次列写
4、出各元件、部件动态微分方程。(3)消去中间变量，得到一个描述元件或系统输入、输出变量之间关系的微分方程。(4)写成标准化形式。将与输入有关的项放在等式右侧，与输出有关的项放在等式的左侧，且各阶导数项按降幂排列。拉氏变换与反变换拉普拉斯变换的定义如果有一个以时间t为自变量的实变函数f(t)，它的定义域是t=0，那么f(t)的拉普拉斯变换定义为?stFs?Lft?ftedt?F(s)=Lf(t)=?0?Fs?,sf是复变数，te?stdt称为拉普拉斯积分；F(s)是函数f(t)的拉普拉斯变换，?式中L?t?f?0?它是一个复变函数，通常也称F(s)为f(t)的象函数，而称f(t)为F(t)的原函数
5、；L表示进行拉普拉斯变换的符号。阶跃函数的拉氏变换R?s?L?f?t?0?A?st?Ae?st1At?edt?te|0?(?)dt?0?0sss?st?0Ae?stdtAs2单位斜坡函数的拉氏变换为R(s)=1/s2ate指数函数的拉氏变换Leat?0eate?stdt?e?s?a?tdt?0?1s?a正弦函数和余弦函数的拉氏变换L?sin?t?L?cos?t?0sin?te?stdt?0ej?e?j?st?edt?22js?2ss2?2常见函数的拉氏变换表拉氏变换的常用定理线性定理Lk1f1t?延迟定理?k2f2?t?k1L?f1?t?k2L?f2?t?k1F1?s?k2F2?s?L?f?t
6、?a?e?asF?s?位移定理Le?atf?t?F?s?a?微分定理Lf?n?t?snF?s?sn?1f0?sn?2f?1?0?sf?n?2?0?f?n?1?0?积分定理tF?s?1?1?L?f?t?dt?f0?0?ss?终值定理：若函数f(t)的拉氏变换为F(s)limf?t?limsF?s?t?s?0初值定理：若函数f(t)的拉氏变换为F(s)limf?t?limsF?s?t?0s?传递函数传递函数的定义表示方法：Y?s?bmsm?bm?1sm?1?b0G?s?Xsansn?an?1sn?1?a0传递函数的性质传递函数表示系统传递输入信号的能力，反映系统本身的动态特性，它只与系统的结构和参
7、数有关，与输入信号和初始条件无关。传递函数是复变量s的有理分式函数，其分子多项式的次数m低于或等于分母多项式的次数n，即mn。且系数均为实数。在同一系统中，当选取不同的物理量作为输入、输出时，其传递函数一般也不相同。传递函数不反映系统的物理结构，物理性质不同的系统，可以具有相同的传递函。传递函数的定义只适用于线性定常系统。yt?LXos?LGsXis?1?1?典型环节的定义比例环节Y?s?G?s?KXs输出量不失真、无惯性地跟随输入量，且成比例关系的环节。惯性环节G?s?Y?s?K?XsTs?1由于惯性环节中含有一个储能元件，所以当输入量突然变化时，输出量不能跟着突变，而是按指数规律逐渐变化积
8、分环节G?s?Y?s?1?XsTs积分环节的一个显著特点是输出量取决于输入量对时间的积累过程。输入量作用一段时间后，即使输入量变为零，输出量仍将保持在已达到的数值，故有记忆功能；另一个特点是有明显的滞后作用。微分环节G?s?Y?s?TsXsY?s?s?1Xs一阶微分环节G?s?微分环节的输出是输入的导数，即输出反映了输入信号的变化趋势，所以也等于给系统以有关输入变化趋势的预告。因而，微分环节常用来改善控制系统的动态性能振荡环节G?s?Y?s?K?22XsTs?2?Ts?1含有两个独立的储能元件，且所存储的能量能相互转换，从而导致输出带有振荡的性质。二阶微分环节G?s?输出量不仅取决于输入量本身
9、，而且还决定于输入量的一阶和二阶导数延时环节Y?s?2s2?2?s?1XsG?s?Y?s?e?sXs输入量加上以后，输出量要等待一段时间后，才能不失真地复现输入的环节.延迟环节与惯性环节的区别在于：惯性环节从输入开始时刻起就已有输出，仅由于惯性，输出要滞后一段时间才接近于所要求的输出值；延迟环节从输入开始之初，在0到t的区间内，并无输出，但t之后，输出就完全等于输入三、控制系统的时间响应分析时间响应时间响应的概念：时间响应是指控制系统在典型信号的作用下，输出量随时间变化的函数关系。一、传递函数：对于线性系统，设其输入量为输出量为Xr则它的传递函数X0），G是指初始条件拉氏变换0时，输出量的X0
10、对输入量的拉氏变换Xr=X0(s)/Xr(s)之比，即。Gs）二LXr(t)*g(t)=Xr、卷积定理：(s)*G两个时间函数之卷积的拉氏变换就等于他们各自拉氏变换的乘积三、鲁棒性：在存在扰动和未建模动态条件下，也就是系统的实际动态与应用数学模型之间误差较大时，系统仍能保持稳定性，基本维持原有设计中力。它的研究可以控制性能的能从“稳定鲁棒性”和“性能鲁棒性”两方面来区分。四、极点配置：使闭环控制系统具有预先设定的特征值是控制系统设计方法之一，称为极点配置。五、比例度Q：使调节器的输出变化达到全量程时输入偏差改变了满量程的百分比。带宽，Q大则比例窄。Q小则比例带六、衰减率：衡量振荡过程衰减程度的
11、另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分Y2/Y1数，即￥=Y1Y2Y1,。￥调节过程是￥节过程是衰减振荡0,则Y2)5、衡量振荡过程衰减程度的另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即=Y1Y2/Y1。Y1,调节过程是发散振荡的；=0，Y2=Y1,调节过程是等幅振荡的；10,则Y2Y1，调节过程是衰减振荡的；=1时，则Y2=0，调节过程是非周期过程。6、超调量%：最大动态偏差Y1占被调量稳态变化幅值Y的百分数。它反映系统的平稳性，超调量越大说明系统过度过程越平稳。一般调速系统%可允许在1035%之间。对轧钢而言，初轧机要求%小于10%，连轧
12、机小于25%，卷取机的张力控制不允许有超调量。7、八、古典控制理论的控制策略包括：PID控制，smith控制，解耦控制；现代控制理论的策略主要包括：自适应控制，变结构控制；智能控制理论的策略主要包括：模糊控制，专家控制，神经网络控制。8、九、古典控制理论研究对象是单输入单输出定常反馈系统，数学基础是拉氏变换，数学模型是传递函数设计分析方法基于频率法和图解法；现代控制理论适用于多输入多输出，时变参数，分布参数，随机参数非线性等复杂控制系统的分析设计，数学基础是矩阵理论，数学模型是状态空间法。9、空燃比：u=A(入炉空气量)/A(r)10、集散式控制系统的概念和优点：集散式控制系统是以多个微处理机
13、为基础利用现代网络技术，现代控制技术，图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节监视管理的控制技术11、最小二乘法：如果以不同精度多次观测一个或多个未知量为了求各未知量的最可靠值，各观测量必须加修正值，使其各修正数的平方和与观测数之和相比为最小。12、最小二乘法：未知量的最可能值是这样一个值，它使各次实际观测值和计算值之间的差值的平方乘以度量其精确度的数值以后的和为最小。优点：它比其他方法容易理解，并且不需要严谨的统计知识。它既可用于动态系统，又可以用于静态系统。既可以用于线性系统，又可以用于非线性系统。既可以用于离线估计，又可以用于在线估计，是具有最佳统计特性的方法。13、拉氏变换的基
14、本性质及作用：利用线性定理这一性质，就可在求由多项组成的微分方程的拉氏变换时，用逐项求拉氏变换后再求和的形式来解决；利用微分定理这一性质，在时域内对原函数每进行一次微分，就相当于在复域内将象函数用s乘一次，即将时域内的微分运算简化为复域内乘以s的运算；利用积分定理这一性质，这就是说，对原函数每进行一次积分，就相当于它的象函数用s来除一次，这样把时域中的积分运算化为复域内除于s的运算。14、所谓环节，就是指其输入输出之间可以组成独立的运动方程式的那一部分。它可以是一个元件，也可以是一个元件的一部分或者由几个元件组成。我们称具有典型数学模型的环节为典型环节。放大环节又称比例环节，其传递函数为G=K，即X0/Xr=K,其特点为：输出量与输入量成比例，环节的输出量能以一定比例，不失真、不延迟地复现输入量的变化规律。积分环节：G=1/s,微分：G=s。15、PID控制的优点：原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场；PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技
