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1、控制工程基础 主讲 曾 励,1 绪 论,2,1 绪 论,1.1 控制工程概述 1.2 控制系统的结构 1.3 控制系统的基本类型 1.4 对控制系统的基本要求,1 绪 论,3,1.1 控制工程概述,控制理论是研究各种控制系统共同存在的控制规律的一门技术科学。它是一门方法论学科。 1.自动控制的概念 1）所谓自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控对象或系统的某些物理量准确地按照预期的规律变化。 2）控制理论的三要素：信息、反馈、控制 2.控制论发展的三个阶段 第一阶段是20世纪4050年代，该时期为经典控制论发展时期。 第二阶段是20世纪6070年代，该时期为现代控制论发展时期
2、。 第三阶段是20世纪末至今，控制论向着“大系统论”和“智能控制论”发展。,3.系统（System）的定义: 系统是由若干相互作用和相互依赖（联系）的事物组合而成的具有特定功能的整体（集合）。,对于实际应用来说，系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。,原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出。通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。,系统构成的三要素,物质,能量,信息,构成系统的形体,系统的运动离不开能量,信息则是系统的灵魂,t,u0(t),1 绪 论,6,3.控制工程基础的研究内容 1）当系统已定、输入已知时，求出系统的输出（响应），并通过输出
3、来研究系统本身的有关问题； 2）当系统已定时，确定输入，且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优控制问题； 3）当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计问题； 4）当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测问题； 5）当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数建立系统的数学模型，即系统辨识问题。,1 绪 论,7,控制系统一般由控制器和被控对象两部分组成，按其结构可分为两种基本形式：开环控制系统和闭环（反馈）控制系统。,1.2.1 开环控制系统,定义,开环控制系统：若系统的输出量与输入量间没有反馈回路,输出量对系
4、统的控制作用没有影响的系统称为开环控制系统。,图1.1 开环控制系统,1.2 控制系统的结构,恒温箱的人工控制,1,动态过程,1. 观测恒温箱内的温度（被控制量）,是一个典型的开环控制系统。,实质 检测偏差再纠正偏差。,人参入控制： （1）眼睛观测温度； （2）大脑比较； （3）手操作调压器。,1 绪 论,10,开环控制系统用一定输入量产生一定输出量，若由于某种干扰作用使输出量偏离原始值，它没有自动纠正偏差的能力。如果要进行补偿，必须再借助人工改变输入量。因此，开环控制系统的精度较低。但是如果组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰也比较小，则这种控制系统也可以保证一定的精度。开环控制系
5、统最大的优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作，对于要求不高的系统可以采用。,1 绪 论,11,闭环控制系统：若控制系统的输出端和输入端之间有反馈回路，输出量对系统的控制作用有直接影响，这种系统称为闭环控制系统。闭环的作用就是应用反馈来减少偏差，因此，反馈控制系统必定是闭环系统。闭环控制系统在控制器和被控对象之间不仅存在正向作用，而且存在反向作用，将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较，称为反馈。,定义,1.2.2 闭环控制系统,1 绪 论,12,若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。,图1.4 闭环控制系统,1 绪 论,13,恒温
6、箱自动控制系统功能框图,（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 （2）恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2 （3）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。,1 绪 论,15,闭环控制系统工作原理： 1) 检测输出量的实际值； 2）将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值； 3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。,自动控制系统的工作过程的基本原理：以偏差调节减小偏差，以偏差纠正偏差，
7、以偏差消除偏差。输出量必须参与控制。,1 绪 论,16,1 绪 论,17,1.2.3 反馈控制系统的组成,1 绪 论,18,1.给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号，如，调速系统中的给定电位计。 2.反馈元件 用于测量被调量或输出量，产生反馈信号，该信号与输出量之间存在确定的函数关系。 3.比较元件 用来比较输入信号与反馈信号之间的偏差，它可以是物理比较元件（如旋转变压器等），也可是差接电路，所以，又称为比较环节。 4.放大元件 对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。如，伺服功率放大器、电液伺服阀等。放大元件的输出一定要有足够的能量，才能驱动执行元件，实现控制功能。,1 绪 论,19,5
8、.执行元件 直接对控制对象进行操作的元件。如，执行电动机、液压马达等。 6.控制对象 是控制系统要操纵的对象。它的输出量就是系统的被控量，如机床工作台等。 7.校正元件 为保证控制质量，使系统具有良好的静、动态性能而加入系统的元件。校正元件又称为校正装置，有串联校正和并联校正两种形式。 除被控对象外，上述的给定元件、反馈元件、比较元件放大元件、执行元件、校正元件等一起组成了控制系统的控制部分（控制装置）。因此，可以说控制系统是由控制部分和被控对象两大部分组成的。,1 绪 论,20,1.3 控制系统的基本类型 1.3.1按输入信号的特征分类 1.恒值控制系统（镇定系统） 这类系统的输入量是一个不
9、变化的恒值，系统的基本任务是排除各种干扰因素的影响，使被控制量（输出量）以一定精度保持希望值。工业生产中要求速度、压力、流量等数值恒定的控制系统都属此类控制系统。 2.伺服跟踪系统（随动系统） 这类系统的输入量是变化的，且随时间的变化规律是不能预先确定的，当输入量发生变化时，要求输出量排除各种干扰因素的影响，快速、平稳地随之发生变化，准确地重现输入信号的变化规律。机械加工中的仿型机床和武器装备中的火炮自动跟踪系统均为随动系统。 3.程序控制系统 这类系统的输入量随时间的变化规律是预先确定的，系统预先将输入量的变化规律编制成程序，由该程序发出控制指令，并在输入装置中将控制指令转换成控制信号，经过
10、控制系统的作用，使被控对象按照指令的要求动作。,1 绪 论,21,1.3.2按控制器的实现方式分类 1.连续模拟式控制系统 连续模拟式控制系统中各部分的信号均为连续变化的模拟信号。离心调速器、液压伺服系统等大多数的闭环控制系统都属于此类。连续控制系统又可以分为线性系统和非线性系统两大类，其中能用线性微分方程描述的系统称为线性系统；不能用线性微分方程描述、存在非线性部件的即为非线性系统。 2.离散数字式控制系统 离散数字式控制系统中的信号成分一般比较复杂，包含有各种信号形式：连续模拟信号、离散信号、数字信号等，并进行数字信号间的转换，但起直接控制作用的一定是数字信号。 1.3.3按有无误差分类
11、闭环控制系统是按偏差进行调节的，系统的被控量若因干扰因素的影响，偏离了稳态值，产生了误差，系统通过检测偏差，进而纠正偏差的动态调节过程再次达到稳定状态。因此，闭环控制系统按照稳定后被控量与期望值相比有无误差，可分为以下两种形式。,1 绪 论,22,1.无差系统 若控制系统通过动态调节达到稳定后，被控量能恢复原值，即被 控量与期望值一致，误差为零，则称这种系统为无差系统。 2.有差系统 若经过调节过程，被控量接近但不能恢复原值，即被控量与期望值之间存在误差，则称这种系统为有差系统。能否消除偏差，取决于闭环控制系统的结构和参数。 此外，控制系统还有其他多种分类方式。,按控制方式分,开环控制 闭环控
12、制(反馈控制) 半闭环控制,1 绪 论,23,按稳定性分,稳定系统,不稳定系统,按系统的数学描述分,温度控制系统,压力控制系统,速度控制系统,位置控制系统, ,1 绪 论,24,机械系统恒张力系统 电气系统 机电系统全自动照相机，光机 电结合 液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台 气动系统 生物系统,按系统部件的物理属性分,1 绪 论,25,1.4.1稳定性： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无
13、关，如图1.8所示。,1.4 对控制系统的基本要求,对自动控制系统性能的基本要求,可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。,稳,准,快,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。,1 绪 论,27,1.4.2 准确性 控制精度问题，用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。即：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。 显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度
14、越高。,给定值,实际输出,fo(t),t,误差,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。,1.4.3 快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。,由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、准确、快速这三方面的要求是各有侧重的。 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。,1 绪 论,30,图是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。,例题,1 绪 论,31,1 绪 论,32,控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱,1 绪 论,33,
