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1、控制工程基础控制工程基础课件课件胡步发胡步发2008.72008.7控制系统的基本概念总第第1章章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1.0 绪论绪论1.1 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成1.2 控制系统的基本类型控制系统的基本类型1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求控制系统的基本概念总1.0 绪论绪论n知识点：知识点：控制工程发展概况，工作原理及其控制工程发展概况，工作原理及其组成，基本类型，基本要求。组成，基本类型，基本要求。n重重 点：点：控制工程的工作原理。控制工程的工作原理。n难难 点：点：控制工程的组成。控制工程的组成。控制系统的基本概念总控制工
2、程：控制工程： 是一门新型的科学技术，也是一门是一门新型的科学技术，也是一门边缘学科边缘学科。它的理论基础是。它的理论基础是工程控制论。工程控制论。控制系统的基本概念总发展历史发展历史n10001000多年前：指南针、铜壶滴漏计时器、天多年前：指南针、铜壶滴漏计时器、天文仪器。文仪器。控制系统的基本概念总 瓦特：瓦特：(1788(1788年年) )发明了蒸汽机飞球调速器，发明了蒸汽机飞球调速器，充实了充实了“经典控制理论经典控制理论”。n唐唐温庭筠温庭筠鸡鸣埭歌：鸡鸣埭歌：“铜壶漏断梦初铜壶漏断梦初觉，宝马尘高人未知。觉，宝马尘高人未知。” 控制系统的基本概念总主要发展是在第二次世界大战期间及
3、之后。主要发展是在第二次世界大战期间及之后。 二次大战期间二次大战期间 ：由于建造飞机自动驾驶仪、：由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，从而推动了控制理论的发展。要，从而推动了控制理论的发展。控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总控制系统的基本概念总n二次大战之后，日趋成熟。二次大战之后，日趋成熟。n1948年年J.Wiener（威纳）发表了控制论（威纳）发表了控制论，形成经典控制理论。，形成经典控制理论。n 1954年，钱学森发表工程控制论
4、。年，钱学森发表工程控制论。控制系统的基本概念总n50年代未年代未60年代初，又一个发展时期，形成现代年代初，又一个发展时期，形成现代控制理论：导弹制导、数控技术、空间技术发展需控制理论：导弹制导、数控技术、空间技术发展需要和计算机技术的成熟。要和计算机技术的成熟。n近十几年来，现代控制理论在最优滤波、系统辨识、近十几年来，现代控制理论在最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等方面又有重大进展。自适应控制、智能控制等方面又有重大进展。 控制系统的基本概念总n控制工程的发展控制工程的发展与控制理论、计算机技术、与控制理论、计算机技术、现代应用数学的发展息息相关，现代应用数学的发展息息相关，控制
5、理论控制理论正正在与模糊数学、分形几何、混沌理论、灰色在与模糊数学、分形几何、混沌理论、灰色理论、人工智能、神经网络、遗传基因等学理论、人工智能、神经网络、遗传基因等学科的交叉、渗透和结合中不断发展。科的交叉、渗透和结合中不断发展。控制系统的基本概念总对对“现代控制理论现代控制理论”有突出贡献的科学有突出贡献的科学家家n1892年年(俄国俄国)：李稚普诺夫（稳定性）；：李稚普诺夫（稳定性）；n1956年年(前苏联前苏联)：蓬特里亚京：蓬特里亚京(极大值理论极大值理论)；n1957年年(美国美国) ：贝尔曼：贝尔曼(动态规划理论动态规划理论)；n1960年年(美国美国) ：卡尔曼：卡尔曼(卡尔曼
6、滤波理论卡尔曼滤波理论)。 返回返回控制系统的基本概念总1.1 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成1.1.1 控制系统的工作原理控制系统的工作原理1.1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制1.1.3 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成控制系统的基本概念总1.1.1 控制系统的工作原理控制系统的工作原理n1、人工控制的恒温箱系统、人工控制的恒温箱系统n2、恒温箱的自动控制系统、恒温箱的自动控制系统 控制系统的基本概念总1. 人工控制的恒温箱系统人工控制的恒温箱系统恒温箱控制系统（恒温箱控制系统（分析控制系统的工作原理）分析控制系统的工作原理）控制系统的基本概念总人工调节
7、过程可归结如下：人工调节过程可归结如下：(1)观观测测由由测测量量元元件件(温温度度计计)测测出出的的恒恒温温箱箱内内的的温温度度(被控制量被控制量)；(2)与与要要求求的的温温度度值值(给给定定值值)进进行行比比较较，得得出出偏偏差差的的大小和方向；大小和方向；(3)根据偏差的大小和方向再进行控制。根据偏差的大小和方向再进行控制。控制系统的基本概念总当当恒恒温温箱箱内内温温度度高高于于所所要要求求的的给给定定温温度度值值时时，调调整整调调压压器器使使电电流流减减小小，温温度度降降低低。若若温温度度低低于于给给定定的的值值，则则调调整整调调压压器器，使使电电流流增增加加，温温度度升升到到正常范
8、围。正常范围。控制系统的基本概念总当然可以用一个当然可以用一个控制器控制器来代替来代替人人的职能，把的职能，把人工控制人工控制变成一个变成一个自动控制自动控制系统。系统。 总结：总结：人工控制过程就是人工控制过程就是 “检测偏差检测偏差再纠正偏差再纠正偏差 ”的过程。的过程。控制系统的基本概念总2. 恒温箱的自动控制系统恒温箱的自动控制系统 控制系统的基本概念总note:u=u1-u2当偏差信号当偏差信号u=0时电动机才停转！时电动机才停转！ 控制系统的基本概念总综上所述，可以归纳自动控制系统的工作过程如下：综上所述，可以归纳自动控制系统的工作过程如下： (1)检测输出量的实际值；检测输出量的
9、实际值；(2)将将实实际际值值与与给给定定值值(输输入入量量)进进行行比比较较得得出出偏偏差差值；值；(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 控制系统的基本概念总“恒温箱温度自动控制系统恒温箱温度自动控制系统”的职能框图如下：的职能框图如下： nnote:note: 代表比较元件；箭头代表作用方向；每个职能框代代表比较元件；箭头代表作用方向；每个职能框代表一个环节。每个环节的作用是单向的，其输出受输入控制。表一个环节。每个环节的作用是单向的，其输出受输入控制。 返回返回控制系统的基本概念总1.1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制1、开环控制系统开
10、环控制系统2、闭环控制系统、闭环控制系统3、半闭环控制系统、半闭环控制系统控制系统的基本概念总1 开环控制系统开环控制系统定义：定义：如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而而输出端和输入端之间不存在反馈回路输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的系统称为影响，这样的系统称为开环控制系统开环控制系统。 控制系统的基本概念总“数控机床的开环控制系统数控机床的开环控制系统”如下：如下： nnote:note:开环系统的开环系统的优点优点：结构简单，系统稳定性好，
11、成本低；：结构简单，系统稳定性好，成本低；开环系统的开环系统的缺点缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。控制系统的基本概念总2 闭环控制系统闭环控制系统定义：定义：如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为为闭环控制系统闭环控制系统。 控制系统的基本概念总note : 反馈控制系统必是闭环控制系统；反馈控制系统必是闭环控制系统； 前述的恒温箱温度自
12、动控制系统就是一个闭环前述的恒温箱温度自动控制系统就是一个闭环控制系统；控制系统； 闭环系统的闭环系统的优点优点：控制精度高，不管遇到什么控制精度高，不管遇到什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差；环控制就会产生控制作用来减小这一偏差；控制系统的基本概念总 闭环系统的闭环系统的缺点缺点：由于是靠偏差进行控制的，由于是靠偏差进行控制的，因此，在整个控制过程中始终存在着偏差，由因此，在整个控制过程中始终存在着偏差，由于元件的惯性于元件的惯性(如负载的惯性如负载的惯性)，若参数配置不，若参数配置不当，很容易引起振荡，使
13、系统不稳定，而无法当，很容易引起振荡，使系统不稳定，而无法工作。所以，在闭环控制系统中工作。所以，在闭环控制系统中精度精度和和稳定性稳定性之间总存在着矛盾，必须合理地解决。之间总存在着矛盾，必须合理地解决。 控制系统的基本概念总3 半闭环控制系统半闭环控制系统定义：定义： 如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件（例端引出，而是间接地取自中间的测量元件（例如在数控机床的进给伺服系统中，若将位置检如在数控机床的进给伺服系统中，若将位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量工作测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量工作台
14、的实际位移），则这种系统称为台的实际位移），则这种系统称为半闭环控制半闭环控制系统系统。控制系统的基本概念总半闭环控制系统优缺点半闭环控制系统优缺点半闭环控制系统可以获得比开环系统更高的控制半闭环控制系统可以获得比开环系统更高的控制精度，但比闭环系统要低；与闭环系统相比，它精度，但比闭环系统要低；与闭环系统相比，它易于实现系统的稳定。目前大多数数控机床都采易于实现系统的稳定。目前大多数数控机床都采用这种半闭环控制控制进给伺服系统。用这种半闭环控制控制进给伺服系统。返回返回控制系统的基本概念总1.1.3 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成控制系统的基本概念总说明：说明：包括：包括：给定元件、反
15、馈元件、比较元件、放大元给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件件、执行元件及校正元件 。n给定元件：给定元件：用于产生用于产生给定信号或输入信号；给定信号或输入信号；n反馈元件：反馈元件：测量测量被控制量或输出量；被控制量或输出量；n比较元件：比较元件：用来接收用来接收输入信号和反馈信号并进行输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号；比较，产生反映两者差值的偏差信号；控制系统的基本概念总n放大元件：放大元件：对对偏差信号进行放大的元件；偏差信号进行放大的元件； n执行元件：执行元件：直接对直接对控制对象进行操纵的元件；控制对象进行操纵的元件；n校正元件：校正
16、元件：校正元件又称校正元件又称校正装置校正装置。串接串接在系统前在系统前向通路上的称为向通路上的称为串联校正装置串联校正装置，并接并接在反馈回路在反馈回路上的称为上的称为并联校正装置并联校正装置。 返回返回控制系统的基本概念总1.2 控制系统的基本类型控制系统的基本类型1.2.1 按输入量的特征分类按输入量的特征分类1.2.2 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类控制系统的基本概念总1.2.1 按输入量的特征分类按输入量的特征分类1.恒值控制系统恒值控制系统2. 随动系统随动系统3.程序控制系统程序控制系统控制系统的基本概念总1.恒值控制系统恒值控制系统定义：定义： 系统的输入
17、量是恒量，并且要求系统的输出量系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相相应地应地保持恒定。保持恒定。 工业生产中的温度、压力、流量、液面、速度等工业生产中的温度、压力、流量、液面、速度等参数的控制，均属此类。参数的控制，均属此类。控制系统的基本概念总定义：定义： 系统的输入量是变化着的（甚至是随机的），并且系统的输入量是变化着的（甚至是随机的），并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。随动系统在工业部门又称伺服系统。的变化。随动系统在工业部门又称伺服系统。机械加工中的仿形机床和武器装备中的火炮自动瞄准系统以机械加工中的仿形机床和武器
18、装备中的火炮自动瞄准系统以及导弹目标自动跟踪系统等均属此类。及导弹目标自动跟踪系统等均属此类。2. 随动系统随动系统控制系统的基本概念总右右图图：为为一一随随动动系系统统控制系统的基本概念总定义：定义： 这种系统的输入量不为常值，但其变化规律是预这种系统的输入量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。可以预先将输入量的变化规律先知道和确定的。可以预先将输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的作用，使控制对象按指令的要求而运动。作用，使控制对象按指令的
19、要求而运动。3. 程序控制系统程序控制系统控制系统的基本概念总计算机绘图仪就是典型的程序控制系统计算机绘图仪就是典型的程序控制系统返回返回控制系统的基本概念总1.2.2 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类1.连续控制系统连续控制系统2.离散控制系统离散控制系统控制系统的基本概念总1. 连续控制系统连续控制系统定义：定义： 系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为统称为连续控制系统连续控制系统。控制系统的基本概念总note: 连续控制系统分为线性系统和非线性系统；连续控制系统分为线性系统和非线性系统； 能用线性微分方程描述的系统
20、称为能用线性微分方程描述的系统称为线性系统线性系统， 不不能能用用线线性性微微分分方方程程描描述述、存存在在着着非非线线性性部部件件的的系统称为系统称为非线性系统非线性系统。 控制系统的基本概念总定义：定义： 系系统统中中某某一一处处或或数数处处的的信信号号是是脉脉冲冲序序列列或或数数字字量量传传递递的的系系统统称称为为离离散散控控制制系系统统(也也称称数数字字控控制系统制系统)。note: 由由计计算算机机参参与与的的控控制制系系统统肯肯定定是是离离散散控控制制系统。系统。2. 离散控制系统离散控制系统控制系统的基本概念总note:n连连续续控控制制系系统统和和离离散散控控制制系系统统的的信
21、信号号形形式式有有较较大大差别，因此在差别，因此在分析方法分析方法上也有明显的不同；上也有明显的不同；n连连续续控控制制系系统统以以微微分分方方程程来来描描述述系系统统的的运运动动状状态态，并用并用拉氏变换法拉氏变换法求解微分方程；求解微分方程；n而而离离散散系系统统则则用用差差分分方方程程来来描描述述系系统统的的运运动动状状态态，用用Z变变换换法法引引出出脉脉冲冲传传递递函函数数来来研研究究系系统统的的动动态态特特性。性。 控制系统的基本概念总n此此外外，还还可可以以按按系系统统部部件件的的物物理理属属性性分分为为机机械械、电电气气、机机电电、液液压压、气气动动、热热力等控制系统。力等控制系
22、统。返回返回控制系统的基本概念总1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 n三大性能：稳定、精确、快速三大性能：稳定、精确、快速 稳定性稳定性稳稳定定性性就就是是指指系系统统动动态态过过程程的的振振荡荡倾倾向向及及其其恢恢复平衡状态的能力复平衡状态的能力。 稳定性乃是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性乃是保证控制系统正常工作的先决条件。控制系统的基本概念总 精确性精确性控控制制系系统统的的精精确确性性即即控控制制精精度度，一一般般以以稳稳态态误误差差来来衡衡量量。所所谓谓稳稳态态误误差差是是指指以以一一定定变变化化规规律律的的输输入入信信号号作作用用于于系系统统后后，当当调调整整过
23、过程程结结束束而而趋趋于于稳稳定定时时，输输出出量量的的实实际际值值与与期期望望值值之之间间的的误差值。误差值。 控制系统的基本概念总 快速性快速性快速性快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。偏差时，消除这种偏差的快慢程度。控制系统的基本概念总note: 由由于于控控制制对对象象的的具具体体情情况况不不同同，各各种种系系统统对对稳稳定定、精精确确、快快速速这这三三方方面面的的要要求求是是各各有有侧侧重重的的： 例例如如，调调速速系系统统对对稳稳定定性性要要求求较较严严格格，而而随随动动系系统统则对快速性提出较高的要求；则对快速性提出较高的要求； 控制系统的基本概念总即即使使对对于于同同一一个个系系统统，稳稳、准准、快快也也是是相相互互制制约约的的。提提高高快快速速性性，可可能能会会引引起起强强烈烈振振荡荡；改改善善了了稳稳定定性性，控控制制过过程程又又可可能能过过于于迟迟缓缓，甚甚至至精精度度也也会变差。会变差。控制系统的基本概念总课后作业：课后作业：P81-3,1-4。课间提问：试举日常生活中的开环控制系统和课间提问：试举日常生活中的开环控制系统和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。闭环控制系统，并说明它们的工作原理。返回返回控制系统的基本概念总
