控制工程基礎(chǔ)1章

1、 控 制 工 程 基 礎(chǔ)教材：董景新控制工程基礎(chǔ)參考：胡壽松自動控制原理 緒芳勝彥現(xiàn)代控制工程 MATLAB在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中的應(yīng)用類的書籍1 第一章 緒 論一、概述1、自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，使生產(chǎn)過程或被控對象的某些物理量準確地按照預(yù)期的規(guī)律變化，使其具有希望的狀態(tài)和功能。自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)。22、自動控制規(guī)律恒值調(diào)節(jié)：系統(tǒng)的輸入量為一恒值，或者隨時間緩慢地變化，要求系統(tǒng)的輸出量保持為希望的恒定值。例如：穩(wěn)壓電源，恒溫系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)：又稱伺服跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入量隨時間任意變化，系統(tǒng)的基本任務(wù)是控制輸出量以要求的精度及時平穩(wěn)地

2、復(fù)現(xiàn)輸入量。如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，位置隨動等程序控制：系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按照預(yù)定的程序進行。如生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程。33、經(jīng)典控制理論及經(jīng)典控制理論控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出的線性連續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辯識、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域的主要研究課題。其基礎(chǔ)是計算機技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)。4 經(jīng)典控制可以利用硬件電路實現(xiàn)，也可以用計算機來實現(xiàn)，但現(xiàn)代控制是無論如何離不開計算機的。自動控制理

3、論的發(fā)展：它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，并主要用于工業(yè)控制。如二戰(zhàn)時期的飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等。60年代開始向以控制論、信息論和仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論發(fā)展。54、本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法本課程主要講述以機械設(shè)備和機械制造過程為對象的經(jīng)典控制理論。包括：1）控制系統(tǒng)分析：對已知的系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能（一般概括為穩(wěn)定性、快速性和準確性）進行分析，看它們是否滿足要求，并提出改進措施。2）控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)所要求的系統(tǒng)性能指標來設(shè)計控制系統(tǒng)。也稱控制系統(tǒng)的綜合。67二、控制理論在機械制造中的應(yīng)用1、研究機械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題分析問題：系統(tǒng)

4、已定，輸入已知，求系統(tǒng)的輸出最優(yōu)控制：系統(tǒng)已知，確定輸入，使系統(tǒng)盡可能符合給定的最佳要求最優(yōu)設(shè)計：輸入已知，確定系統(tǒng)，使輸出盡可能符合給定的最佳要求濾波與預(yù)測：輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入輸出中的有關(guān)信息系統(tǒng)辯識：輸入輸出均已知，求出系統(tǒng)的結(jié)論和參數(shù)-數(shù)學(xué)模型8三、自動控制系統(tǒng)的基本概念1、名詞解釋對象：是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起，其作用是完成一個特定的動作。如加熱爐，調(diào)速器等。過程：一種自然的逐漸進行的運轉(zhuǎn)或發(fā)展，其特征是，有一系列逐漸的變化以相對固定的方式相繼發(fā)生在運轉(zhuǎn)或發(fā)展狀態(tài)中，并且最后導(dǎo)致一個特定的結(jié)果或狀態(tài)。簡單地稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程。如化學(xué)過程

5、，經(jīng)濟學(xué)過程和生物學(xué)過程。系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，它們組合在一起完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)不限于物理系統(tǒng)。如包含了物理學(xué)，生物學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等現(xiàn)象的系統(tǒng)。9 擾動：是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。反饋控制：反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差，而且其工作原理也正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與參考輸入量的偏差進行控制。102、自動控制系統(tǒng)工作

6、原理(反饋控制是自動控制的最基本形式）113、開環(huán)控制與閉環(huán)控制1）開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)控制作用沒有影響。例如洗衣機，浸濕、洗滌、漂洗和甩干，在洗衣機中是依次完成的。采用時基信號的交通信號燈，則是另一個例子。2）閉環(huán)控制：凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)系統(tǒng)。例如：熱力系統(tǒng)的人工（或自動）反饋控制，所有的隨動系統(tǒng)，大多數(shù)的程序控制系統(tǒng)，室內(nèi)冷藏設(shè)備，自動熱水器。12 控制器被控對象控制量被控量給定值r(t)u(t)y(t) kudnug例：直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng)13 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題。缺點：對元器件要求較高、抗干擾能力差

7、。 適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不 高、擾動作用不大。14 反映了控制量與被控制量相互間的矛盾，動靜性能得到提高。閉環(huán)系統(tǒng)：負反饋：構(gòu)成按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)控制器被控對象控制量被控量給定值r(t)u(t)y(t)測量元件偏差e(t)15 這是一個手動控制的電加熱爐的示意圖。從圖中可以看出，控制的過程主要有三個部分：一是測量爐溫，用眼觀察溫度計，將讀數(shù)送到大腦；二是在大腦中將讀數(shù)與給定溫度（7000C）比較，并根據(jù)比較的結(jié)果指揮手臂的動作；三是增加或減小加熱電阻絲兩端的電壓，以使爐溫盡可能接近給定值。16工作過程從受控對象（電加熱爐）獲取輸出量 （實際爐溫），并回送到輸入端（即反饋），與輸

8、入量（給定爐溫）進行比較產(chǎn)生偏差信號（溫度差），利用偏差信號經(jīng)過控制器（手臂）產(chǎn)生控制量（電阻 絲兩端的電壓），從而跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差。1718 ug kudnub例：直流電動機調(diào)速系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)：nub( ug-ub)ud n 控制量：ud = K (ug-ub)偏差信號：ug-ub19 3）、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)比較優(yōu)點缺點開環(huán)控制簡單，沒有振蕩抗干擾能力差閉環(huán)控制對外部擾動和內(nèi)部參數(shù)變化不敏感系統(tǒng)復(fù)雜，會有振蕩、不穩(wěn)定問題204、反饋控制系統(tǒng)的基本組成21 給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。反饋元件：它測量被調(diào)節(jié)量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號，該信號與輸出量存在固定的函數(shù)關(guān)系。比較元

9、件：用來比較輸入信號與反饋信號之間的偏差。放大元件：對偏差信號進行放大。執(zhí)行元件：直接對控制對象進行操作的元件。如執(zhí)行電機?？刂茖ο螅嚎刂葡到y(tǒng)所要操縱的元件。如機床，工作臺。校正元件：用于穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性能。22開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制 按控制方式分5、自動控制系統(tǒng)的基本類型23按元件類型分機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng)24按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)25線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)26恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按

10、參據(jù)量變化規(guī)律分276、對控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結(jié)為：穩(wěn)定性 （長期穩(wěn)定性）準確性 （精度）快速性 （相對穩(wěn)定性） 穩(wěn) 準快281）穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控制量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法實現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)。只有閉環(huán)系統(tǒng)才有穩(wěn)定性問題。這是基本要求。2）快速性：指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸出量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速程度。一般稱為動態(tài)性能。如穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。3）準確性：調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，稱為穩(wěn)態(tài)偏差。一般用靜態(tài)性能指標來描述。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。297、典型輸入信