控制工程基礎(chǔ)

2024/3/12控制工程基礎(chǔ)教材與主要參考書1、胡壽松.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程(第一版），北京：科學(xué)出版社，20052、劉豹.現(xiàn)代控制理論（第三版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20063、吳麒.自動(dòng)控制原理-上、下冊(cè)（第二版），北京：清華大學(xué)出版社，20064、董景新.控制工程基礎(chǔ)，北京：清華大學(xué)出版社，20063/12/20242北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1、緒論1.1課程介紹1.2自動(dòng)控制理論與技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1.3控制系統(tǒng)的基本概念和原理1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求3/12/20243北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解自動(dòng)控制的起源和發(fā)展；了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；了解反饋控制的工作原理；掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求；掌握相應(yīng)的概念及技術(shù)術(shù)語；3/12/20244北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.1課程介紹自動(dòng)控制技術(shù)是人類在認(rèn)識(shí)世界和發(fā)明創(chuàng)新的過程中發(fā)展起來的一門重要的科學(xué)技術(shù)。依靠它，可以完成許多人類自身無法完成的工作，對(duì)于提高精度、質(zhì)量、性能及效率起到關(guān)鍵性的作用。同時(shí)還可以使人類從笨重、重復(fù)性的勞動(dòng)中解放出來，從事更富創(chuàng)造性的工作自動(dòng)控制技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高新技術(shù)之一，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)控制理論則是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)?？刂乒こ袒A(chǔ)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要介紹系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)等基本理論及方法的課程；是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。3/12/20245北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.1課程介紹線性代數(shù)微積分自動(dòng)控制理論古典控制理論現(xiàn)代控制理論積分變換復(fù)變函數(shù)過程控制電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)自動(dòng)控制原理3/12/20246北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.2自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展自動(dòng)控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：3/12/20247北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.3

自動(dòng)控制的基本概念和原理什么是自動(dòng)控制？自動(dòng)控制是指：不需要人的直接參與，而控制某些物理量按照指定的規(guī)律變化。~220V12uc手動(dòng)控制1（眼）觀測(cè)溫度2（與要求）比較3（作出）決定4（手）調(diào)節(jié)3/12/20248北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系自動(dòng)控制1通過熱電耦測(cè)量溫度——代替眼觀測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Uf。2Uf與給定電壓Ug比較，得到偏差電壓。代替人腦1.3

自動(dòng)控制的基本概念和原理3偏差電壓通過放大器進(jìn)行電壓及能量的放大，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。代替人手來調(diào)節(jié)電位器滑桿，從而達(dá)到控制爐溫的作用。3/12/20249北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系12擾動(dòng)量給定量輸出量

1-控制器(自耦變壓器)2-被控對(duì)象(電阻爐)圖中：工作原理分析1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理1、開環(huán)系統(tǒng)信號(hào)流程圖該圖也稱為系統(tǒng)方框圖3/12/202410北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動(dòng)作用不大。

工作原理與特點(diǎn)（1）開環(huán)控制：只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制。（2）開環(huán)控制特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理3/12/202411北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系2閉環(huán)控制：該系統(tǒng)中，給定爐溫通過一個(gè)電位器的電壓值Ug反映。實(shí)際爐溫通過熱電耦測(cè)量，并將溫度值轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓值Uf。通過Ug與Uf的反向串接，實(shí)現(xiàn)與給定電壓Ug的比較：Ug－Uf＝△U?！?/p>

U的大小反映了實(shí)測(cè)爐溫與給定爐溫的差別，它的正負(fù)決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)—電機(jī)的轉(zhuǎn)向。進(jìn)而改變電位器滑桿的位置，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理3/12/202412北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理信號(hào)流程圖（系統(tǒng)方框圖）放大器執(zhí)行電機(jī)被控對(duì)象檢測(cè)元件信號(hào)流向前向通道：從給定輸入到系統(tǒng)輸出的信號(hào)通路。給定量—比較環(huán)節(jié)—放大器—執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行電機(jī)）—被控對(duì)象（加熱爐）—輸出量反饋通道：從輸出到輸入的信號(hào)通路：輸出量—檢測(cè)元件—比較環(huán)節(jié)給定量比較環(huán)節(jié)輸出量3/12/202413北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理工作原理與特點(diǎn)①反饋控制：輸出量通過反饋通道反饋到輸入端,經(jīng)比較環(huán)節(jié)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào),此偏差信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的環(huán)節(jié)（控制器或稱效正環(huán)節(jié)）產(chǎn)生控制作用,控制輸出量按照要求的規(guī)律變化；這種控制方式稱為反饋控制方式！反饋控制是通過偏差信號(hào)產(chǎn)生控制作用，并試圖去消除偏差來達(dá)到控制目的。反饋信號(hào)與給定信號(hào)極性相反為負(fù)反饋,反之為正反饋。信號(hào)從前向通道傳遞到輸出再經(jīng)過反饋通道到比較環(huán)節(jié)形成了一個(gè)閉合路經(jīng)，故也稱為閉環(huán)控制。3/12/202414北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系②反饋控制特點(diǎn)輸入控制輸出，輸出參與控制檢測(cè)偏差、糾正偏差具有抗干擾能力結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)際生產(chǎn)過程中的反饋控制均為負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制或者自動(dòng)調(diào)節(jié)作用是基于輸出信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔枚a(chǎn)生的，所以經(jīng)典控制理論的主要研究對(duì)象是負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究的目的是得到它的一般規(guī)律，從而可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的，滿足實(shí)際需要的，性能指標(biāo)優(yōu)良的控制系統(tǒng)。1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理3/12/202415北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.3自動(dòng)控制的基本概念和原理自動(dòng)控制—不需要人的直接參與，而控制某些物理量按照指定的規(guī)律變化。。系統(tǒng)—由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成一定功能的有機(jī)整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)—在沒有人的直接干預(yù)下，為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)，由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成自動(dòng)控制功能的有機(jī)整體。一般由控制器，控制對(duì)象，測(cè)量元件，比較環(huán)節(jié)等組成。3/12/202416北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1—控制器2—執(zhí)行裝置3—控制對(duì)象4—檢測(cè)裝置

5—比較環(huán)節(jié)

反饋工作原理：發(fā)現(xiàn)偏差→消除偏差。思考題：如果反饋是正反饋的話，試分析該系統(tǒng)的控制過程。閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成、結(jié)構(gòu)和環(huán)節(jié)1.閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

3/12/202417北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)與參量（1）被控對(duì)象或調(diào)節(jié)對(duì)象：要控制的設(shè)備或過程。（2）系統(tǒng)輸出量或被控量：

系統(tǒng)所控制的物理量（3）效正環(huán)節(jié)（控制器）：根據(jù)偏差信號(hào)形成適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫ㄒ?guī)律）。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：接受控制器（放大元件）的指令，并直接作用于控制對(duì)象，使被控制量發(fā)生變化：。（5）檢測(cè)裝置（或傳感器）：檢測(cè)被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量：（6）給定環(huán)節(jié)：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的輸入量。⑦比較環(huán)節(jié)：將所檢測(cè)的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差量。1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)3/12/202418北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系(1)被控對(duì)象(2)被控量或輸出量(3)控制量(4)設(shè)定量或輸入量(5)擾動(dòng)量(6)反饋量3.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語(7)偏差量(8)前向通道或正向通道(9)反饋通道或反向通道(10)期望輸出(11)實(shí)際輸出(12)檢測(cè)量1.4控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)3/12/202419北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按照信號(hào)傳輸特性劃分線性系統(tǒng)：由線性元件組成的系統(tǒng)，主要特征是滿足疊加原理和齊次定理，即當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號(hào)u1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y1(t)，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號(hào)u2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y2(t)。如果系統(tǒng)的輸入信號(hào)為au1(t)+bu2(t)時(shí)，系統(tǒng)的輸出滿足ay1(t)+by2(t)，系數(shù)a,b可以是常數(shù)，也可以是時(shí)變參數(shù)。非線性系統(tǒng)：由非線性元件組成的系統(tǒng)，不滿足疊加原理和齊次定理。3/12/202420北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系2.按照信號(hào)傳遞方式劃分連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的一處或幾處信號(hào)是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分恒值系統(tǒng)：要求被控量保持恒定。故給定量是恒定不變的。隨動(dòng)系統(tǒng)：給定量按照事先未知的時(shí)間函數(shù)變化，要求被控量以誤差盡可能小的跟隨給定變化。程序控制系統(tǒng)：給定量是按照一定的時(shí)間函數(shù)變化的，要求被控量準(zhǔn)確地重現(xiàn)給定量的變化。1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3/12/202421北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系4.按端口關(guān)系劃分SISO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3/12/202422北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）“穩(wěn)”是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)?！翱臁笔钦f明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因：系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說明系統(tǒng)的靜態(tài)品質(zhì)。表明了系統(tǒng)的精確性和準(zhǔn)確性。1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求3/12/202423北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系有差系統(tǒng)（圖b）：若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。無差系統(tǒng)（圖a）：若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求3/12/202424北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系自動(dòng)控制的基本概念開環(huán)控制與閉環(huán)控制負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理專用術(shù)語及控制系統(tǒng)的組成小結(jié)3/12/202425北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1.開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高