控制工程第一章讲解.ppt

控制工程基础第一章 概述 §1.1 控制系统的基本工作原理 概念：控制是指为达到某种目的而对某一对象施加所需的操作。 分类： 人工控制 自动控制 1、人工控制 概念：由人本身通过判断和操作进行的控制。 例1：骑自行车 2、自动控制 概念：在没有人参与的情况下，使被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。即，使一个或多个被控制的物理量按照给定物理量（即控制量）的变化而变化（或保持恒定）。 自动控制方块图 例2：电热水器 热水器控制系统职能方块图 例3 调速系统 调速系统职能方块图 例4 离心调速器 3 控制系统组成 开环控制 闭环控制 系统组成示意图 闭环系统组成之一：元件 控制元件（给定元件）：用于产生输入信号(或称控制信号)。 反馈元件：主要指置于主反馈通道中的元件。反馈元件一般用检测元件。若在主反馈通道中不设反馈元件，即输出为主反馈信号时，称为单位反馈。 比较元件：用来比较输入及反馈信号，并得出二者差值的偏差信号。 闭环系统组成之一：元件 放大元件：将弱的信号放大以推动执行元件动作。放大元件有电气的、机械的、液压的、以及气动的。 执行元件：根据输入信号的要求直接对控制对象进行操作。例如液压缸、液压马达及电机等。 校正元件：它不是反馈控制系统所必须具有的。它的作用是改善系统的控制性能。 系统组成示意图 闭环系统组成之二：信号 输入信号(输入量、控制量、给定量)：指用于控制输出量变化规律的信号，是人为的激励信号， 广义上指输入到系统中的各种信号，包括扰动信号—这种对输出控制有害的信号在内。 扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号，称为扰动信号或干扰信号。也是一种输入量，一般对系统的输出量将产生不利的影响。 输出信号(输出量、被控制量、调节量)：输出是输入的结果。它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持有确定的关系。 闭环系统组成之二：信号 反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号。 若它的符号与输入信号相同，叫正反馈，反之，叫负反馈。 主反馈一般是负反馈，否则偏差越来越大，系统将局部失控。 系统中的局部反馈，主要用来对系统进行校正等，以满足某些控制性能要求。 系统组成示意图 闭环系统组成之二：信号 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。 误差信号：输出量实际值与希望值之差。常常希望值是系统的输入量 须注意，误差和偏差不是相同的概念。只有当系统的输出量不是部分的而是全部的反馈时，误差才等于偏差。 闭环系统组成之三：控制对象 控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量为系统的被控制量。 4 反馈控制原理: 测偏与纠偏 反馈控制（闭环控制）：在输出与输入端之间设置反馈回路，测得其偏差信号（测偏）并加到控制器上，使系统的输出量趋向给定的值（纠偏）。 说明 反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数。 反馈控制有减小扰动引起的偏差的作用。 §1.2 自动控制系统的基本类型 1、按发展历程分 古典控制理论 现代控制理论 智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统、学习控制） 新型控制（变结构控制、鲁棒控制、自适应控制） 2、按控制系统有无反馈来分 开环系统 闭环系统 （1） 开环系统(Open-loop System) 概念：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫开环控制系统。 特点： 不是反馈控制系统。既不需要对输出量进行测量，也不需要将它反馈到系统的输入端与输入量进行比较。 不对扰动发生反应。对应于每一个给定的输入量，便有一个固定的输出量与之对应，系统的精度只取决于系统校准的精度。 应用： 如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰和外扰，则可采用开环控制系统。 （2） 闭环系统(Closed-loop System) 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。 闭环控制系统也就是反馈控制系统。 闭环系统的工作过程 测量被控制量的实际值；（测） 将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；（比） 根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。（纠） 3、按控制作用的特点来分 恒值控制系统 程序控制系统 随动控制系统(伺服控制系统) 4、按信号处理技术来分 连续控制系统（模拟控制系统）：采用模拟信号处理的系统 离散控制系统（数字控制系统）：采用数字信号处理的系统－计算机控制 5、按控制对象来分 其它控制系统的类型 §1.3 机械控制工程研究的对象与任务 2 机械工程控制论的研究任务 §1.4 控制理论发展简史 1.控制论的萌芽 1784年瓦特发明了蒸汽机离心式调速器(振荡)，提出了调速稳定等问题 1868年：J. C. Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据 1895年：A. Hurwifz提