控制工程基础-第一章讲述.ppt

控制工程基础 中国石油大学机电系 赵弘 1 绪论 一. 自动控制理论的发展 历史发展 300B.C，李冰父子设计的都江堰工程 1788年英国Watt利用反馈控制原理发明了蒸汽调速器，蒸气机的飞轮调节器；极大的提高了蒸汽机的效率和性能，成为第一次工业革命的标志 剑桥大学G.B.Airy（1801～1892）发现系统不稳定性，首次提出反馈系统的稳定性问题的研究。 1868法国J.C.Maxwell ‘论调速器’反馈概念，首次全面论述了反馈系统的稳定性问题，建立系统的稳分方程，在平衡点线性化后，获得代数特征方程，并以方程根作为判断稳定性的判据。他成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。 历史发展 俄国数学家A.Lyapunov（1857～1918）（博士论文）系统描述了稳分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了著名的Lyapunov方法，为现代控制和非线性控制奠定了基础。 俄裔美国工程师N.Minorsky1922首先提出PID控制方法，并成功应用于美国的海军军舰控制上。 N H.S.Black美国ATT贝尔实验室研究员，1927发明负反馈方法及电子放大器，为现代通讯网络技术奠定了基础。 H.Nyquist(1889-1976), H.W.Bode(1905-1982)美国Bell实验室著名科学家。1940提出频率响应法。他们的工作为数据传输、通讯工程及经典控制中的反馈系统稳定性分析奠定了基础。 N．B.Nichols 工程师与同事1942年提出了PID参数的最佳调节方法。发明Nichols Chart，为二战雷达技术做出积极贡献。 2自动控制的几个定义 1.对象 它可能是一个设备，多数由一些机械零件有机组合在一起，完成特定的操作，如一个加热炉、化学反应器、飞机等。 2.系统 是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务。 2自动控制的几个定义 3.扰动 对系统的输出量产生不利影响的信号，分为内部扰动，外部扰动。 4.反馈控制 能够在存在扰动的情况下，力图减少系统的输出量与某种参考输入量之间的偏差，并且其工作原理正基于这种偏差。 3 控制系统的分类 1、按物理属性分：工程系统、非工程系统 工程系统：工业上应用包括的各种系统；如化工系统、制造系统、航天航空系统等。 非工程系统：包括除了工程系统以外的各种系统，如经济系统、社会系统、生态系统等。 2、按方程类型分：线性系统和非线性系统。线性系统满足叠加原理 如 3、按参数类型分：定常系统和时变系统 4、按信号类型分：连续系统和离散系统 5、按变量个数分：单输入单输出，多输入多输出 4 控制系统的组成 由控制器和控制对象组成 5 控制系统要求的性能 1、跟随输入性能：通常要求其输出量随输入量的变化而变化，输入量可能是常数或随时间变化的轨迹。如温度控制系统 2 抗干扰性能：系统输出尽量不受干扰的影响。 6 控制方法 1、开环控制：系统的输出量对控制作用没有影响。如洗衣机就是开环控制，洗衣机中，浸泡、洗涤、漂洗、脱水过程是按照一种时基顺序进行，不必对输出信号（衣服的清洁度）进行测量。如按照时基信号进行的交通管制。 2、闭环控制：反馈控制。 3、复合控制：既包括开环又有闭环控制。 控制系统组成 控制器（控制装置），控制对象；I/O：参考输入，干扰，输出 开环控制系统结构 闭环与开环控制系统比较 闭环控制系统优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。在开环系统不可能做到这一点。 稳定性角度，开环控制系统比较容易建造，稳定性不是主要问题。闭环系统中稳定性是一个重要的问题，因为闭环系统可能引起过调误差，导致系统等幅振荡或发散。 将开环与闭环控制适当的结合在一起（复合控制），通常比较经济，并获得满意性能。 ??开环： 简单 不准确（希望1000r/min，实际 950r/min） 闭环： 准确 复杂、设备多 静差问题 无静差系统的调节作用历史影响，钟表调节 有静差系统的调节误差维持 系统原理结构的理解。对干扰来说和对输入来说的静差问题。静差（输入和输出）。 反馈控制原理：利用误差来产生调节作用并进而消除或减小误差。 反馈极性问题及解决 正反馈：误差的调节作用是使误差进一步增加； 负反馈：误差的调节作用使得误差减小或消除。 复合控制 系统分析与控制：不同方法原理，不同工具，不同概念的综合 结构：系统建模及转换，系统分析，系统设计方法。 思想:闭环是未知待求的，开环是已知，简单的；容易分析。