《控制工程基础》全套教学课件（共5章完整版）.pptx

控制工程基础;对象：单变量时不变连续系统 目标：稳、准、快 任务：分析、设计;1.1 控制系统的工作原理和组成 1.2 控制系统的基本类型 1.3 对控制系统的基本要求 1.4 控制工程发展概况;控制本意:为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 ;1) 恒温箱温度控制;观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较,得到温度偏差大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。;温度偏差信号经电压和功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差?u=0,电机停止转动。;系统原理方块图;给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为参考输入量。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。 无法预计扰动的情况下，系统能自动地减少输出量与参考输入量之间的偏差，称之为反馈控制。反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。;控制系统的工作原理： 检测被控制量（输出量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。;根据实际控制系统有无反馈作用,可分为三类：;控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。; 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。;特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。;3. 闭环控制系统组成;给定元件:产生给定信号或输入信号。;校正元件:以改善系统控制质量装置。校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。;原 型 ： 古 代 水 钟 “ 铜 壶 滴 漏 ”;[实质] 检测偏差 纠正偏差。;恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。; 按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各个阶段进行控制。;1.2 控制系统的基本类型;连续控制系统：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。;方程系数与时间的关系-定常、时变*;１. 稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。 ;2. 精确性 控制精度，以稳态误差来衡量。;1.2 控制系统的基本要求;综合：在已知被控对象和预定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。;正弦信号 ;A=1时称为单位阶跃信号;单位脉冲信号;干扰、 电压不稳、 风载荷;前期控制 　(1400BC-1900) 经典控制 　(1900-1950) 现代控制 　(1950-Now) 智能控制　 (1960-Now);中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。;中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年);英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年);美国 N. Minorsky迈纳司基 研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。;美国MIT N. Wiener 研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener 滤波理论(1942)，发表控制论一书(1948)，标志着经典控制论学科的诞生。;2.1 控制系统的运动微分方程;2.0 引言;控制系统模型的种类; 精确性 反映事物的本质现象 简洁性 简化分析计算工作;分析系统的工作原理和信号传递变换的过程，确定系统和各元件的输入、输出量。;2.1 引言控制系统的运动微分方程; ;根据牛顿第二定律，有：;;2.1 引言控制系统的运动微分方程;扭转弹簧扭矩;根据基尔霍夫定律，有 ; 上式为二阶常系数线性微分方程。如果 L=0, 系统也可简化为一阶常系数微分方程。;2.1 引言控制系统的运动微分方程;;拉氏变换的重要性;把微分方程转化为系统的传递函数; L ;单位阶跃函数 ;指数函数 ;2.1 拉氏变换和反变换;单位脉冲函数 ;;定义：;叠加定理 ;微分定理 ;同理可得：;复微分定理