控制工程基础-绪论

2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论1控制工程基础第一讲绪论清华大学机械工程系朱志明教授2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论2主要内容引言控制系统的工作原理和组成自动控制系统的基本类型对自动控制系统的基本要求自动控制理论的发展简史小结教学大纲2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论3引言-日常生活中的自动控制问题电冰箱恒温控制：冰箱内储物量的增加和减少、冰箱门开启和关闭的次数不同、外界环境温度的变化等，都会影响冰箱内的温度，若希望维持冰箱内温度恒定不变，则需要有某种控制装置（系统）对冰箱内的温度进行检测和控制。温度检测→功率控制－恒值控制。空调的温度控制：温度检测→功率控制－恒值控制。温度控制的两种基本方法：开关控制：恒功率、间歇控制（缺点：噪音、耗能）变频控制：变功率、连续控制（优点：降噪、节能）洗衣机的时间控制：定时控制－程序控制2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论4引言－工业生产中的自动控制问题加热炉的温度自动控制－恒值控制。化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变。程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进行切削，加工出预期的几何形状。在钢铁工业中，初轧机的轧辊来回转动，将钢锭碾轧至规定尺寸。为了保证轧制质量，要求实现低速咬钢、带钢升速、高速轧制等，这就要求拖动轧机的电动机的转速和转向按照一定的规律变化；然而，由于钢锭尺寸的不同，加热温度不同，以及由于钢锭进入轧辊时对轧辊的冲击等，都会导致电机的负荷和转速发生巨大波动，从而需要有控制装置对电机的转速和转向进行控制。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论5引言－国防工业中的自动控制问题火炮自动瞄准系统－跟踪雷达和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标－随动控制。宇宙飞船在茫茫太空中要按预定的轨道飞行，并保持一定的姿态，但太空中有千变万化的因素对它产生影响，需要有高性能的控制装置对它进行控制。人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收。无人驾驶飞机能按预定航行线路自动飞行。导弹的目标寻找和制导。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论6引言－为什么要研究自动控制理论不同的生产机械、生产过程虽然要实现的任务各不相同，但都有一个共同点，即要求其中的某些物理量（如温度、速度、位置等）按照特定的规律变化。（被控制量、输出量）现实世界中存在各种阻碍上述要求实现的因素（扰动）；凡是由外部作用引起的扰动称为外扰（如外界温度、负载波动、风向和风力的变化）；由于内部元器件特性变化引起的扰动称为内扰。为解决上述矛盾，就要采用控制装置，对生产机械或生产过程的这些物理量进行控制。被控制的生产机械或生产过程称为被控对象。研究自动控制系统（装置）的基本理论称为自动控制理论。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论7引言－自动控制技术的应用自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制系统（装置），使生产机械或生产过程（被控制对象）的某些物理量自动地按照预定的（恒定或变动的）规律运行。在人类征服自然、改造自然的过程中，自动控制技术起着极其重要的作用。自动控制技术在工业、农业、国防、交通运输、企业管理、科学研究等各个领域的应用愈来愈广泛。自动控制技术的广泛应用，极大地提高了劳动生产率，提高了产品质量，改善了人们的生活水平和劳动条件。随着生产和科学技术的发展，特别是计算机技术的迅速发展和应用，自动控制技术更显示了越来越重要的作用和广阔的应用前景。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论8主要内容引言控制系统的工作原理和组成自动控制系统的基本类型对自动控制系统的基本要求自动控制理论的发展简史小结教学大纲2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论9控制系统的工作原理和组成人工控制系统和自动控制系统人工控制系统自动控制系统开环控制和闭环控制开环控制系统闭环控制系统反馈控制系统的基本组成基本组成名词术语闭环控制系统与开环控制系统比较2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论10人工控制系统恒温炉炉温人工控制系统－原理图～220V温度计眼手脑加热电阻丝恒温炉调压器2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论11（输入）(输出)期望炉温＋手调压器恒温炉温度计眼－反馈扰动实际炉温偏差脑人工控制系统恒温炉炉温人工控制系统－职能方块图2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论12自动控制系统2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论13控制系统的工作原理和组成人工控制系统和自动控制系统人工控制系统自动控制系统开环控制和闭环控制开环控制系统闭环控制系统反馈控制系统的基本组成基本组成名词术语闭环控制系统与开环控制系统比较2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论14开环控制系统系统的控制器与被控对象之间只有顺（前）向作用，没有反（逆）向作用，系统的输出量对控制作用没有影响。直流电机速度开环控制系统在开环控制系统中，只有从输入端到输出端的信号作用路径，而没有从输出端到输入端的作用路径。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论15开环控制系统方块图结构比较简单，调整比较方便。当因扰动作用（如电源输入变化、晶闸管整流装置特性的变化或负载转矩变化等）引起电机转速偏离原来校准的数值时，系统没有对偏差修正的能力。开环控制系统的精度取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定程度，从而对其所采用的元器件的精度和稳定性提出了较高的要求。开环控制系统的特点2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论16闭环控制系统举例直流电机速度闭环控制系统导弹发射和制导系统2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论17闭环控制系统方块图在闭环控制系统中，不仅有从输入端到输出端的作用路径（前向通道），还有从输出端到输入端的信号作用路径（反馈通道）。由于引入了反馈，系统的方块图形成了闭环，构成了闭环控制系统。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论18闭环控制系统的特点闭环控制系统的优点：采用反馈控制提高了系统的精度。负反馈：使偏差减小或消除的反馈作用。反馈控制是自动控制的基本原理，负反馈控制系统的原理是根据所检测的偏差进行控制，从而抑制或消除偏差，即检测偏差，抑制或消除偏差。由扰动引起的偏差，只要扰动作用点被反馈路径包围，都能被反馈作用抑制或消除。因此，系统对这部分元器件内部参数的变化不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件组成。对作用点不被反馈路径包围的扰动所引起的偏差，反馈作用无能为力，如给定元件、反馈元件的精度。当闭环控制系统结构或参数配合不当时，可能引起过调，造成系统振荡，甚至不能正常工作。对闭环系统来说，稳定性是一个重要问题。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论19控制系统的工作原理和组成人工控制系统和自动控制系统人工控制系统自动控制系统开环控制和闭环控制开环控制系统闭环控制系统反馈控制系统的基本组成基本组成名词术语闭环控制系统与开环控制系统比较2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论20反馈控制系统的基本组成给定环节：根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节。反馈环节：对系统输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。比较器：将给定信号与反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。控制器：根据偏差信号，按一定的控制规律，产生相应的控制信号的环节。执行环节：将控制信号进行功率放大，直接推动被控对象，使被控制量发生变化的环节。被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量为被控制量。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论21名词术语（1）输入信号r(t)：又称输入量、控制量、给定量。它是控制输出量变化规律的信号。往往把输入到控制系统中的信号（包括扰动信号）广义地叫做输入量。输出信号c(t)：又称输出量、被控制量、被调整量。它的变化规律是要加以控制的，应保持与输入信号之间有一定的函数关系。反馈信号b(t)：或称反馈量。从系统（或元件）输出端取出信号，经过变换后加到系统（或元件）输入端。扰动信号f(t)：又称扰动和干扰。除控制信号以外，对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。如果扰动产生在系统内部，则称为内扰；产生在系统外部，则称为外扰，外扰动也是系统的一种输入量。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论22名词术语（2）正反馈：反馈信号与输入信号符号相同，能加强输入信号的作用。负反馈：反馈信号与输入信号符号相反，抵消输入信号作用。主反馈：直接取自系统最终输出端的反馈。主反馈一定是负反馈，否则偏差越来越大，直至系统失去控制。局部反馈：除主反馈外，有的系统还有局部反馈，主要是为系统进行校正、补偿或线性化而加入的。偏差信号ε(t)：或称偏差。控制信号与主反馈信号之差。误差信号e(t)：或称误差。系统输出量的实际值与希望值之差。注意误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差才等于偏差。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论23控制系统的工作原理和组成人工控制系统和自动控制系统人工控制系统自动控制系统开环控制和闭环控制开环控制系统闭环控制系统反馈控制系统的基本组成基本组成名词术语闭环控制系统与开环控制系统比较2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论24开环和闭环控制系统比较闭环控制系统的优点是采用了反馈，因此对外扰动和系统内部参数的变化引起的偏差能够自动地纠正。这样就可以采用精度不太高而成本比较低的元件组成一个精确的控制系统。开环控制系统则相反，因为没有反馈，故没有纠正偏差的能力，外扰动和系统内部参数的变化将引起系统的精度降低。从稳定性的角度看，开环系统容易解决。而闭环系统的稳定性始终是一个关键问题。如果参数选择不当，就会造成系统振荡，甚至使得系统不稳定，完全失去控制。开环系统容易建造，结构简单，成本低，工作稳定。一般来说，当系统控制量的变化规律能预先知道，并且不存在外部扰动（或有办法抑制）时，采用开环控制较好。特别是被控制量很难进行测量时更是如此。如果系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，采用闭环控制的优点就显得特别突出。若要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开环控制与闭环控制结合起来一起作用，组成一个比较经济而又性能较好的复合控制系统。2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论25主要内容引言控制系统的工作原理和组成自动控制系统的基本类型对自动控制系统的基本要求自动控制理论的发展简史小结教学大纲2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论26自动控制系统的基本类型按给定变化规律分类恒值控制系统（恒值调节系统）随动系统程序控制系统线性系统和非线性系统连续系统和离散系统2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论27恒值控制系统（恒值调节系统）在这种系统中，系统的给定输入量是恒值，在扰动存在的情况下，要求输出量保持恒定。其分析设计的重点是要求系统具有良好的抗干扰性能。直流电动机速度闭环控制系统电炉温度控制系统2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论28随动系统在反馈控制系统中，若给定输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种系统称为随动系统。实例：国防工业的火炮跟踪系统、雷达导引系统、机械加工设备的伺服机构、天文望远镜的跟踪系统。在导弹发射和制导系统中，给定信号是目标机的方位和速度，这些信号是随时间变化的未知函数。位置控制系统：控制目的是使输出轴的转角迅速准确地跟随输入轴的转角变化。对随动系统来说，输入信号是随机的，要求输出能迅速而准确地复现输入信号的变化，其分析和设计的重点是研究系统的跟随性能。位置控制系统2019/8/10控制工程基础：第一讲绪论29程序控制系统程序控制系统：控制系统的输入信号是已知的时间函数。程序控制系统和随动系统相似，只是输入信号的变化规律是预先确定的。程序控制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。应用实例：仿形铣床、数控机床、机械手控制系统。数控机床控