控制工程第一章 控制系统的基本概念

第一章控制系统的基本概念一、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的基本类型三、对控制系统的基本要求四、控制工程发展概况五、本课程的任务及主要内容六、小结第一章控制系统的基本概念一、控制系统的工作原理及其组成自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章控制系统的基本概念工作原理加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计第一章控制系统的基本概念人工控制恒温箱调节过程：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，得到温度偏差的大小和方向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。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。第一章控制系统的基本概念大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计第一章控制系统的基本概念加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统第一章控制系统的基本概念恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u＝u1u2温度偏差信号经电压、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。第一章控制系统的基本概念给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图第一章控制系统的基本概念从恒温箱控制系统功能框图可见：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（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）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（给定信号与返回的输出信号之差）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。第一章控制系统的基本概念综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）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。第一章控制系统的基本概念由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：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”。第一章控制系统的基本概念这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章控制系统的基本概念开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统第一章控制系统的基本概念开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台位置系统输出数控机床的开环控制系统框图第一章控制系统的基本概念优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图第一章控制系统的基本概念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。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。第一章控制系统的基本概念控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。第一章控制系统的基本概念闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号xi偏差信号e主反馈信号xb扰动信号输出xo闭环控制系统的组成第一章控制系统的基本概念给定元件产生给定信号或输入信号。反馈元件测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。第一章控制系统的基本概念比较元件对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；放大元件对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。执行元件直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；第一章控制系统的基本概念校正元件用以改善系统控制质量的装置。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。校正元件分为串联和并联两种。第一章控制系统的基本概念二、控制系统的基本类型按输入量的特征分类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。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。第一章控制系统的基本概念随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。第一章控制系统的基本概念按系统中传递信号的性质分类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。离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。第一章控制系统的基本概念其它分类方法线性系统和非线性系统定常系统和时变系统机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统温度、压力、位置等控制系统第一章控制系统的基本概念三、对控制系统的基本要求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。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第一章控制系统的基本概念精确性控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。第一章控制系统的基本概念快速性输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。第一章控制系统的基本概念四、控制工程发展概况1788年：J.Watt发明蒸汽机调速器一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器时间刻度浮子铜壶滴漏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。第一章控制系统的基本概念1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法第一章控制系统的基本概念1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制问题；1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1954年：钱学森发表《工程控制论》；第一章控制系统的基本概念50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。第一章控制系统的基本概念1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等第一章控制系统的基本概念五、本课程的任务及主要内容本课程的任务控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差）控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。第一章控制系统的基本概念控制系统分析和设计一般包括：建立控制对象的数学模型（线性化模型）对象的性能分析、仿真选择控制方案（开环/闭环；线性/非线性等）选择性能指标，设计控制器全系统性能分析、仿真研制控制器，构建控制系统试验验证第一章控制系统的基本概念本课程主要内容控制系统数学模型的建立控制系统的时域分析控制系统的频域分析控制系统的设计和校正线性离散控制系统的分析及设计介绍经典控制理论的基础知识，包括：第一章控制系统的基本概念本章作业：1－21－31－4六、小结本章主要内容：反馈控制工作原理及相关概念控制系统的类型对控制系统的基本要求第一章控制系统的基本概念