【全套课件】控制工程基础课件

课程简介•教材及参考资料–《控制工程基础》第三版孔祥东、王益群主编，机械工业出版社–《自动控制原理》第四版胡寿松主编，科学出版社–《机械控制工程基础》朱骥北主编，机械工业出版社–《现代控制工程》KatsuhikoOgata著，卢伯英于海勋译，电子工业出版社–自动控制原理》周其节主编，华南理工大学出版社–《自动控制原理》李友善主编，国防工业出版社–有关Matlab软件的工具书•前后课程–前续课程《高等数学》、《工程数学》–相关课程《理论力学》、《机械设计》、《液压传动》、《电路理论》、《模拟、数字电子技术》、《电机拖动基础》、《计算机技术》–后续课程《现代控制理论》、《计算机控制系统》•内容与结构•学习方法–复习和综合运用已学知识–注意运用已学知识解决实际问题–课程比较抽象和概括，注意物理概念的理解，既要结合实际又要善于思考–多看参考书–重视习题•作业和考试第一章绪论•§1.概述–自动控制的学科组成和学习自动控制的目的–自动控制理论的发展过程•§2.自动控制系统的基本概念–自动控制系统的工作原理–开环控制和闭环控制–控制系统的基本组成–控制系统的分类–控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析§1.概述•控制工程的学科组成和学习控制工程基础目的•自动控制理论的发展过程控制工程的学科组成和学习控制工程基础目的自动控制理论的发展过程1765年蒸汽机1788年离心式飞球调速器1868年麦克斯威尔“反馈控制”20世纪20年代劳斯线性系统稳定性的判据30年代奈奎斯特稳定性判据伯德负反馈放大器二次世界大仗期间的发展1948年维纳:信息、反馈与控制三要素1954年钱学森发表工程控制论50年代末现代控制理论当前:智能化、自适应、自主控制等向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等）§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析一.自动控制系统的工作原理•控制系统:使受控对象的状态按照预期规律变化•反馈控制的基本原理•测量、反馈•求偏差•纠正偏差实例分析.1•离心式飞球调速器发动机高压供油路喷油泵离心式飞球调速器实例分析•恒温箱温度自动控制系统加热电阻丝温度计调压器～220V恒温箱人工控制系统ufTusT电热偶加热电阻丝给定信号电压放大器功率放大器执行电动机减速器调压器⊿u～220V比较恒温箱自动控制系统T实例分析•恒温箱温度自动控制系统UfTU＝(UsT－UfT)Ua电机正转URT自动补偿，直至T＝给定值，U＝0时止(0)(0)TUsTUUfTT热电偶＋－电压放大功率放大电动机减速器调压器电炉电压电压转角转角电压实例分析•恒温箱温度自动控制系统()T炉温UsTUfT＋－给定电位器Ua电枢电压UR电炉电压电炉电动机、减速器、调压器热电偶(输出量)给定元件输入量()反馈量放大器放大元件执行元件控制对象()扰动量－Q2工件增减散热检测元件U反馈回路§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析•开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制没有影响。–特点：系统简单，容易建造、一般不存在稳定性问题，精度低、抗干扰能力差。•闭环控制系统：又称反馈控制系统，系统的输出端和输入端存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。–特点：精度高、抗干扰能力强、系统复杂，容易引起振荡。二.开环控制和闭环控制§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析三.控制系统的基本组成+-给定元件典型的反馈控制系统框图串联校正元件执行元件控制对象反馈元件放大变换元件并联校正元件输入信号xi主反馈信号xb偏差信号e局部反馈主反馈输出信号扰动比较元件+-x0§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析•给定量的运动规律分（输入）：恒值系统、程序控制系统、随动系统•系统线性特性分（模型）：线性、非线性•参数是否变化分（结构）：时变、定常•系统信号类型分（信号形式）：连续、离散、混合•输入输出数量（信号数量）：单变量、多变量四.控制系统的分类txbdttxdbdttxdbdttxdbtyadttydadttydadttydammmmmmmmmnnnnnnnnn02221110222111§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析•稳、准、快–稳定性：由于系统存在惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性是系统工作的首要条件。–准确性：输出量与给定量之间的偏差，随时间变化的程度，称动态精度偏差；调整过程结束后的偏差，称静态精度偏差。–快速性：在系统稳定的前提下，消除偏差过程的快速程度。•性能指标形式：–时域性能指标–频域性能指标–综合性能指标（最优性能指标）五.控制系统的基本要求：§2.自动控制系统的基本概念•自动控制系统的工作原理•开环控制和闭环控制•控制系统的基本组成•控制系统的分类•控制系统的基本要求–自动控制系统实例分析六．自动控制系统实例分析•要分析一个实际的自动控制系统，首先要了解它的工作原理，再画出组成系统的方框图。在画方框图之前，必须明确以下问题：(1)哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？(2)哪个是执行元件？(3)测量被控量的元件有哪些？有哪些反馈环节？(4)输入量由哪个元件给定？反馈量与给定量如何进行比较？(5)此外还有哪些元件（环节）?它们在系统中处于什么地位？起什么作用？例：液位控制系统液位控制系统的工作原理如图所示。•被控对象：液体储罐。•被控量：液体储罐的输出量——液位xo。•扰动量：主要是Q2的变化。•给定量：液体储罐中液位的希望高度xi。•测量元件：液位变送器。•控制装置：调节器。•执行元件：调节阀。Q1调节阀液体储罐调节器变送器阀门HQ2液位控制系统的原理图图1-13液位控制系统的原理方框图xixo干扰量调节器调节阀液体储罐变送器＋－课程结构.2•重点和难点：自动控制系统的组成及工作原理；自动控制系统中的有关概念名词及术语。系统的基本要求；控制系统的分析和设计（综合）过程；系统原理框图。控制系统（线性）机械电气液压气压……数学建模微分方程传递函数实验数据状态方程……控制系统分析控制系统设计空间状态、鲁棒、最优控制、模糊、智能……现代设计分析方法综合校正经典设计分析方法时域分析频域分析时间响应对数分析奈氏分析根轨迹分析第二章控制系统的数学模型§1.拉氏变换和反变换§2.控制系统的微分方程及线性化方程§3.传递函数及基本环节的传递函数§4.系统框图及其简化概述•数学模型：描述系统的数学表达式。•控制工程的基本方法：就是建立控制系统的数学模型，在此基础上对控制系统进行分析、综合。•工程上常用的数学模型形式：微分方程、传递函数和状态方程等。•建立数学模型就是应用不同学科中的一些定律及基本原理。在建立数学模型的过程中须解决模型的简化和模型的精度之间的矛盾。•非线性系统线性化：对于某些非本质的非线性系统，在一定条件下可进行线性化处理，以简化分析。第二章内容•重点：数学模型的概念及其作用；系统数学模型的建立方法；拉普拉斯变换和反变换；传递函数、函数结构图及其等效变换；同一系统数学模型的多样性及相互变换。•难点：控制系统微分方程的建立；传递函数的概念；结构图等效变换的正确运用原理分析系统组成参数变化规律微分方程组传递函数微分方程消元法代数方程组框图变换拉氏变换函数框图元件结构图拉氏变换代数消元法物理系统系统原理框图•恒温箱温度自动控制系统UsTUUfTT热电偶＋－电压放大功率放大电动机减速器调压器电炉电压电压转角转角电压§1.拉氏变换和反变换•复变函数概念•拉氏变换概念•拉氏变换性质•拉氏反变换•用拉氏变换解常系数线性微分方程一.复变函数概念•复常数、复变量和复变函数–c=a+jb–,共轭复数–•复数表示法–点表示–向量表示:模：,辐角：θ（逆时针）–三角表示–指数表示jsyxjFFsFjs0σωs0σωsPθ22rssincossincosjrjrrjsjrejrssincos一.复变函数概念•复数运算法则–复数的加减–复数的乘除–复数的乘方111js222js111jers212121jsss222jers212121jerrsss0σωss1s20σωsPθs1s2212121jerrsssjnnners一.复变函数概念•欧拉定理–可由马克劳林级数(x0=0时的泰勒级数)分别将ejθ、cosθ和sinθ展开即可得到。•其它还有极点、零点、留数、保角映射等概念在自动控制原理中应用sincosjejsincosjejjjee21cosjjeej21sin§1.拉氏变换和反变换•复变函数概念•拉氏变换概念•拉氏变换性质•拉氏反变换•用拉氏变换解常系数线性微分方程二.拉氏变换概念•拉氏变换定义：•拉氏变换存在的条件–当时，f(t)=0。并在的任意有限区间上连续或分段连续；–当时，不等式成立，式中M、a为确定的正实数。则在半平面内f(t)的拉氏变换一定存在，且复变函数F(s)为解析函数。dtetfsFtfLst00t0ttatMetfasRe•几个常用函数的拉氏变换–单位阶跃函数：–单位脉冲函数：–单位斜坡函数：–指数函数：二．拉氏变换概念01001tttssedtettLtsst10110000ttt100tststedtettL000ttttf22001010ssedtesstedtettLtssttsst000tettfatasasedtedteeeLtastasstatat1000•几个常用函数的拉氏变换–正弦函数：–幂函数：二．拉氏变换概念0sin00ttttfjeettjtj2sin220011212sinsinsjsjstdtejeetdttetLsttjtjst,2,1,0000nttttfn11002221010!0!!100nntsstnstntsnstntsnstnnsnsendtesndtetsnnsentdtetsnsetdtettL22scosstL§1.拉氏变换和反变换•复变函数概念•拉氏变换概念•拉氏变换性质•拉氏反变换•用拉氏变换解常系数线性微分方程•线性定理：•延迟定理：•位移定理：•微分定理：三．拉氏变换性质sFkskFtfLktfLktfktfkL22122112211sFeTtfLTsasFtfeLat