第1章 控制工程的基本概念

武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念【课程名称】控制工程基础/FoundationofControlEngineering。【学时】40学时，36理论学时，4实验学时。【课程类别】必修、专业基础课——工程中的数学。【先修课程】《理论力学》、《机械原理》、《液压传动》、《模拟电子技术》、《高等数学》等。【服务对象】机自专业。【课程特点】理论性较强，概念术语多，需要用到微分方程、复变函数、拉氏变换等数学工具，所以本课程主要强调理论联系实际，应从物理本质、数学描述等多方面阐明物理概念，以基本概念为核心、基本原理、基本方法为主线进行教学。在教学体系上以系统分析为重点，按分析方法展开，从时域分析方法转入频域分析；从连续系统再到离散系统。讲授本课程时，要求学生自学MATLAB语言，并能用该语言解答习题。一、课程基本内容武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念二、教材及参考书王积伟容一鸣武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念二、教材及参考书胡寿松理查德1、考核采用闭卷考试形式；2、平时成绩占最终成绩的20～30%。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念第一章控制工程的基本概念I.0I.1I.2I.3I.4I.5绪论控制系统的工作原理及其组成控制系统的分类控制系统的性能要求控制系统发展历史本章小结武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念1、了解控制系统的基本概念、工作原理、分类及特点。2、掌握反馈及反馈控制的基本概念，以及在控制系统中的作用。3、掌握控制系统的组成和各部分的作用。4、根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量，正确画出系统的方框图。5、了解控制系统的性能指标。教学重点：反馈的概念，开环系统、闭环系统的概念，控制系统的基本组成及工作原理。教学难点：根据系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。教学目的：第一章控制工程的基本概念武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念瓦特离心调速器控制工程问题的提出？武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念控制工程问题的提出？电热毯电饭煲武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念机器人踢足球比赛武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念军事和航天导弹打卫星武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念–机械转速、位置的控制–工业过程中温度、压力、流量的控制–远洋巨轮航行控制–深水潜艇的控制–飞机自动驾驶–神舟飞船的返回控制–“勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制–等等总之，自动控制技术的应用几乎无所不在。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念§1.0绪论（Introduction）系统的定义:是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。机床用振动料斗太阳能自行车武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念系统模型x1x2…x3y1y2…y3通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统。对于实际应用来说，系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念物质构成系统的形体系统的运动离不开能量信息则是系统的灵魂能量信息系统构成三要素武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念控制:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。控制、自动控制的定义例[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板中温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。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（称控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（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。例[数控机床]:自动切削工件，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念§1.1控制系统的工作原理及其组成[必须解决以下四个问题]控制目的是什么?受控对象是什么?输出信号(受控量)是什么?输出信号如何检测?[实质]检测偏差,纠正偏差。1、恒温箱的人工控制123武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念人工控制恒温箱职能方框图长时间工作怎么办？？？武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念2、恒温箱的自动控制热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝材或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念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。[工作过程]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-u22、恒温箱的自动控制武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程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职能框图武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1反馈（Feedback）定义：通常，把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。负反馈正反馈液位控制？？武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念人工控制和自动控制举例武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念手摇扇电风扇空调机人工控制和自动控制举例乘凉的方式武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念3、日常生活中的控制系统举例书的位置输入大脑肌肉手臂眼睛手的位置输出例1：（手取书）武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念例2：（人与汽车构成的控制系统）实际路线希望路线输入肌肉控制方向盘汽车眼睛输出武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念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。控制系统的工作原理武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念控制系统的基本组成框图4、控制系统的组成及其术语武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念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。注意：在机械、液压、气动、机1、给定元件：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，如将期望恒定的温度转换为相应电压。2、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。主要是各种传感器3、比较元件：将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。如：电压比较电路，平衡电桥。4、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。5、执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件，如晶闸管整流装置、液压缸、电动机等。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念6、校正元件：用以改善系统控制质量的装置。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。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念§1.2控制系统分类一、按控制策略来分：闭环控制：当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时。例：恒温控制系统半闭环控制：控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件的系统。开环控制：当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时。例：数控机床进给系统武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念开环控制系统(无反馈)执行机构控制对象预期输出实际输出1）开环控制系统控制器武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念2）闭环控制系统闭环反馈控制系统(有反馈)控制器被控对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量装置误差e(t)控制量u(t)被测变量测量值武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念反馈：控制的核心思想闭环控制特点：信息的双向流动控制器被控对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量装置误差e(t)控制量u(t)被测变量测量值闭环例1：空调控制系统武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念二、按输入信号的性质来分：程序控制：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。例：数控加工系统。伺服控制：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。恒值控制：输入是已知的恒定值，控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。例：恒温箱控制、闭环调速系统、电网电压、频率控制等。例：仿形车床加工系统、火炮自动瞄准系统、跟随卫星的雷达天线系统等。武汉理工大学WuhanUniversityofTechnology控制工程基础第一章控制工程的基本概念三、按系统中传递信号的性质来分：离散控制：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