控制工程基础-绪论课件.ppt
2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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。,2023/3/21,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。,2023/3/21,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。,2023/3/21,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。,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,11,人工控制系统,恒温炉炉温人工控制系统职能方块图,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,12,自动控制系统,2023/3/21,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,2023/3/21,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。,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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。,2023/3/21,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。,2023/3/21,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,2023/3/21,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。,2023/3/21,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。,2023/3/21,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(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。,2023/3/21,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,2023/3/21,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。,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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,2023/3/21,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。数控机床控制系统,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,30,线性系统及其重要特性,线性系统：组成系统的各个环节的输入输出特性都是线性的；系统的数学模型可以用线性微分方程描述；在线性微分方程中，只含输入量或输出量各阶导数的一次项。线性定常系统：线性系统元件的参数是集中的且不随时间变化。线性时变系统：系统元件的参数是随时间变化的，即系统微分方程的系数是时间的函数。例如：宇宙飞船随着燃料的消耗其质量不断变化；带钢卷筒由于卷径变化其转动惯量不是恒定的。线性系统的两个重要特性：比例性和叠加性。比例性：当系统的输入量增大K倍时，系统的输出量也相应增大K倍。叠加性：当多个输入量作用于系统时，系统总响应等于各个输入量分别作用于系统的响应之和。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,31,非线性系统,非线性系统：系统中有一个以上的元件的特性是非线性的系统。非线性系统的数学模型要用非线性微分方程描述。非线性微分方程：某些项的系数与变量有关，即方程中含有变量及其导数的高次项或乘积项。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,32,连续系统和离散系统,连续系统：系统的各个环节的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。离散系统：系统中有一处或数处的信号是以脉冲序列或数字编码形式出现的。离散系统包括采样控制系统和数字控制系统。采样控制系统：系统中的连续信号被采样成脉冲序列。数字控制系统：系统中的连续信号被采样后量化成数字信号。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,33,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,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,34,对自动控制系统的基本要求,对自动控制系统的基本要求稳定性稳态精度动态品质鲁棒性（稳健性）自动控制理论主要研究的问题分析综合,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,35,稳定性与稳态精度,稳定性是指系统处于平衡状态下，受到扰动作用偏离平衡状态后，系统恢复原有平衡状态的能力。稳定是系统正常工作的前提。为了使系统在环境或参数变化时还能保持稳定，在设计时还要留有一定的稳定裕量。稳态是指稳定的系统在过渡过程（暂态）结束后所处的状态。稳态精度常以稳态误差来衡量。稳态误差是指稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。系统设计时希望稳态误差要小。在恒值调速系统中，希望因负载扰动引起的稳态误差的变动要尽量小；在随动系统中，希望输出信号与输入信号尽量一致。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,36,动态品质与鲁棒性,动态品质通常用动态响应指标来衡量。动态响应指标是系统在单位阶跃输入及零初始条件下的一些指标，如调节时间、超调量、振荡次数等，它们反映系统过渡过程性能的优劣。调节时间反映系统动态过程的快速性；超调量和振荡次数反映系统过渡过程的平稳性。调节时间即过渡过程时间。超调量即动态响应最大值超出稳态值的部分相对于稳态值的百分数。振荡次数即过渡过程中系统振荡的次数。鲁棒性是指系统特性抵御各种摄动因素影响的能力。如对抗系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰的能力。引起系统结构变异或参数摄动的原因是多方面的，如由于对象的建模误差、制造公差、元器件老化、零部件磨损和系统运行环境的变化等。系统性能受参数摄动影响的属性称为系统的灵敏度。如果一个控制系统的灵敏度低，抗干扰性好，则称该系统的鲁棒性好。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,37,综合性能指标在多变量控制系统中，为实现最优控制，往往采用综合性的性能指标。根据不同系统的任务，选取的性能指标形式也不同。例如：在宇航技术中，不仅要求快速而准确地将运载火箭送入新轨道，并且燃料消耗要最少，在性能指标中就应包含对输出误差和对控制能量的要求。,自动控制理论主要研究的问题分析：在系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。综合：根据系统要实现的任务，给出稳态和动态性能指标，要求组成一个系统，并确定适当的参数，使系统满足给定的性能指标。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,38,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,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,39,自动控制理论的发展简史（1）,人类对反馈这一基本原理早有认识，并利用它创造了许多装置，如孵卵器、水利及风力磨坊的速度调节器等。1788年，James Watt发明的蒸汽机离心调速器是最早的自动控制系统。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,40,自动控制理论的发展简史（2）,随后，G.B.Airy发现并首先讨论了控制系统的不稳定问题。1868年，麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）发表了论调节器一文，系统研究了反馈控制系统的稳定性问题。1877年劳斯（E.J.Routh）及1895年胡尔维茨（A.Hurwitz)分别独立地提出了稳定性判据。18771880年，俄国科学家发明了火炮随动系统和飞行器驾驶系统。1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）发表了论运动稳定性的一般问题，全面论述了稳定性问题，并为状态变量法控制理论打下了基础。1934年，海森（H.L.Hazen)发表了侍服机构理论的重要论文，第一次提出了自动控制系统的精确理论。主要研究和解决系统的稳定性和精度问题。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,41,自动控制理论的发展简史（3）,随着武器的进化，要求控制系统能准确跟踪变化的目标，从而对自动控制系统的瞬态性能提出了要求。而设计具有高动态品质和稳态精度的控制系统所需的理论已在通讯工程领域中得到发展。为解决远距离通讯的失真问题，1927年布莱克（H.S.Black）发明了负反馈放大器，并发现了反馈系统的重要特性。1932年，乃奎斯特（H.Nyquist）提出了乃奎斯特稳定判据，为频率法奠定了基础。伯德（H.W.Bode）完善了分析控制系统的图解法即频率法。1947年，美国麻省理工学院辐射实验室的詹姆斯（James）、尼柯尔斯（Nichols）和菲利普斯（Philips）将反馈放大器理论、过程的PID控制和随机过程理论结合起来，形成一套侍服机构设计方法。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,42,自动控制理论的发展简史（4）,1948年，伊万斯（W.R.Evans）又提出了根轨迹法。至此，控制理论的第一发展阶段基本完成。以频率法和根轨迹法为核心的控制理论称为经典控制理论。它特别适用于单输入单输出（SISO）系统（仅有一个输入量和一个输出量的系统），至今仍被广泛而成功地应用于控制领域中。20世纪60年代，由于宇航、军工及过程控制方面的发展，出现了许多的多输入多输出（MIMO）系统，它们具有变量多、变量相互间有耦合的特点，还具有非线性、时变特性，并且往往要求系统能在一定的控制约束条件下达到性能指标最优。对多输入多输出系统，经典控制理论显得无能为力。然而现代数学和计算技术的发展为控制理论的进一步发展准备了数学基础和计算工具，从而促进了现代控制理论的形成和发展。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,43,自动控制理论的发展简史（5）,现代控制理论的基本内容有：美国贝尔曼（Bellman）等人提出的状态空间法；前苏联庞特里亚金（Pontryagin）的极大值原理；贝尔曼的动态规划法；卡尔曼（Kallman）的最佳滤波器理论及能控能观性理论。现代控制理论以状态空间模型为基础、以状态空间法为主要方法来分析和设计系统，其目的是寻找最优控制规律，使系统的性能指标达到最优化。20世纪70年代以来，控制理论又向大系统理论和智能控制理论发展（亦称第三代控制理论）。现代控制理论不能代替经典控制理论。当分析和设计简单系统时，常用经典控制理论；当分析和设计多输入多输出系统和复杂系统时，常用现代控制理论。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,44,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,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,45,小结,介绍了自动控制的基本概念，重点是反馈控制原理。负反馈控制的原理是检测偏差，抑制或消除偏差。通过分析闭环控制系统的工作原理和方块图，介绍了控制系统的分析方法，并指出了各组成环节的作用。介绍了自动控制理论的一些常用术语。对自动控制系统的要求及分类方法进行了简单介绍。,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,46,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,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,47,教学大纲,绪论控制系统的数学模型（1）（2）（3）控制系统的时域分析（1）（2）控制系统的频率法分析（1）（2）（3）（4）控制系统的校正与综合,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,48,教学计划（1）,第一讲 绪论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第二讲 控制系统的数学模型（1）物理系统的动态描述数学模型建立系统数学模型的一般步骤非线性数学模型的线性化,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,49,教学计划（2）,第三讲 控制系统的数学模型（2）传递函数控制系统的传递函数第四讲 控制系统的数学模型（3）系统方块图及其变换系统信号流图第五讲 控制系统的时域分析（1）控制系统的时间响应和典型试验信号基于传递函数的输出响应线性控制系统的稳定性线性控制系统的稳态误差分析,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,50,教学计划（3）,第六讲 控制系统的时域分析（2）控制系统的动态性能分析高阶系统的低阶近似分析基本控制规律第七讲 控制系统的频率法分析（1）概述-频率特性典型环节的频率特性第八讲 控制系统的频率法分析（2）系统开环频率特性的绘制,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,51,教学计划（4）,第九讲 控制系统的频率法分析（3）用频率法分析系统的稳定性第十讲 控制系统的频率法分析（4）用频率法分析系统的动静态品质第十一讲 控制系统的校正与综合常用的串联校正方法和校正装置控制系统的校正与综合基于频率法的串联校正PID控制,2023/3/21,控制工程基础：第一讲 绪论,52,SEE YOU NEXT TIME！,
