控制工程基础第一章

1、第一章 绪 论1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3控制工程基础的主要任务与研究内容控制工程基础的主要任务与研究内容 1.1 概概 述述1.1 概 述通讯自然航空航天工业军事太空探索社会自动控制自动控制应用领域广泛应用领域广泛 将控制论同工程实践结合在一起形成了将控制论同工程实践结合在一起形成了工程控制论工程控制论，因因此，控制工程是一门研究控制论在工程中应用的科学。控制此，控制工程是一门研究控制论在工程中应用的科学。控制工程基础主要阐述自动控制技术的基础理论。工程基础主要阐述自动控制技术的基础理论。 控制工程基础：控制工程基础：也称控制理论基础，主要阐述的是自动也称控制理论

2、基础，主要阐述的是自动控制技术的基础理论。控制技术的基础理论。 控制论控制论(Cybernetics)(Cybernetics)是研究生物体、机器及各种不同系是研究生物体、机器及各种不同系统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学，统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学，而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和方法。方法。1.1 概 述v一、基本概念控制论控制论生物控制论工程控制论经济控制论社会控制论 控制论被广泛的应用到现实生活中的各个领域，是一门重要的方法论。1.1 概 述加热电阻丝加热电阻丝220V调压器

3、调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计College of mechanical & electronic engineering控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的规律运动或变化的过程。 1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念被控对象：被控对象： 恒温箱恒温箱 控制器：控制器： 除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。除恒温箱以外的所有装置，统称为控制器。 被控制量：被控制量： 恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量）恒温箱的实际温度为被控制量（系统的输出量） 希望值：希望值： 希望的恒温箱的温度希

4、望的恒温箱的温度。控制量：控制量： 加热电阻丝的输出功率加热电阻丝的输出功率。扰动量（干扰）：扰动量（干扰）： 恒温箱散热量恒温箱散热量 College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念人工控制恒温箱调节过程：人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量）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，控制加热电根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流

5、以调节温度回复到要求值。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：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。检测偏差再纠正偏差。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念College of mechanical & electronic engineering系统方框图系统方框图系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，系统方框图由许多对信号（量）进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。表征了系统各元件之间

6、及系统与外界之间进行信息交换的过程。包括三个基本的单元包括三个基本的单元: :引出点引出点, ,比较点比较点, ,元件方框元件方框大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计 -1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为备或装置（称为控制装置控制装置或或控制器控制器），使机），使机器、设备或生产过程（通称器、设备或生产过程（通称被控对象被控对象）的某）的某个工作状态或参数（即个工作状

7、态或参数（即被控量被控量）自动地按照）自动地按照预定的规律运行。预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶如：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。及飞机自动驾驶、导弹制导等。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1 u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统College of mechanical &

8、electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动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恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号 uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动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头。当温度偏高时，动触头

9、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运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差止，此时，偏差 u0，电机停止转动。，电机停止转动。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶u1u2uuanvu温度温度t(被控量被控量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图College of mechanical & elect

10、ronic engineering 1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念从恒温箱控制系统功能框图可见：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，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。 也称为也称为参考输入量参考输入量（信号）。（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（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，产生统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏偏 差差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。（给定信号与返回的输出信号之

11、差）信号。 输出量的返回过程称为输出量的返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部。返回的全部或部 分输出信号称为分输出信号称为反馈信号反馈信号。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量检测输出量（被控制量）（被控制量）的实际值的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维

12、持期望的输出。输出量维持期望的输出。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动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）之间的偏输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：反馈控制建立显然：反馈控制建立在偏差基础上在偏差基础上，其控制方式，其控制方式是是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”

13、。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动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。行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为称为反馈控制系统反馈控制系统。反馈控制系统具备。反馈控制系统具备测量测量、比比较较和和执行执行三个基本功能。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，称为相减，使偏差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控。

14、负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。制是实现自动控制最基本的方法。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 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两类：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为两类： 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 开环控制系统开环控制系统特点：特点：系统仅受输入量和扰动量控制；系统仅受输入量和扰动量控

15、制； 输出端和输入端之间不存在反馈回路；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输出量在整个控制过程中对系统的控制不 产生任何影响。产生任何影响。 输入输入装置装置指令指令系统输入系统输入控制控制装置装置伺服伺服驱动装置驱动装置工作台工作台工作台工作台 位置位置系统输出系统输出数控机床的开环控制系统框图数控机床的开环控制系统框图College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念优点：优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比

16、较稳定，且外界干扰较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。小，开环控制能够保持一定的精度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力精度通常较低、无自动纠偏能力控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 闭环控制系统闭环控制系统特点特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输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。出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减

17、少偏差。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感敏感 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。能分析和设计麻烦。 College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量测量元件测量元件闭环控制系统框图闭环控制系统框图反馈量反馈量College of mechanical & electronic engineering

18、1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 闭环控制系统的组成给定给定元件元件 +串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_ +_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反馈主反馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 xi偏差信号偏差信号 e主反馈信号主反馈信号 xb扰动信号扰动信号输出输出 xo闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 给定元件给定元件 产生给定

19、信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。 反馈元件反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。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。为便于传输，反馈信号通常为电信号。 College of mechanical & electronic engineering 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；信号； 1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 放大元件放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱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。动执行元件实现控

20、制功能。 执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；液压马达等； College of mechanical & electronic engineering 校正元件校正元件 用以改善系统控制质量的装置。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。校正元件分为串联和并联两种。1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和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，统称为反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器控制器。实际的控制系统中，实际的控制系统

21、中，扰动扰动总是不可避免的，扰总是不可避免的，扰动分为动分为内部扰动内部扰动和和外部扰动外部扰动，但在控制系统中，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此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。的干扰。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念三、控制系统的基本类型三、控制系统的基本类型l 按输入量的特征分类按输入量的特征分类 恒值控制系统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系

22、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。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。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统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。照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 随动系统（伺服

23、系统）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。信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续连续控制系统控制系统

24、系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的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。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量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。程描述。 College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 其它分类方法其它分类方法 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 定常系

25、统和时变系统定常系统和时变系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统制系统 温度、压力、位置等控制系统温度、压力、位置等控制系统College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求l 稳定性稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的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，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其输出能随时间的增长收敛

26、并回到初始平衡状态。态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。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，与外界因控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能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。量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 准确性准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束

27、而趋系统的调整（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于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。之间的差值。 College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念l 快速性快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏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。差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、准确性和快不同性质的控制系统，对稳定性、准确性和快 速性要求各有侧重。速性要求各有侧重。 系统的

28、稳定性、准确性、快速性相互制约，应系统的稳定性、准确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。根据实际需求合理选择。College of mechanical & electronic engineering1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3 控制工程基础的主要任务与研究内容控制工程基础的主要任务与研究内容College of mechanical & electronic engineering控制论实质上是研究机械工程技术中控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题广义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是广义系统在一定的外界条件（即输入具体地说，它研究

29、的是广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的经历的由其内部的固有特性固有特性（即由（即由系统的结构与参数所决定系统的结构与参数所决定的特性的特性）所决定的整个）所决定的整个动态历程动态历程；研究这一；研究这一系统及其输入、系统及其输入、输出三者之间的动态关系输出三者之间的动态关系。自动控制自动控制的研究对象的研究对象系统系统输入输入输出输出外界作用外界作用系统内部的信息系统内部的信息 传递与交互传递与交互系统的响应系统的响应College of mechanical & electr

30、onic engineering从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，控制论的任务可以分为以下五种：问题的不同，控制论的任务可以分为以下五种： （1 1）已知系统和输入，求系统的输出，即）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题系统分析问题； （2 2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题最优控制问题； （3 3）已知输入和理想输出时，设计系统，即）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题最优设计问题； （4 4）输出已知，确定系统，以识别输入或

31、输入中的有关信息，）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息， 此即此即滤波与预测问题滤波与预测问题； （5 5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统系统 辨识问题辨识问题。 控制工程基础的研究任务控制工程基础的研究任务 1.3 控制工程基础的主要任务与研究内容控制工程基础的主要任务与研究内容本课程的任务及主要内容本课程的任务及主要内容l 本课程的任务本课程的任务 控制系统性能分析控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差）稳态性能：控制精度（稳态误差）

32、控制系统设计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。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。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。College of mechanical & electronic engineering1.3 控制工程基础的主要任务与研究内容控制工程基础的主要任务与研究内容控制系统分析和设计一般包括：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）建立控制对象的数学模型（线性化模型） 对象的性能分析、仿真对象的性能分析、仿真 选择控制方案（开环选择控制方案（开环/闭