机械控制工程资料-第一章 控制系统导论课件

1、自动控制原理Automatic Control Theory胡寿松科学出版社2008年12月2003年国家精品课程教材1 主讲： 贾存良 教授电话：-mail: 办公室： 信电楼B22421. 人类社会发展的三个时代人力时代 人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高文明只达到封建社会。 机械化时代 当蒸汽机、发电机出现之后，既使用九牛二虎也不够形容一台电动机之巨大威力了，而且可以不间断地保持着“精力充沛”的状态工作。人类的“力气”不知被放大多少亿倍！人类的

2、力臂不知不觉被延长到几千公里之外！物质丰富了，一些农民被改造成为工人，进入资本主义社会。 3自动化时代 在这个时代中，能量变换与信息变换都可由机器来完成，在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的地方，都可以给它配上一个小的脑袋单片机或微处理器之类设备，代替人进行某种判断或操作。 不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境，凡是已知的规律，都可以用自动化技术来完成。自动化的基本任务就是将信息技术应用到传统产业中去42自动控制原理课程性质与地位 自动控制原理（自动控制理论 自动调节原理 反馈控制理论，简称自控）是研究自动控制系统的共同规律的技术科学。它是一门技术基础理论课，主要

3、研究自动控制系统的组成、分析和设计的理论。 它是本专业的核心课程之一。 5答疑时间：周五晚7：30-9：30 地点：信电楼B205一共64学时，讲课54学时，实验10学时 每章学时安排： 第一章控制系统导论 4学时 第二章控制系统的数学描述 8学时 第三章线性系统的时域分析法 12学时 第四章线性系统的根轨迹法 8学时 第五章 线性系统的频域分析法 12学时 第六章 线性系统的校正方法 8学时 总复习 2学时 3课程学时安排64成绩评定出勤 5 无故旷课3次以上者不允许参加考试。作业 10 抄袭作业者视同没交，作业缺一半以上者不允 许参加考试 实验 15 缺一次扣3分考试 70 5其他参考书目

4、. 刘明俊 自动控制原理 国防科技大学出版社 2. 鄢景华 自动控制原理 哈尔滨工业大学出版社 3. 吴 麒 自动控制原理 清华大学出版社 710112 自动控制系统的工作原理 按对象方式运动控制 （电机调速、机器人等）过程控制 （被控对象为某种生产过 程，如化工过程）系统：由一些对象相互作用，相互制约，组成一个具有一 定运动规律的整体。控制系统：由被控对象和控制器构成的整体 开环控制按控制方式 反馈控制 （闭环控制） 复合控制12 给定信号ug被控量 扰动inui 电压 放大 电阻 R 触发 器 晶阐管可 控整流器 电动 机按扰动量控制的速度控制系统方框图(参考输入量)16闭环（反馈）控制系

5、统Closed-loop Control System闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。负反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈 。反馈控制采用负反馈(正反馈较少使用)并利用偏差进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。17热力系统的人工反馈控制18热力系统的自动反馈控制19给定电压热电偶输出电压恒温炉的温度自动控制系统图例题被控对象？被控量？23工作原理： 当炉内实际温度与给定装置表征的希望温度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对

6、平衡。偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值，直到达到新的平衡。 当炉温因扰动出现偏差时（比如炉温低于希望值），24闭环与开环控制系统的比较 开环控制：顺向作用，没有反向的联系，对不可测扰动及系统内部参数变化导致的输出量偏差不能自动修正，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，对输出出现的偏差有自动修正能力，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（

7、价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。 25复合控制系统 Compound Control System定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。 是构成高精度控制系统的一种有效控制方式， 使控制系统具有良好的控制性能。复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制26图1.3 干扰补偿的复合控制系统方块图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按干扰前馈补偿的复合控制27图1.4 输入补偿的复合控制系统方块图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按输入前馈补偿的复合控制28用“”号代表比较元件，

8、“”号代表两者符号相反（负反馈）。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 图1.5 闭环控系统基本组成串联校正（补偿）元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量3 反馈(闭环)控制系统的基本组成输入量比较元件给定元件29给定元件：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量元件：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号 各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较元件：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的

9、参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。串联校正（补偿）元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量输入量比较元件给定元件30放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。补偿（校正）元件：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用 串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性 能。 串联补偿元件放大元件执行机构被控对象反馈补偿元件测量元件被控量输入量比较元件给定元件31古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论） （17871960） 以传递函数

10、为基础研究单输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。智能控制理论（1980） 以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境（3C控制问题）。 管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统现代（近代）控制理论 （19601980） 以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。 最优控制 、自适应控制 计算机控制、系统辨识34 1. 液位控制系统 图1.6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不

11、变。 图1.6（b）是该控制系统的方块图。1-2 自动控制系统示例35图1.6 （a） 液位控制系统自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。36Q1Q2H37控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控量：液位 Q2 为扰动量 图1.6 （b） 液位控制系统Q1Q2H38希望液位实际液肌肉、手阀 门水 箱眼 睛（III） 相对应的人工操纵系统方块图 脑Q2392.液位控制系统控制阀减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM40功率放大SM负载+u0nua电动机速度控制系统3.电动机速度开环控制系

12、统41电动机速度控制系统+电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG4.电动机速度闭环控制系统425.电动机速度复合控制系统+电压放大+u0nuaueutR电压放大功率放大负载SMTG436.函数记录仪原理示意图RQRWuLtur变换器放大器绳轮电机测速机减速器447.俯仰角控制系统给定电位器反馈电位器飞机示意图45给定装置放大器舵机飞机 反馈电位器 垂直陀螺仪0c扰动俯仰角控制系统方块图461-3 自动控制系统的分类按工作原理分类 开环控制、闭环控制、复合控制按数学模型分类 线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统按系统内部的信号特征分类 连续系统和离散系统按输入量变化规律的功能分类恒值

13、控制系统： 如温度控制系统、调速系统等随动控制系统： 如机器人、高射炮等程序控制系统： 如数控机床、交通灯系统等47 1-4 自动控制系统的基本要求一、自动控制系统性能的基本要求（三个方面）稳定性（先决条件） 系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。由系统的结构参数决定与外界因素无关。48快速性（过渡过程性能要求）： 描述过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。准确性（控制精度要求）：过渡过程结束后的输出响应 系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系

14、统的输出跟随参考输入的精度越高。 简单地说：稳、快、准4950时间tr上 升峰值时间tpAB超调量% =AB100%动态性能指标（振荡型）调节时间tsh(t)t时间tr上 升峰值时间tpAB超调量% =AB100%调节时间ts510二、典型的外作用1、阶跃函数（位置函数） 例如： 电源电压的突然跳动；负载突然增大或减小；恒值控制系统的设定值等等。5202、斜坡函数（速度函数） 例如：雷达跟踪的目标以恒定速度飞行5303、单位脉冲函数任意形式的外作用都分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和可代表一些瞬间即逝的扰动信号541-5 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：60

15、70年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。 第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。 第三阶段：80中期开始，产生仿真软件MATLAB控制系统计算机辅助设计仿真系统。控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统55 数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件MATLAB。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。 在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。MATLAB更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。MATLAB仿真软件56 数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件MATLAB。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发