控制系统的总论

1、控制系统的总论第1页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三课程安排21 控制系统导论 （2学时）2 控制系统的数学模型 （8学时）3 时域分析法 （10学时）4 根轨迹法 （4学时）5 频域分析法 （12学时） 6 线性系统的校正方法 （4学时）第2页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三第一章 导论31.1 自动控制的基本原理1.2 自动控制系统示例1.3 自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统的分析与设计工具第3页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三1.1 自动控制的基本原理1 自动控制系统 在没有人直接

2、参与下，利用采集和加工的信息，构造控制装置（控制器）按一定的控制规律产生作用，使受控客体（控制对象）某一物理量（被控量）达到所要求的性能或实现预定目标的系统。 控制对象：控制系统要进行控制的受控客体 如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、 酿酒过程等各种机器或生产过程。 被控量：控制对象要实现的量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、湿度等。 4第4页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三2 自动控制理论的发展简史人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如2000年前，罗马人

3、：水位控制系统（淋浴） ，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、工程师 、科学家 ）：苏颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。1786年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1868年，英国J.C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。1877年 劳斯 ，1892年李雅普诺夫 1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。5第5页，共29页，2022年，5月20日

4、，15点11分，星期三1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。1948年，美国数学家N.Wiener出版Cybernetics是一个控制科学里程碑。控制论的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从19601980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及

5、复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从1980现在，智能控制理论集中于3C控制系统及其相关课题。6第6页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论） （17871960） 以传递函数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。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7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

6、任务、复杂环境。 管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统第7页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三3 自动控制系统的基本控制方式 按控制方式8开环控制闭环控制 （反馈控制、伺服控制）复合控制 按对象方式运动控制 （电机调速、机器人）过程控制 （锅炉过程、化工过程）第8页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三开环控制系统Open-loop Control System定义：系统的控制输入不受输出影响的控制系统特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道， 这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系

7、统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。9控制器对象或过程输入量输出量图1.1 开环控制系统框图第9页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三闭环控制系统 Closed-loop Control System闭环控制系统又称反馈控制系统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，称为反馈 。反馈控制采用负反馈(正反馈较少)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 。10第10页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三闭环控制系统

8、11图1.2 闭环控制系统框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第11页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三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，没有修正偏差能力，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，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。 12第12页，共29页，2022年，5月20日

9、，15点11分，星期三复合控制系统 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13第13页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三14图1.3 干扰补偿的复合控制系统框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第14页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三15图1.4 输入补偿的复合控制系统框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

10、补偿第15页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三4 闭环控制系统的基本组成用“”号代表比较装置，“”号代表两者符号相反。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。 16图1.5 闭环控制系统基本组成框图串连校正装置放大装置执行机构被控对象反馈校正装置测量装置被控量给定装置第16页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三17给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量装置：测量被控制的物理量（被控量

11、），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。比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。放大装置：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。补偿装置：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。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。第17页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三 1、液位控制系统 图1.6（a）是一个

12、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，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。 图1.6（b）是该控制系统的方框图。181.2 自动控制系统示例第18页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三19图1.6 （a） 液位控制系统第19页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三20控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱图1.6 （b） 液位控制系统第20页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三21第21页，共29页，2022年，5月20日，

13、15点11分，星期三1.3 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系统的功能分类 温度控制系统、位置控制系统 压力控制系统 、调速系统22第22页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三1.4 对自动控制系统的基本要求过度过程：在输入量作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态过程稳态过程：过度过程结束后的输出响应自动控制系统性能的基本要求（三个方面） 稳定性 Stability 过度过程性能（快速性） Dynamic Performance Spec

14、ification 稳态误差 （准确性或控制精度） Steady-state Error23第23页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三稳定性: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。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。过度过程性能：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。稳态误差：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，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。 24第

15、24页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三1.5 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：6070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。25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第25页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三26 数字仿真实验采用目前世界上最

16、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仿真软件第26页，共29页，2022年，5月20日，15点11分，星期三27学习的流程：输入X，根据网络的状态方程沿信号传播方向计算出网络输出Y假设已知输入为X时，期望输入为D，则网络学习的流程为：计算目标函数J?