机械工程控制基础-绪论-课件

自动控制理论_第一章

第一节自动控制理论发展史简述

第二节自动控制系统的一般概念

第三节开环控制与闭环控制

第四节自动控制系统的分类

第五节对控制系统性能的要求和

本课程的任务

本章小结

第一章绪论ppt课件第一章绪论(Introduction)

在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着非常重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。ppt课件

本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本的了解，以便更好地学习以后各章节。ppt课件

第一节自动控制理论发展史简述第二节自动控制系统的一般概念一、自动控制在国民经济中的作用

自动控制：就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、设备、生产过程等）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。自动控制系统的应用是非常广泛的，例如：

（一）自动控制技术应用于军事、航天领域

火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星；

宇宙飞船。ppt课件

轧钢过程；工业窑炉；石油化工；水泥建材；玻璃、造纸等。

（二）自动控制技术应用于工业生产过程（三）自动控制技术应用于现代农业生产

自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。……ppt课件

由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。

近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。ppt课件二、自动控制理论发展简介

自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

（一）、经典控制理论的形成和基本内容古代两个典型的自动控制系统ppt课件古代的液面和流量控制装置原理图供水浮子浮子水钟时间刻度ppt课件离心调速器的应用示意图ppt课件

最早期的、在工业中起重要作用的第一个自动调节装置是1788年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理是：如果负载增加，(若P不变M↑→n↓)蒸汽机转速下降，则离心振子①下降。滑块②将通过杠杆③使蒸汽阀门开大，使蒸汽供给量增加（M不变，P↑→n↑），从而使蒸汽机转速上升。①②③ppt课件蒸汽机比较机构离心机构转换机构蒸汽量Q阀门②③①ppt课件

反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样，离心调速器可自动地抵制负载的变化，使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就会出现速度反复变化频繁的振荡现象，若其参数处理不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，振荡是经常出现的现象）。ppt课件最早的系统稳定性研究：

J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表《论调节器》，研究调节器的微分方程，线性化处理，从描述系统的微分方程的解中有无增长指数函数项来判断系统的稳定性，证明系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。

系统稳定准则：

A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）于1882年提出了李雅普诺夫第一法与第二法；

Hurwitz（霍尔维茨）和

E.J.Routh（劳斯）于1884年提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据。ppt课件H.Nyquist（奈奎斯特）于1932年提出奈氏判据及“稳定裕度”的概念，Bode(伯德）于1945年提出了对数频率特性的方法。

二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统(servocontrolsystem)的设计方法。ppt课件根轨迹方法：(rootlocus)

W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。

1948年美国数学家N.Wiener（维纳）发表了一篇题为《控制论》的著作，首创了（Cybernetics）这个名词，这本著作的出版，标志着《控制论》这门学科的正式诞生。第二次世界大战后，控制理论在民用工业中得到进一步应用，如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的控制，解决了压力、温度、流量与化学成分的控制问题。50年代中期，以反馈控制为中心的理论体系基本形成。一般把50年代掌舵人ppt课件末以前形成的理论称为经典控制理论。主要讨论的内容有：系统数学模型的建立、时域分析法、根轨迹法、频率响应法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等。经典控制论是在复数域中以传递函数概念为理论体系。主要研究单输入——输出定常线性系统的分析与设计。Transformationfunctionppt课件（二）、现代控制理论概述

50年代末，由于导弹制导、航天、航海、航空技术的发展需要和电子计算机技术的成熟，控制理论发展到一个新的阶段，出现了现代控制论。

1956年前苏联特略金提出的最优控制，1957年美国的Bellman（贝尔曼）提出的动态规划理论，1960年美国Kalman（卡尔曼）提出的最优过滤理论形成了现代控制理论的基础。经典控制论是具有一定的局限性的，它所研究的系统限于线性时不变单回路系统，且它为我们提供分析的方法，然后改进系统再进行尝试，不能提供最好的设计。由于数字计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能，ppt课件这时李雅普诺夫的工作被引人到控制理论中来，而由Wiener（维纳）等人在第二次世界大战期间关于最优控制的研究也被用来研究系统状态轨迹的优化问题。这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上直接引进并大量使用了计算机。这种方法通常称为“现代控制理论”，以区别于60年代以前的“经典控制理论”。1892年提出的理论TheclassiccontroltheoryThemoderncontroltheoryppt课件

现代控制理论的重要标志：

状态空间法被引入到控制理论中来

Kalman提出了能控性与能观测性。表征系统结构特征的重要概念。“内部研究”代替了传统的“外部研究”。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。

主要分支学科：线性系统理论、最优控制理论、系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统理论等。一些分支学科还渗透到相邻学科中去，如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论与系统工程等。ppt课件三、自动控制与自动控制系统（一）、自动控制的概念自动控制中的被控制的物理量有各种各样的，如温度压力、流量、电压、转速、位移和力等。虽然组成这些控制系统的元、部件有较大的差异，但是系统的基本结构是大致相类似的，先来看下面的具体例子：

1、手动控制(manualcontrol)

水箱水位的手动控制：h1ppt课件图中F1为放水阀，F2为进水阀，控制要求液面的希望高度等于h0。人参与了液面高度的控制。观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，以达到维持液面高度不变的目的。h1ppt课件

我们从上面的例子中可以看出，人在参与控制中起了以下三方面的作用：

测量实际液面的高度h1——用眼睛；将测得的实际液面的高度h1与希望液面的高度h0相比较——用脑；根据比较的结果，即按照偏差的正负去执行控制的动作——用手。人工控制液面高度的过程可以用以下框图来表示：ppt课件人工控制液面高度的过程可以用以下框图来表示：[blockdiagram]ppt课件

用人工控制既不能保证系统所需的控制精度，也不能减轻人的劳动强度，这是不言而喻的道理。显然，如果用自动控制系统去代替上述的人工控制系统，那么在自动控制系统中必须同样具有上述三种职能机构，即测量机构、比较机构和执行机构。如果将该人工控制系统改为自动控制系统，就可以实现不论放水阀Fl输出的流量如何变化，系统总能自动地维持其液面高度在允许的偏(误)差范围之内。液面高度自动控制系统如下图所示：2、自动控制(Automaticcontrol)ppt课件电动执行器（角行程）ppt课件电动执行器（直行程）ppt课件液面自动控制系统五个部分所组成Automaticcontrolsystemofaliquidlevelppt课件

比较机构——比较浮子的希望位置与实际位置的差值；

(Measurementdevice)电位器放大机构——当测量元件测得的信号与给定信号比较后得到的误差信不足以使执行元件动作时，一般都需加放大元件，以提高系统的控制精度。(Magnifyingdevice)功率放大器执行元件——直接驱动被控对象，以改变被控制量。

(Executingdevice)电机（1）系统构成：该液面自动控制系统是由以下五个部分所组成：被控对象——水池；(Controlledobject)

测量元件——浮子；(Measurementdevice)ppt课件（2）工作原理：

假设水池液面的高度因F1阀开度的增大而稍有降低时，则系统立即产生一个与降落液面高度成比例的误差电压u，（设希望液面高度电压信号为0），该电压一般比较微弱，经功率放大器放大后供电给进水阀的拖动电动机（一般多采用电动执行器），使阀F2的开度也相应地增大，从而使水池的液面恢复到所希望的高度；当液面高度升高时，反之亦然。F1F2ppt课件上述自动控制系统的控制原理可以用下述的框图来表示：Blockdiagramofthesystemppt课件分支点RRR+RCR±C+部件名称uruc

由于框图能够清晰明了地表征控制系统的组成及工作情况，所以在自动控制中被广为采用。(b)(a)(c)ppt课件再来看刚才分析过的水箱液面控制系统：课本上还有直流随动系统的例子，请同学们自己分析。ppt课件分支点RRR+RCR±C部件名称uruc下面简单讲述框图的构成：有三个基本单元。(1)引出点：表示信号的引出，箭头表示信号传递方向(图a)；(2)比较点：表示两个或两个以上的信号在该处进行减或加

的运算，“-”号表示信号相减，“+”号表示信号相加(图b);(3)

方框：输入信号置于方框的左端，输出信号置于方框的右端，方框中填入部件的名称(图c)。(b)(a)(c)+ppt课件

第三节开环控制和闭环控制

工程中常见的自动控制系统多种多样，其结构和用途也各不相同。尽管如此，一般的自动控制系统都具有如下的典型方框图，如图所示。ClosedloopOpenloopppt课件控制器ppt课件上述框图可简化为下图：

自动控制系统的框图输出量+控制器被控对象控制作用

反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节r(t)控制器ppt课件

给定环节——产生参考输入信号的元件，如电位器、旋转变压器等。

控制器——它的输入是系统的误差信号，经其变换运算后，产生期望的控制信号去控制被控对象。

被控对象——它受控制器输出量的控制，其输出就是系统的被控制量。

反馈环节——将被控制量转换为主反馈信号的装置，这个装置一般为检测元件。1、系统构成

自动控制系统的框图输出量+控制器被控对象控制作用

反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节r(t)ppt课件2、定义各信号量r(t)——系统的参考输入量(简称输入量或给定量)；

c(t)——系统的输出量

(又称被控制量)；

b(t)——系统的主反馈量，它是与被控制量成正比或为某种函数的信号，其物理量纲必须与参考输入相同。因为只有相同量纲的信号，才能在比较点处进行相减运算。

e(t)——系统的误差，等于参考输入与主反馈量之差，

e(t)=r(t)-b(t)

。请同学们将这些基本概念、定义搞明白，以利于后面知识的学习！！

自动控制系统的框图输出量+控制器被控对象控制作用

反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节r(t)ppt课件

开环控制是一种最简单的控制方式。特点：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。可以用如下方框图来表示。

开环控制系统

闭环控制系统

一、开环控制与闭环控制的概念（－）开环控制与开环控制系统（定义、优缺点）实际应用的控制系统中，根据有无反馈作用，又可分为：输出量控制器被控对象参考输入c(t)r(t)开环控制系统输出量+控制器被控对象控制作用

反馈环节c(t)e(t)b(t)给定环节r(t)Openloopcontrolsystemppt课件

例如：直流电动机转速开环控制系统

给定电压ug经放大后产生电枢电压ua，当电动机励磁电压恒定时，改变ua可得到不同的转速n。n与ua具有一一对应的关系。例如当u=ua1时，n=n1；该系统的信号通路不闭合，所以是开环系统。当有扰动引起转速变化时，无法克服扰动造成的影响，因此ua与n之间的对应关系是不准确的。要进行补偿就必须借助人工改变输入电压ua。ug电位器电动机负载功率放大器uan-----uappt课件（二）闭环控制与闭环控制系统

闭环控制系统方框图

凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用具有直接影响的系统称为闭环控制系统。如下图所示。偏差量输出量+控制器控制量被控对象输入量

测量元件反馈量Closedloopcontrolsystemppt课件

将检测得到的输出量回送到系统输入端，并与输入量进行比较，构成信号的反馈。输入信号与反馈信号之差即为偏差信号，该偏差信号作用于控制器，使系统的输出量趋于给定的数值，这就是闭环控制，也称为反馈控制，其实质就是利用负反馈来减少或消除系统的偏差。偏差量输出量测量元件+控制器控制量被控对象输入量反馈量ppt课件

反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控制量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部扰动及外部扰动的影响，从而达到自动控制的目的。本课程所指的自动控制系统即指反馈（闭环）控制系统，而实际中应用最多的是负反馈控制系统。偏差量输出量测量元件+控制器控制量被控对象输入量反馈量ppt课件

在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是信息反馈过程。例：司机驾驶汽车过程。希望车速c(t)大脑偏差脚、油门踏板

汽车实际车速r(t)眼睛、转速表b(t)e(t)ppt课件例：直流电机转速闭环控制系统。在直流电动机转速开环控制系统中引入测速发电机，构成一个直流电动机转速闭环控制系统，如图所示。ug电位器电动机负载功放uappt课件仍以上图为例。

闭环控制过程：1、输出量高于给定值→检测出偏差→控制运算→执行→减少输出量→输出量趋于给定值；2、输出量低于给定值→检测出偏差→控制运算→执行→增加输出量→输出量趋于给定值。ppt课件测速发电机ppt课件优点：闭环控制系统具有较高的控制精度；不论何种原因引起被控制量的变化，都将进行自动调节，以消除和减小偏差。

缺点：使用元件较多，线路比较复杂；系统要工作就必须有偏差存在，这是由于闭环系统是以偏差作为控制因素来消除偏差的，因此这类系统的精度也是有限的（虽然比开环系统的精度高出许多）；闭环系统不易稳定工作；精度与稳定性是一对矛盾。ppt课件（三）开环控制系统与闭环控制系统的比较

闭环控制系统的优点是采用了负反馈，因此对系统外部扰动和内部参数的变化（内扰动）引起的偏差能自动进行调整。可以采用精度不太高、成本比较低的元件来组成一个精确度较高的控制系统。

开环系统没有反馈，故没有自动消除偏差的能力，外部扰动和系统内部参数的变化都将引起系统精度的降低。

从稳定性的角度看，开环系统结构简单，系统总能稳定地工作。而闭环系统的稳定性始终是一个重要问题，如果参数选择不当，将使系统不稳定（发生振荡或发散），失去对被控量的控制。ppt课件

采用开环控制和闭环控制的原则：

如果系统的输入量预先知道，并且不存在外部扰动，采用开环控制，如果存在无法预计的扰动，或系统中元器件参数不稳定，则采用闭环控制。

当对整个系统的性能要求较高时，为了解决闭环控制精度和稳定性之间的矛盾，往往将开环系统和闭环系统的功能结合在一起，即采用复合控制系统。ppt课件二、自动控制系统举例例1：恒温箱控制系统

Tt~220Vu2恒温箱自动控制系统原理图ppt课件二、自动控制系统举例例1：恒温箱控制系统

Ttu2ppt课件例2：机床工作台位置控制系统

yiuvruivciQyucufppt课件第四节自动控制系统的分类

从信号传送的结构特点可将控制系统可分为开环控制系统与闭环控制系统（已讲述）。按照其他分类原则还可分为：（一）线性控制系统和非线性控制系统

线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。

（所谓齐次性是指当输入信号为原输入信号的k倍时，系统的输出响应也为原输出响应的k倍。）

本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统）。Linearconstantsystemppt课件

非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。

严格地说，实际上不存在线性系统，这是因为各种实际的物理系统总是具有不同程度的非线性，但只要非线性不严重，在一定范围内能用线性系统的理论和方法处理的系统都可视为线性系统。ppt课件（二）恒值控制系统和随动系统

恒值控制系统又称为自动调整系统、定值调节系统或自动镇定系统。

特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。例如：控制水箱液面高度为恒定值的系统。Constantcontrolsystemandservocontrolsystemppt课件液面自动控制系统ppt课件随动系统又称为伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。

例子见下页。ppt课件例：工作台位置控制系统。

该系统由指令电位器、反馈电位器、放大器、伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝杠及工作台组成，其功用是控制工作台位置按指令电位器给出的规律变化。ppt课件（三）连续控制系统与离散控制系统

连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。

离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。

下图为计算机控制系统框图，这是一种常见的离散控制系统。计算机控制系统框图计算机D/AA/D被控对象放大器检测元件+r(t)c(t)ppt课件除了以上几种形式外，还有以下几种分类在这里顺便讲一下。

（四）单输入-单输出系统与多输入-多输出系统

（五）确定系统与不确定系统

若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。

系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。

单输入-单输出系统的输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统。

多输入-多输出系统的输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统。ppt课件（六）集中(总)参数系统和分布参数系统

能用常微分方程描述的系统称为集中(总)参数系统。

不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。

本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述。ppt课件第五节对控制系统性能的要求和本课程的任务

对控制系统性能的要求

评价一个控制系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依其使用目的的不同，对各项性能指标的要求不同。但对控制系统的基本要求一般可归纳为以下几个方面（性能评价指标）：ppt课件一、稳定性

输出量对给定的输入量的偏离应该随着时间增长逐渐趋近于零，这样的系统是稳定系统。稳定性要求是控制系统正常工作的首要条件，且是最重要的条件。实际控制系统在进行设计时均留有一定的稳定裕度，系统工作时参数可能发生变化时，如果未留稳定裕度或裕度值不够时，会导致系统失稳，不稳定的系统是不能工作的。ppt课件二、响应速度——响应的快速性

控制系统不仅要稳定，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，这对某些系统来说，是一个十分重要的性能指标。快速性指当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。ppt课件对分析和研究控制系统时，对衡量其快速性及稳定性常用下面的方法：1、在阶跃信号作用下，系统跟随的瞬态响应时间ts（ts称为过渡过程时间或调整时间）来衡量,ts越小说明系统从一个稳态过渡到另一个稳态所需要的时间越短，反之，则越长。2、用在过渡过程中，出现的情况时的超调量Mp来衡量，Mp小，则说明系统的过渡过程进行得越平稳。(输出量对给定的输入量偏差D→0，D为给定微量2%或5%，工程实际允许值)。ppt课件ts2%(5%)c(t)c(∞)=0.5c(∞)=1cmaxtdtrtp二阶系统的单位阶跃响应ppt课件三、稳态精度——响应的准确性

是指在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，它又称为静态精度，它也是衡量系统工作性能的重要指标。对控制系统的基本要求可以用三个字来表示：

“稳、快、准”

本课程所要讲解的内容都是围绕“稳、快、准”这三项要求来进行的。ppt课件

本课程的任务

不同的控制系统，由于其控制要求不同，对于稳定性、响应速度以及稳态精度的要求也是不相同的。如随动系统对响应