控制工程基础1章

控制工程基础教材：董景新<控制工程根底>参考：胡寿松<自动控制原理>绪芳胜彦<现代控制工程>MATLAB在控制系统分析与设计中的运用类的书籍1

第一章绪论

一、概述

1、自动控制与自动控制系统自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，使消费过程或被控对象的某些物理量准确地按照预期的规律变化，使其具有希望的形状和功能。自动控制系统：可以实现自动控制义务的系统。22、自动控制规律恒值调理：系统的输入量为一恒值，或者随时间缓慢地变化，要求系统的输出量坚持为希望的恒定值。例如：稳压电源，恒温系统。随动系统：又称伺服跟踪系统。系统的输入量随时间恣意变化，系统的根本义务是控制输出量以要求的精度及时平稳地复现输入量。如转速调理，位置随动等程序控制：系统的输入量按既定规律变化，系统的控制过程按照预定的程序进展。如消费线的消费过程。33、经典控制实际及经典控制实际控制实际分为经典控制实际和现代控制实际。经典控制实际：以传送函数为根底，研讨单输入单输出的线性延续系统的分析和设计问题。现代控制实际：以形状空间法为根底，研讨多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最正确滤波、系统辩识、自顺应控制等实际都是这一领域的主要研讨课题。其根底是计算机技术和现代运用数学。4

经典控制可以利用硬件电路实现，也可以用计算机来实现，但现代控制是无论如何离不开计算机的。自动控制实际的开展：它的开展初期，是以反响实际为根底的自动调理原理，并主要用于工业控制。如二战时期的飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等。60年代开场向以控制论、信息论和仿生学为根底的智能控制实际开展。54、本课程的主要内容及学习方法本课程主要讲述以机械设备和机械制造过程为对象的经典控制实际。包括：1〕控制系统分析：对知的系统的静态和动态性能〔普通概括为稳定性、快速性和准确性〕进展分析，看它们能否满足要求，并提出改良措施。2〕控制系统设计：根据所要求的系统性能目的来设计控制系统。也称控制系统的综合。67二、控制实际在机械制造中的运用

1、研讨机械工程技术中广义系统的动力学问题分析问题：系统已定，输入知，求系统的输出最优控制：系统知，确定输入，使系统尽能够符合给定的最正确要求最优设计：输入知，确定系统，使输出尽能够符合给定的最正确要求滤波与预测：输出知，确定系统，以识别输入或输入输出中的有关信息系统辩识：输入输出均知，求出系统的结论和参数-数学模型8三、自动控制系统的根本概念1、名词解释对象：是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一同，其作用是完成一个特定的动作。如加热炉，调速器等。过程：一种自然的逐渐进展的运转或开展，其特征是，有一系列逐渐的变化以相对固定的方式相继发生在运转或开展形状中，并且最后导致一个特定的结果或形状。简单地称任何被控制的运转形状为过程。如化学过程，经济学过程和生物学过程。系统：系统是一些部件的组合，它们组合在一同完成一定的义务。系统不限于物理系统。如包含了物理学，生物学和经济学等景象的系统。9

扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的信号。假设扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统外部，称为外扰。外扰是系统的输入量。反响控制：反响控制是这样一种控制过程，它可以在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量之间的偏向，而且其任务原理也正是基于这一偏向根底之上的。反响控制系统：反响控制系统是一种能对输出量与参考输入量进展比较，并力图坚持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与参考输入量的偏向进展控制。102、自动控制系统任务原理

(反响控制是自动控制的最根本方式〕113、开环控制与闭环控制

1〕开环控制系统：系统的输出量对系统控制造用没有影响。例如洗衣机，浸湿、洗涤、漂洗和甩干，在洗衣机中是依次完成的。采用时基信号的交通讯号灯，那么是另一个例子。2〕闭环控制：凡是系统输出信号对控制造用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。例如：热力系统的人工〔或自动〕反响控制，一切的随动系统，大多数的程序控制系统，室内冷藏设备，自动热水器。12

控制器被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)k

udn~ug例：直流电动机调速系统

开环系统13优点：构造简单、维护容易、本钱低、不存在稳定性问题。缺陷：对元器件要求较高、抗干扰才干差。适用范围：输入量知、控制精度要求不高、扰动作用不大。14

反映了控制量与被控制量相互间的矛盾，动静性能得到提高。闭环系统：负反响：构成按偏向调理的闭环系统控制器被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)丈量元件偏向e(t)＋－15这是一个手动控制的电加热炉的表示图。从图中可以看出，控制的过程主要有三个部分：一是丈量炉温，用眼察看温度计，将读数送到大脑；二是在大脑中将读数与给定温度〔7000C〕比较，并根据比较的结果指挥手臂的动作；三是添加或减小加热电阻丝两端的电压，以使炉温尽能够接近给定值。16任务过程－－从受控对象〔电加热炉〕获取输出量〔实践炉温〕，并回送到输入端〔即反响〕，与输入量〔给定炉温〕进展比较产生偏向信号〔温度差〕，利用偏向信号经过控制器〔手臂〕产生控制量〔电阻丝两端的电压〕，从而跟踪输入量，减小跟踪误差。1718

ugkudn~ub例：直流电动机调速系统按偏向调理：n↑→ub↑→(ug-ub)↓→ud↓→n↓控制量：ud=K(ug-ub)偏向信号：ug-ub19

3〕、开环与闭环系统比较 优点缺点开环控制简单，没有振荡抗干扰能力差闭环控制对外部扰动和内部参数变化不敏感系统复杂，会有振荡、不稳定问题204、反响控制系统的根本组成21

给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。反响元件：它丈量被调理量或输出量，产生主反响信号，该信号与输出量存在固定的函数关系。比较元件：用来比较输入信号与反响信号之间的偏向。放大元件：对偏向信号进展放大。执行元件：直接对控制对象进展操作的元件。如执行电机。控制对象：控制系统所要支配的元件。如机床，任务台。校正元件：用于稳定控制系统，提高性能。22开环控制闭环控制(反响控制)复合控制按控制方式分5、自动控制系统的根本类型23按元件类型分机械系统电气系统机电系统——全自动照相机，光机电结合液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统24按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统25线性系统非线性系统延续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统26恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分276、对控制系统的根本要求可以归结为：稳定性〔长期稳定性〕准确性〔精度〕快速性〔相对稳定性〕稳准快281〕稳定性：稳定性是保证控制系统正常任务的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控制量偏离期望值的初始偏向应随时间的增长逐渐减小或趋于零。不稳定的系统无法实现预定的控制义务。只需闭环系统才有稳定性问题。这是根本要求。2〕快速性：指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏向时，消除这种偏向的快速程度。普通称为动态性能。如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目的，但假设目的变动迅速，而炮身行动缓慢，依然抓不住目的。3〕准确性：调整过程终了后输出量与给定的输入量之间的偏向，称为稳态偏向。普通用静态性能目的来描画。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。297、典型输入信号阶