机械控制工程资料-第一章 控制系统导论课件

自动控制原理AutomaticControlTheory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：E-mail:办公室：信电楼B2242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4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6

4．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１.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

7第一章

控制系统导论1-1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控制系统的计算机辅助设计81.1自动控制的基本原理◆

被控对象：控制系统要进行控制的受控客体，如冰箱，空调，电机等。◆

被控量：控制对象要实现的物理量，如冰箱的温度；空调的温度、风向、风速；电机的转速应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。1.自动控制技术及其应用

9112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开环控制系统

Open-loopControlSystem◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统◆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。控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统方块图（按输入量控制方式）（被控量）13功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统（开环）14+-+ugudoMiuinR放大

器负载前馈控制(更复杂一点的开环控制)按扰动量控制的速度控制系统原理图（注意：电流前馈，而系统输出n并没有反馈回来，故依然开环）15闭环（反馈）控制系统

Closed-loopControlSystem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电动机速度控制系统+++++电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG电动机速度闭环控制系统20

反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也普遍存在着反馈控制系统。反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象21闭环控制系统框图输入量控制器被控对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量电动机期望转速实际转速加热器实际温度期望温度22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（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。

25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304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，并利用它创造了许多装置。如2000年前，罗马人：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）：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运仪象台。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。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（《论运动稳定性的一般问题》），1895年赫尔维茨1787年，JamesWatt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。32从1980－现在，智能控制理论。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》是控制科学的里程碑。《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1960－1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。33古典（经典）控制理论自动控制原理（理论）（1787——1960）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。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（1960——1980）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RQRWΔuLtur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θ0θc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：60～70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：70～80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