控制工程绪论1

第一章绪论1.1自动控制系统简介1.2自动控制系统分类1.3自动控制理论的发展简史1.4工程控制问题的基本要求0.1控制的含义控制（CONTROL）----某个主体使某个客体按照一定的目的动作主体---人：人工控制；机器：自动控制客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。物体--飞船，电炉。（飞船控制）装置--锅炉，汽机。（锅炉控制）过程--燃烧，传动。（燃烧控制）系统--电力，化工，冶金。（电力控制）0.1人工控制与自动控制煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制自行车速度控制汽车驾驶收音机音量调节电饭煲空调抽水马桶汽轮机转速控制导弹飞行控制声控光控路灯1.1自动控制系统简介1、自动控制、系统、自动控制系统自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。分析决策执行工作对象实际结果观察观察干扰预期目标人工控制图比较、计算执行被控对象被控量测量测量干扰给定值自动控制方框图Watt’sflyballgovernor炉温控制系统机械转速、位置的控制工业过程中温度、压力、流量的控制远洋巨轮航行控制深水潜艇的控制飞机自动驾驶神舟飞船的返回控制“勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制等等总之，自动控制技术的应用几乎无所不在。2、自动控制的应用领域自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学，而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。解决的基本问题：建立系统的数学模型（建模）分析控制系统的性能（分析）控制系统的综合与校正——控制器设计（综合）3、自动控制原理及其要解决的基本问题4、自动控制原理研究的主要内容经典控制理论现代控制理论研究对象单输入、单输出系统（SISO）多输入、多输出系统（MIMO）数学模型传递函数状态方程研究手段频域法、根轨迹法状态空间方法研究目的系统综合、校正最优控制、系统辨识、最佳估计、自适应控制炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图控制系统的功能框图指令输入参考输入元件控制器执行元件测量元件控制对象扰动信号被控变量ecyr-+输出信号控制系统功能框图6、控制系统的组成被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象。控制器：对控制对象产生控制作用的装置称为控制器，有时也称为控制元件、调节器等。执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件。测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。8、控制系统中常用的信号和变量输入信号：由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制。输出信号：由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变量控制变量：控制器的输出信号称为控制变量，它作用在控制对象（执行元件、功率放大器）上，影响和改变被控变量（放大器（控制器）的输出信号）。被控变量：在控制系统中被控制的物理量是被控变量。（空气温度）反馈信号：是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号，一般与被控变量成正比（热敏电阻即温度传感器的输出信号）。给定值：又称为指令输入信号，它与被控变量是同一物理单位，用来表示被控变量的设定值（室内温度的设定值）。参考输入信号：代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基准信号称为参考输入信号（电位器的输出电压）。偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e=r-y）。扰动信号：是加于系统上的不希望的外来信号，它对被控变量产生不利的影响（周围环境温度的变化及房间散热条件的变化等）。1.2自动控制系统分类一．开环控制和闭环控制按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。图1-3开环控制系统控制器控制对象输入量控制量输出量控制器控制对象偏差量控制量输出量输入量反馈装置图1-4闭环控制系统1、开环控制系统控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响；结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；对扰动没有抑制能力。按给定值操纵的开环控制系统计算控制对象给定值（控制装置）被控量执行干扰按干扰补偿的开环控制系统计算控制对象测量被控量执行干扰(温度)输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱受控对象扰动量控制装置扰动输出量输入量控制装置受控对象•开环控制系统的方框图kudn~ug例：直流电动机调速系统2、闭环控制系统系统输出量对控制作用有直接影响；实现了按偏差控制；也称为反馈控制；闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装置）构成（如图1-4）；反馈控制：正反馈和负反馈；具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变坏；通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题按偏差调节的闭环控制系统比较、计算控制对象测量被控量执行干扰给定值－例：直流电动机调速系统ugkudn~ub按偏差调节：n↑→ub↑→(ug-ub)↓→ud↓→n↓控制量：ud=k(ug-ub)偏差信号：ug-ub3、闭环系统与开环系统的区别与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道；从功能上看，闭环系统具有如下特点：由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本；由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。开环控制闭环控制结构简单、成本低复杂、成本高精度精度低、对元器件要求高精度高、对元器件要求低稳定性通常不考虑必须考虑二、线性控制系统和非线性控制系统按照系统是否满足叠加原理，系统可分为线性系统和非线性系统两类。线性控制系统组成控制系统的元件都具有线性特性；输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、传递函数以及状态空间表达式来描述；线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理；如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线性定常系统；否则称为线性时变系统。非线性控制系统控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性；一般不具有齐次性，也不适用叠加原理；输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系；也有时变和定常系统之分；严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存在的。三、定值控制系统、伺服系统和程序控制系统按照输入信号分类，控制系统可分为定值控制系统、伺服系统和程序控制系统。定值控制系统（r(t)=const.）输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的数值不变室温控制系统、直流电机转速控制系统伺服系统（r(t)不可预测）输入信号是变化规律未知的任意时间函数；系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内；导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统；当被控量为位置或角度时，伺服系统又称为随动系统。程序控制系统（r(t)变化事先已知）输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变化；要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化，误差不超过规定值；热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿形控制系统。四、连续控制系统和离散控制系统连续控制系统：控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。离散控制系统：在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号。离散模型是计算机控制的最主要模型。思考题：指出下列方程分别表示哪类系统？2()2()8()()ytrtrtrt()2()()3()ytytyttrt()2()6()xkTTxkTukT1.3自动控制理论的发展简史1经典控制理论40~50年代形成SISO系统基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域)2现代控制理论60~70年代形成MIMO系统基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）3智能控制技术90年代开始发展专家系统——姑苏慕容模糊控制——醉拳神经网络预测控制4正在发展的各个领域自适应控制——独孤九剑大系统理论鲁棒控制——金钟罩铁布衫多率周期控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构）1.4工程控制问题的基本要求为实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求；对于一个闭环控制系统而言，当输入量和扰动量均不变时，系统输出量也恒定不变，这种状态称为平衡态或静态、稳态；当输入量或扰动量发生变化时，反馈量将与输入量产生偏差，通过控制器的作用，从而使输出量最终稳定，即达到一个新的平衡状态；由于系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成，即存在一个过渡过程，该过程也称为动态过程或暂态过程。根据系统稳态输出和暂态过程的特性，对闭环控制系统的基本要求可以归纳为三个方面：稳、快、准。1、稳：控制系统的稳定性与平稳性。稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力；控制系统必须具有稳定性（系统正常工作的必要条件）；稳定的控制系统必然存在过渡过程；稳定与否通常可以用曲线来描述（如下图所示）。①②Otr(t)c(t)平稳是指动态过程振荡的振幅和频率。即被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次数。好的动态过程摆动的幅度小，摆动的次数少。2、快：系统的快速性，即动态过程进行的时间长短。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。系统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越小，偏离时间越短，说明系统的动态精度越高。tc(t)r(t)O②①3、准：就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求的精度范围。准确性反映了系统的稳态精度通常控制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示：cr(t)——系统希望输出；c(t)——实际输出两者误差——e(t)=cr(t)-c(t)稳态误差——lim()ssteet根据输入点的不同，一般可以分为参考输入稳态误差和扰动输入稳态误差。稳态误差与系统的类型和输入信号有关。对于随动系统或其他有控制轨迹要求的系统，还应当考虑动态误差。应当注意，不同的系统对稳、快、准的要求应有所侧重。而对于同一系统，稳、快、准的要求是相互制约的。