控制工程基础第一章绪论ppt课件

现代教育学家认为：在教学过程中，占中心地位的 应该是“学”而不是教，主张在教师指导下，由学生自己 去“发现”规律、自己去“研究”问题。教师的主要任务在 于启发而不在于讲解，教方法、教思路比一般地教知识、教内容更重要。学生的主要任务在于思考，而不是单纯的记忆，强调理解比单纯记忆更重要。 可以预言，未来的“文盲”将不再是目不识丁的人， 而是一些没有学会学习方法、不会自己钻研问题和没有 预见能力、分析能力的人。,控制工程基础,学习是基础，思考是关键，实践是根本。,第一章：绪论,控制科学与工程是一门研究自动控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。它是20世纪最重要的科学理论和成就之一。,在机器系统、生命系统甚至社会与经济系统中，都存在一个共同的本质的特点：它们都通过信息的传递、变换、处理与交换（反馈）来进行控制的。,控制工程是一门方法论学科，交叉学科。,1.1系统的基本概念,系统的概念 什么是系统(system)？广义地说，系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。 在工程领域，系统可以是电的、机械的、液压的、气动的、热的、生物医学的，或者这些系统的某种组合。 对于实际工程应用来说，系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出。通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等等。,一 系统要素：物质、能量和信息,从信息论的观点出发，任何系统的组成都包括物质、能量、信息三个要素。物质构成系统的形体，系统的运动离不开能量，而信息则是系统的灵魂，因为信息反映了系统运动的状态和特征。,物质,构成系统 的形体,系统的运动 离不开能量,信息则是 系统的灵魂,能量,信息,系统构成三要素,二 信息的概念与信号,控制工程就是从信息的角度，研究不同物理本质 的控制系统所具有的共同的控制规律的学科。,信息既 不是物质 也不具有 能量,信息是 事物客观 存在或 运动状态 的特征,信息寓于 信号之中 信号是 传输信息 的载体,信号是 含有能量 的物质， 具有 可观测性,工程领域 中使用的 物理变量 就是信号,信息的概念与信号（Information/ Signal）,三 输入（激励）和输出（响应）,动态系统,输入,输出,任何一组存在某种因果关系的物理元件的集合,效果将叫做响应或输出,原因将称为激励或输入,通常将施加于系统的作用称为系统的输入（激励）；而将要求系统完成的功能称为系统的输出（响应）。,四 动态系统和动态响应,阶跃输入响应与时间常数,电 容 充 电 动 态 过 程,五 控制和控制系统,控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。所谓自动控制，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、输出)自动地按照预定的规律运行。,无论何种类型的控制系统都由三个基本部分组成,Control/Manipulate/Regulate/Constraint,1.2 控制系统的组成和工作原理,控制器,执行器,受控对象,检测器,输入,输出,反馈信号,干扰信号,能量流 物质流 信息流,控制规律,偏差信号,控制器：现代控制系统一般采用计算机，完成比较、放大、变换等信号处理工作；输出控制规律；比较器就是最简单的控制器。执行器和受控对象合称受控系统，它一般是一个能量传动系统，一个动态系统。,现代控制系统的基本组成,一 控制系统的基本组成,(6)被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量就是被控制量,(1)给定环节：根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号,(2)反馈环节：对系统的实际输出量进行测量，将它转换成反馈信号并使反馈信号成为与给定输入信号同类型、同数量级的物理量,(3)比较器：将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号,(4)控制器：根据输入的偏差信号，按一定的控制规律，产生相应的控制信号,(5)执行环节：用控制信号控制传动功率的转移过程，直接推动被控对象，使被控制量发生变化,前向通道,反馈通道,二 控制系统的基本工作原理,基于负反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的控制原理称为反馈控制或闭环控制原理。,控制的目的？输入是什么？ 受控对象是谁？ 输出？描述对象特征的某个物理量 输出如何检测？,例1 汽车的控制,大脑,脚踏油门,汽车,车速表,期望车速,实际车速,反馈信号,偏差,汽车的恒速控制,驱动系,能量流,道路坡度等的影响,大脑,方向盘,汽车,眼睛,期望轨线,实际轨线,反馈信号,偏差,汽车的路线控制,转向系,能量流,横风等的影响,自动控制装置示例,1、蒸汽机转速控制装置,自动控制装置示例,三 控制过程的物理本质,从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及控制能量（物质、信息）转移的过程。,控制过程 的 物理本质,控制器,执行器,受控对象,检测器,输入,输出,反馈信号,干扰信号,能量流 物质流 信息流,控制 规律,偏差信号,四 控制的核心问题:最优控制,提高信息处理能力，以最短的时间和（或）最小的代价，实现系统按预定的规律进行能量转移，这就是控制系统设计所要解决的中心问题。不论控制理论如何发展，最优控制始终是控制的核心问题。,基本控制策略,开环控制,闭环控制,复合控制,系统的输出量对控制作用没有 影响的控制方式。,能对输出量与参考输入量进行 比较，并且将它们的偏差作为 控制手段，以保持两者之间预 定关系的控制方式。,开环控制与闭环控制策略,开环控制示例,Inaccurate,Can not yield high performances,Direct feed forward,闭环控制示例,High accuracy,Can yield high performances,Feedback,Possible of instability,Sophisticated,1.3 控制系统的基本类型,恒值控制系统,伺服控制系统,过程（程序） 控制系统,输入为常值；主要研究 扰动对系统输出的影响。,输入为未知的时间函数; 输出为位移、速度或 加速度等机械量。,输入为已知的时间函数； 按已知程序进行控制。,伺服控制实例采用电压比较的电动工作台位置控制系统,控制框图,指令 电位器,反馈 电位器,电放大 Ka,E,Ui,E,-,电压 比较,UP,Ka,工作台,电机,连续控制系统,离散控制系统,控制系统中各部分的信号 均为时间的连续函数；,控制系统中至少有一处信号 为时间的离散函数；,1.3 控制系统的基本类型,1.3 控制系统的基本类型,线性控制系统,非线性控制系统,组成系统的各元件具有线性特性； 具有齐次性； 满足叠加原理。,组成系统的各元件有一个或一个 以上具有非线性特性； 不满足叠加原理。,1.3 控制系统的基本类型,时变控制系统,定常控制系统,控制系统的参数随时间而变化,控制系统的参数不随时间而变化,本课程所涉及主要是线性定常（LTI)控制系统,1.4 对控制系统的基本要求,自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。例如，对恒值控制系统是研究扰动作用引起被控量变化的全过程，对随动系统是研究被控量如何克服扰动影响并跟随参量的变化过程。但是，对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳定性(Stability) 、快速性(Rapidity) 、准确性(Accuracy)和鲁棒性(Robustness)，即稳、准、快、健的要求。,一 瞬态响应和稳态响应,控制系统,系统中有蓄能元件，蓄能元件之间有能 量交换；从信息角度看，系统中存在信 息交换。简言之，由于系统总有惯性， 系统的输出不可能立即跟上输入，输出 要跟上突变的输入需要一定的时间。,动态系统出 现动态过程 的原因,系统从一个稳定工作状态到达另一个稳定工作状态的过 程，或受扰动后，重新恢复原来稳定工作状态的过程。,瞬态响应,二 对控制系统的基本要求,系统 稳定性,响应 快速性,控制 准确性,输出量对给定的输入量的偏离随着时间增长逐渐趋近于零的性质。,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。,瞬态响应结束后，输出量与给定的输入量的误差的大小，描述控制精度。,控制 鲁棒性,鲁棒性是指系统特性抵抗系统内外各种扰动影响的能力。如抗结构参数不确定的能力。,1.5 课程基本内容介绍,控制理论是研究各种控制系统共同存在的控制规律的一门技术科学，它是一门方法论学科、交叉学科。,控制和控制系统的一般概念,系统数学模型及其建模方法,系统性能分析和分析方法,系统综合与校正,课 程 基 本 内 容,基本概念,基本原理,基本方法,基本计算,分析方法和分析内容,分析内容,分析方法,控制理论与控制工程,控制理论是研究各种控制系统共同存在的控制规律的一门技术科学，它是一门方法论学科、交叉学科。 自动控制理论发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题。 20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。,发展历史,1788年，第一个控制系统飞球调节器。不稳定；缺乏严密理论计算。,1868年，第一篇研究论文论调节器。提出了“反馈控制”的概念。,1884年，线性控制系统的稳定性判据Routh判据。,1893年，李亚普诺夫稳定性判据提出，不再局限于线性系统。,1932年，Nyquist提出线性定常系统稳定性的频域分析法和稳定性判据。,1934年，第一部著作Theory of Servo-Mechanisms出版。（美Hazen),1940s中期，Bode图、负反馈控制、随动系统等提出，并成功用于军事。,1947年，Norbert Wiener 控制论(Cybernetics)发表，初步形成自动控制理论体系，并推动第二次工业革命发展。,1948年，Evans提出了根轨迹法，形成了经典控制理论的完整体系。,1954年，钱学森发表工程控制论，推动了控制论的工程应用。,1960s，核能技术和航天技术等对控制系统提出了高速度、高精度等要求，暴露经典控制理论的局限性。Kalman提出状态空间分析法、Pontryagin提出极大值原理、Bellman提出动态规划法构成现代控制理论的基本内容。,控制工程研究的对象与任务,控制工程是以研究各种控制系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。它的主要任务是系统分析和综合。,系统分析,系统综合,在系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性