第1章 控制系统的基本概念.pdf

1 2011年11月18日星期五1 张家港校区张家港校区 控制工程基础控制工程基础 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院 袁明新袁明新 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五2 张家港校区张家港校区 联系方式 联系方式 手机 手机办公室 机械楼办公室 机械楼207室室 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五3 张家港校区张家港校区 约法三章 约法三章 1 课堂纪律 课堂纪律 2 缺课 请假 缺课 请假 3 课后作业 课后作业 4 考试 考试 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五4 张家港校区张家港校区 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五5 张家港校区张家港校区 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 1 1 控制系统的工作原理控制系统的工作原理 1 1 1 工程案例 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五6 张家港校区张家港校区 被世界公认的较早自动控制系统是1788年瓦特发明的离心 调速器 离心 调速器 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 实际工程案例 实际工程案例 吊扇 可调台灯 骑自行车 乘电梯等等 2 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五7 张家港校区张家港校区 人工控制的恒温箱 加热电阻丝 220V 调压器 温度计 1 1 2 工作原理 恒温箱控制系统 1 手工控制恒温箱系统 大脑手调压器恒温箱 眼睛 实际 温度 期望 温度 温度计 大脑手调压器恒温箱 眼睛 实际 温度 期望 温度 温度计 功能框图功能框图 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五8 张家港校区张家港校区 恒温箱自动控制系统 加热电阻丝 220V 调压器热电偶 给定信号 比较 电压 放大器 功率 放大器 执行 电动机 减速器 u2 u1 u 电位计 2 自动控制恒温箱系统 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五9 张家港校区张家港校区 给定 信号 电压 功率 放大器 控制 电机 减 速 器 调 压 器 恒温箱 控制 对象 热电偶 u1 u2 u uanvu 温度t 被控量 扰动 恒温箱自动控制系统功能框图 功能框图功能框图 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五10 张家港校区张家港校区 总结 总结 给定量位于系统的输入端 称为系统输入量系统输入量 也称为参 考输入量 信号 被控制量位于系统的输出端 称为系统输出量系统输出量 输出量 全部或一部分 通过测量装置返回系统的输入 端 使之与输入量进行比较 产生偏差偏差 给定信号与返回的 输出信号之差 信号信号 输出量的返回过程称为反馈反馈 返回的全部或部分输出信 号称为反馈信号反馈信号 控制的实质 控制的实质 检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五11 张家港校区张家港校区 1 2 控制系统的分类控制系统的分类 1 2 1 按有无反馈作用划分 1 开环控制系统 特点 特点 系统仅受输入量和扰动量控制 输出端和输入端 之间不存在反馈回路 输出量在整个控制过程中 对系统的控制不产生任何影响 系统框图 系统框图 系统输入 控制器被控对象 系统输出系统输入 控制器被控对象 系统输出 开环控制系统框图 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五12 张家港校区张家港校区 电子门铃开环控制系统 工程实例 工程实例 电子门铃 电灯开关 楼道自动声控灯 水泵抽 水 足球射门 优点 优点 简单 稳定 可靠 若组成系统的元件特性和参数 值比较稳定 且外界干扰较小 开环控制能够保持 一定的精度 缺点 缺点 精度通常较低 无自动纠偏能力 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 3 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五13 张家港校区张家港校区 2 闭环控制系统 特点 特点 输出端和输入端之间存在反馈回路 输出量对控制 过程有直接影响 闭环的作用 闭环的作用 应用反馈 减少偏差 控制器执行器被控对象 被控量 输出量 给定量 输入量 检测装置 控制量 比较器 系统框图 系统框图 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五14 张家港校区张家港校区 优点 优点 精度高 对外部扰动和系统参数变化不敏感 缺点 缺点 存在稳定 振荡 超调等问题 系统性能分析和 设计麻烦 工程实例 工程实例 抽水马桶水箱的自动控制系统 电动机转速 控制系统 导弹飞行运动控制系统 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五15 张家港校区张家港校区 3 半闭环控制系统 特点特点 控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引 出 而是间接地取自中间的测量元件 比开环系 统的控制精度高 比闭环系统的控制精度低 工程实例 工程实例 机械手的绘图 数控机床的进给伺服系统 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五16 张家港校区张家港校区 1 2 2 按输入量的特征划分 1 恒值控制系统恒值控制系统 系统输入量为恒定值 控制任务是保证在任何扰 动作用下系统的输出量为恒值 如如 恒温箱控制 机床的位置控制 电网电压 频率控制等 2 程序控制系统程序控制系统 输入量的变化规律预先确知 输入装置根据输 入的变化规律 发出控制指令 使被控对象按照指令程序的要求而 运动 如如 数控加工系统 计算机绘图仪 3 随动系统 伺服系统 随动系统 伺服系统 输入量的变化规律不能预先确知 其 控制要求是输出量迅速 平稳地跟随输入量的变化 并能排除各种 干扰因素的影响 准确地复现输入信号的变化规律 如 仿形加工机床 火炮自动瞄准系统等 仿形加工机床仿形加工机床 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五17 张家港校区张家港校区 1 2 3按系统中传递信号的性质划分 1 连续控制系统连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的 信号 连续控制系统通常采用微分方程描述 2 离散 数字 控制系统离散 数字 控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序 列或数字量传递的系统 离散控制系统通常采用差分方程描述 1 2 4 按系统中使用的能源划分 机械 电气 机电 液压 气动 热力等控制系统 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五18 张家港校区张家港校区 1 3 控制系统的组成 闭环控制系统控制系统的组成 闭环控制系统 给定 元件 串联校正 元件 放大变换 元件 执行 元件 控制 对象 并联校正 元件 局部 反馈 反馈元件 主反馈 控制部分 比较 元件 比较 元件 输入信号 xi 偏差信号 e 主反馈信号xb 扰动信号 输出xo 闭环控制系统的组成 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 4 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五19 张家港校区张家港校区 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 给定 元件 串联校正 元件 放大变换 元件 执行 元件 控制 对象 并联校正 元件 局部 反馈 反馈元件 主反馈 控制部分 比较 元件 比较 元件 输入信号 xi 偏差信号 e 主反馈信号xb 扰动信号 输出xo 给定 元件 串联校正 元件 放大变换 元件 执行 元件 控制 对象 并联校正 元件 局部 反馈 反馈元件 主反馈 控制部分 比较 元件 比较 元件 输入信号 xi 偏差信号 e 主反馈信号xb 扰动信号 输出xo 1 给定元件 给定元件 产生给定信号或输入信号 2 反馈元件 反馈元件 测量被控制量 输出量 产生反馈信号 为便于传输 反馈信号通常为电信号 3 比较元件 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较 产生偏差 信号 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五20 张家港校区张家港校区 6 校正元件 校正元件 用以改善系统控制质量的装置 校正元件分为串联和并联两种 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 给定 元件 串联校正 元件 放大变换 元件 执行 元件 控制 对象 并联校正 元件 局部 反馈 反馈元件 主反馈 控制部分 比较 元件 比较 元件 输入信号 xi 偏差信号 e 主反馈信号xb 扰动信号 输出xo 给定 元件 串联校正 元件 放大变换 元件 执行 元件 控制 对象 并联校正 元件 局部 反馈 反馈元件 主反馈 控制部分 比较 元件 比较 元件 输入信号 xi 偏差信号 e 主反馈信号xb 扰动信号 输出xo 4 放大元件 放大元件 对偏差信号进行放大 使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能 5 执行元件 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件 如电动 机 液压马达等 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五21 张家港校区张家港校区 1 r t t 0 1 r t t 0 c t 1 4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 1 稳定性稳定性 指系统动态过程的振荡倾向及其恢复 平衡状态的能力 指系统动态过程的振荡倾向及其恢复 平衡状态的能力 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五22 张家港校区张家港校区 r t t 0 1 c t ess 2 精确性精确性 控制精度 一般以静态误差来衡量 控制精度 一般以静态误差来衡量 精确性由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小 表征 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五23 张家港校区张家港校区 r t t 0 1 c1 t c2 t 3 快速性快速性 指当系统的输出量与输入量之间产生 偏差时 消除这种偏差的快慢程度 快速性表明了系 统输出对输入响应的快慢程度 指当系统的输出量与输入量之间产生 偏差时 消除这种偏差的快慢程度 快速性表明了系 统输出对输入响应的快慢程度 一 控制系统的基本概念一 控制系统的基本概念 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五24 张家港校区张家港校区 1 5 控制系统的发展状况 一 控制系统的基本概念 控制系统的发展状况 一 控制系统的基本概念 5 机电与汽车工程学院机电与汽车工程学院2011年11月18日星期五25 张家港校区张家港校区 模糊控制洗衣机 一 控制系统的基本概念 模糊控制洗衣机 一 控制系统的基本概念 影响洗涤效果的主要因素影响洗涤效果的主要因素 衣服的种类 棉纤维和化纤 水的温度 洗涤剂 和机械力 三洋洗衣机 三洋洗衣机 Neuro FuzzyLG洗衣机 洗衣机 Chaos Fuzzy 模糊洗衣机中具有检测各种状态的传感器 负载量传感器负载量传感器 主要用于检测洗涤衣服的多少 水位传感器水位传感器 确定水位的高低和衣服吸水能力的大小 水温传感器水温传感器 确定水温度的高低 布质传感器布质传感器 测定所洗衣物属于棉纤类还是化纤类 洗涤粉传感器洗涤粉传感器 测定洗涤粉的种类 原理 原理 根据各种传感器中得到的信号 进行模糊化