控制工程1.ppt

控制工程基础多媒体辅助课件 第1章绪论 2第2章系统数学模型与传函 6第3章瞬态响应与误差分析 6习题课 2第4章频率特性分析 6第5章系统的稳定性 6习题课 2总复习 2 课堂授课时间分配 32学时 1 1机械控制工程的主要内容 1 2自动控制系统的概念 1 3控制理论在机械制造中的应用 第一章绪论 1 1机械控制工程的主要内容 机械控制工程是研究工程控制论应用于机械工程的一门技术科学 机械控制工程研究的对象是机械工程技术中广义系统的动力学问题 即本课程的主要内容概括为 运用工程控制论的基本原理 方法分析研究机电自动控制系统 控制理论即控制科学技术 源于机械自动调节与控制技术 它抓住了二战期间通信系统与控制系统的共同特点 形成了控制理论的中心思想 通过信息的传递 加工处理和反馈来进行控制 48年N 维纳发表 控制论 标志经典控制理论正式诞生 54年钱学森将控制理论推广到工程技术领域 首创了工程控制论 工程控制论主要研究自动控制系统中信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用 之后出现了生物控制论 社会控制论和经济控制论等 系统即由相互作用的各部分组成的具有一定功能的整体 它有输入 外界对系统的作用 输出 系统对外界的作用 典型的机电自动控制系统 电枢控制式直流电动机 作用于电枢两端的电压是一种输入 电动机的角速度是一种输出 分析研究的是系统及其输入 输出三者之间的动态关系 解决如下方面的问题 a 当系统已定 输入已知 求系统输出 响应 并通过输出来研究系统本身的有关问题 系统工作原理 静态动态特性等 称系统分析 b 当系统 输出已给定 要确定系统的输入 使输出尽可能符合给定的最佳要求 称系统的最优控制 c 当输入已知 输出也已给定 要确定系统 使输出尽可能符合给定的最佳要求 称系统的最优设计 d 当输入已知 输出也已给定 要求系统的结构与参数 建立系统数学模型 称系统辨识 自动控制定义 在没有人直接参与的情况下 利用控制装置 控制器 使被控对象的某一或某些物理量 被控量 自动地按照预定的规律运行 1 2自动控制系统的概念 例如 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定 水箱自动地控制液面的高度恒定等 自动控制源于人工控制 人工调节 例如 恒温箱的人工控制 控制器 被控对象 被控量 温度 1 观察 测量温度 2 与期望温度 给定量 比较 判断 得出偏差的大小和方向 3 根据偏差进行控制调节 以减少偏差 人工调节过程 测量 求偏差 控制以纠正偏差 若用一个控制器代替人的职能 就变成了自动控制 自动调节过程 同前 但无人参与 二者的比较 人工控制自动控制人眼 温度计测量装置 热电偶 人脑控制器 电路仪表 人手 调压器执行机构 电机 减速器 调压器 二者的共同特点 检测偏差用以纠正偏差 自动控制系统定义 能够对被控制对象工作状态进行自动控制的整体 包括被控对象和控制装置 被控制对象是指要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 控制装置则是指对被控对象起控制作用的设备总体 控制系统可以是只控制一个物理量的小系统 也可以是包括一个企业 机构全部过程的大系统 可以是一个具体的工程系统 也可以是抽象的社会系统 生态系统或经济系统等 自动控制系统可用方框图描述 表示 系统工作原理 检测被控量 输出量 将输出量与给定量 输入量 比较得到偏差 用偏差产生控制指令 调节作用 并通过执行机构去控制被控对象 进而消除或减少偏差 使输出量随输入量变化 偏差是通过反馈 将输出回送到输入 建立起来的 该原理称为反馈控制原理 反馈控制是实现自动控制的最基本方法 自动控制系统分类 按系统结构分为 1 开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程 输入 输出之间无反馈回路 其输出量不对系统的控制作用发生影响 例如 自动洗衣机 交通信号灯 其基本结构为 例如电机转速开环控制 特点 输出是否随输入变化系统不予以理会 由于外界干扰或内部变化 使输出偏离输入时 系统无法纠正 优点 结构简单 设计容易 缺点 精度低 易受环境变化的干扰 2 闭环控制 控制装置与被控对象之间既有顺向作用 又有反向联系的控制过程 输入 输出之间有反馈回路 其输出量对系统的控制作用产生影响 输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程称为反馈 反馈信号与输入信号相减而使偏差值越来越小 则称为负反馈 反之 为正反馈 其基本结构为 例如电机转速闭环控制 特点 输出是否随输入变化及时反映到系统 由于外界干扰或内部变化 使输出偏离输入时 系统可以纠正 优点 精度高 动态性能好 抗干扰能力强等 缺点 易引起振荡 不稳定 结构复杂 设计较难 典型反馈控制系统方框图 系统中各种功能不同的元件 给定元件 反馈元件 比较元件 放大元件 执行元件 校正元件 被控对象 有关名词术语 输入信号 输出信号 反馈信号 偏差信号 误差信号 扰动信号 系统中各种功能不同的元件 给定元件 用于产生输入量 如 电位计 反馈元件 用于测量输出量 如 热电偶 一般用电量测量非电量 比较元件 比较输入量与反馈量得到偏差 如 电压放大器输入端电路 放大元件 放大弱的信号以驱动执行器 如 电压放大器 功率放大器 执行元件 用于操作被控对象 如 电机 减速器 调压器 校正元件 用于改善系统性能 不是必需的 被控对象 运动规律或状态需要控制的装置 有关名词术语 输入信号 输入量 控制量 给定量 控制输出量变化规律的信号 人为的激励或输入信号 输出信号 输出量 被控量 被调节量 表征被控对象运动规律或状态的物理量 它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持确定的关系 反馈信号 输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号 偏差信号 输入信号与主反馈信号之差 误差信号 输出量实际值与希望值之差 希望值一般是输入量 扰动信号 偶然的无法加以人为控制的信号 它也是一种输入 但对输出会产生不利影响 分内扰与外扰 按照输入信号特点分为 1 恒值控制系统 输入量为一恒值 如 温度 压力 液位等参数的控制 调速 机床的位置控制等 任务是排除各种内外干扰因素的影响 维持输出量不变 2 程序控制系统 输入量不为恒值 但其变化规律预先可知 按预定程序变化 如 数控机床工作台的移动控制 3 随动控制系统 输入量变化规律预先不能确定 如 雷达自动跟踪系统 火炮自动瞄准系统 机床随动系统等 任务是排除各种内外干扰因素的影响 使输出迅速 准确跟踪输入 具有机械量输出的随动系统 又称为伺服系统 自动控制系统的任务与基本要求 其任务是控制输出量跟踪输入量 即使输出量随输入量变化 其控制过程中还要尽量满足下面的基本要求 1 稳定性 由于惯性等原因 可能会引起系统振荡而使其失去工作能力 稳定性是指动态过程中 消除偏差过程中 的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力 输出量偏离平衡状态后应该随时间收敛并且最后回到初始的平衡状态 稳定性的要求是系统工作的首要条件 2 快速性 在系统稳定的前提下 输出量与给定输入量之间产生偏差时 消除这种偏差过程的快速程度 3 准确性 亦称静态精度 是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差 即系统控制精度 在实际系统中 由于质量 惯量 电感 电容等储能元件的存在 由于能源功率的限制 使一些量变化有一个过程 不能突变 通常加入给定后 输出随时间变化的全过程称为系统的动态过程 过渡过程 以上三个系统控制性能可以从这个过程中反映出来 例如 恒值控制系统 过渡过程长 则快速性差 响应迟钝 跟踪 调节速度慢 反之则说明能复现快速变化的输入信号 若这一过程过长则系统就不能满足使用要求 过渡过程中振荡小 振幅与频率小 则过程平稳 当调节过程趋于结束时 稳定时 输出量与输入量之差 称为稳态误差 反映了控制精度 在实际中由于受控对象的具体情况不同 各种系统对稳 准 快的要求各有侧重 例如 随动系统对快速性要求较高 而调速系统对稳定性提出较严格的要求 同一系统稳 准 快是相互制约的 快速性好 可能会有强烈振荡 改善稳定性 控制过程又可能过于迟缓 精度也可能变坏 分析和解决这些矛盾 是本课程讨论的重要内容 1 3控制理论在机械制造中的应用 自动调节系统 1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器就是一个自动调节系统 是控制理论应用的典型代表 伺服系统 伺服系统就是将指令信号精确 快速地转换为相应的物理实现 例如 飞机和船舶的舵角操纵由于所需的力很大 不可能由