控制工程基础 第1章 控制工程基础

武汉理工大学,控制工程基础,武汉理工大学机电工程学院,教材及参考书,教材：1容一鸣控制工程基础北京理工大学出版社，2010、2参考书：2杨振中，张和平控制工程基础北京大学出版社，2007、83杨叔子机械工程控制基础华中科技大学出版社，2002、84胡寿松自动控制原理国防工业出版社，2001、35HuangAnyiFundamentalsofMechanicalControlSystems武汉理工大学出版社，2004、76黄忠霖控制系统MATLAB计算及仿真国防工业出版社，2001、11,本章主要内容:1.1绪论1.2控制系统的工作原理及其组成1.3控制系统的分类1.4控制系统的基本要求1.5课程基本内容,第一章控制系统的基本概念,重点：控制系统的工作原理及基本组成。难点：确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道。,第一章控制系统的基本概念,1.1绪论,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。,控制理论是自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互渗透的产物。1948年，N.维纳发表了著名的控制论，它基本形成了经典控制理论。1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方法，首创了工程控制论，把控制理论推广到工程领域，奠定了工程控制论这一技术科学的基础。,一、系统（System）的定义:系统是由若干相互作用和相互依赖（联系）的事物组合而成的具有特定功能的整体（集合）。,对于实际应用来说，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。,系统构成的三要素,物质,能量,信息,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,t,u0(t),二、控制及自动控制,控制的本意:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的操作或方法。,人工控制：控制的任务由人来完成，称为人工控制。,自动控制：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（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运行。,1.2控制系统的工作原理及其组成,一、恒温箱的人工控制,1,动态过程,1.观测恒温箱内的温度（被控制量）,实质检测偏差再纠正偏差。,实际温度,希望温度,大脑,调压器,恒温箱,温度计,手,眼睛,人参入控制：（1）眼睛观测温度；（2）大脑比较；（3）手操作调压器。,二、恒温箱的自动控制,给定信号,电压功率放大器,电动机,减速器,调压器,恒温箱(控制对象),热电偶,u1,u2,u,ua,n,v,u,温度t,(被控量),扰动,恒温箱自动控制系统功能框图,（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2（2）恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。,三、控制系统的工作原理,（1）检测输出量（被控制量）的实际值；（2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到偏差信号；（3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,四、反馈的概念,反馈（Feedback)：取出输出量送回到输入端，且与输入信号相比较产生偏差的过程。,正反馈：送回到输入端的信号与输入信号同号；,负反馈：送回到输入端的信号与输入信号异号；,基于负反馈（NegativeFeedback)。,h,杠杆平衡时，控制进水阀阀门位于某位置而具有一定开度，使水箱中输入水量与流出水量相等，从而使液位保持在希望高度h上。当液位降低时，浮球位置也随之降低，这时，通过杠杆机构使水阀阀门开度增大，进入水箱的水流量增大，水箱中液面随之上升，浮球位置又随之上升，使水阀阀门开度减小，进水增加量减小，直至系统处于新的平衡状态。反之，若水箱液位上升，系统会自动减小阀门开度，从而减少流入的水量，使液位降低，直至达到新的平衡位置。,例：水箱液位控制,该系统的控制任务是将水箱的液面维持在一定高度。,水箱是被控对象，水箱液位是被控制量，浮球顶杆（杠杆）的长度（表征液位的期望值）是给定量。,实际水位,希望水位,杠杆机构,水箱,进水阀,浮球,例钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度钢板温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。,比较环节,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。如：将期望恒定的温度转换为相应电压。,五、控制系统的组成,输出,给定环节,被控对象,执行环节,放大环节,反馈环节,五、控制系统的组成,2.反馈环节:测量并转换输出信号。主要是各种传感器。该环节的功能是，对系统输出量的实际值进行量测，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.比较环节（器）:将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。如：电压比较电路、平衡电桥等。,4.放大环节:对较弱的偏差信号进行放大并驱动执行件动作。如：电压放大器等。,五、控制系统的组成,5.执行环节:直接对被控对象进行操作的环节。如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等。,6.校正环节:为改善控制性能而加入的元件或装置。它不是反馈控制系统所必须的。根据其构建的不同，有串联、并联校正等。,7.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。,控制过程的物理本质,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。从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及能量转移的过程。因此，提高信息处理能力，以最短的时间和(或)最小的代价(能量消耗最小)实现系统按预定的规律进行能量转移，就是控制系统设计所要解决的中心问题。,一、按控制策略来分,1.开环控制输出端与输入端不存在反馈回路，即输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。,2.闭环控制输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制过程产生直接影响。,1.3控制系统的基本类型,3.半闭环控制反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接取自中间的测量元件。,二、按输入信号的性质（特征）来分,1.恒值控制输入是已知的恒定值，控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。,2.程序控制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。,3.伺服控制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。,三、按系统中传递信号的性质来分,1.连续控制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.离散控制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。,四、按构成系统的部件的物理性质来分,机械、电气、机电、液压、气动、热力等。,一、稳定性,系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。,1.4对控制系统的基本要求,控制精度问题，用稳态误差衡量。,二、准确性,稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。,给定值,实际输出,fo(t),t,误差,三