四年级(新课标)数学控制论第二讲(教学课件)

1、生物控制论首都医科大学生物医学工程学院计算机教研室周萍第二讲：控制论基本知识第二讲：控制论基本知识第二讲：控制论基本知识第一节：第一节： 常用术语常用术语第二节：第二节： 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制第三节：第三节： 控制系统的分类控制系统的分类第四节：第四节： 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求常用术语：常用术语： 反馈控制系统反馈控制系统是一种能对输出量与参考输是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。偏差来进行控制。 反馈控制

2、系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。常用术语：常用术语： 随动系统随动系统是一种反馈控制系统，在这种系是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。现代工业中，广泛采用着随动系统。在工业生产过程中，诸如对压力、温度、在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比湿度、流量、频率以及原料、燃料成分

3、比例等方面的控制，称为例等方面的控制，称为过程控制。过程控制。常用术语：常用术语：蒸蒸汽汽冷水热水温度计图1-1 热力系统的人工反馈控制排排水水例：例：自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置 排排水水图图1 1- -2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀例：闭环控制与开环控制 反馈控制系统 开环控制系统 闭环与开环控制系统的比较反馈控制系统1 反馈反馈3 3 闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信

4、号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。控控制制器器对对象象或或过过程程测测量量元元件件 输入量输出量 图1-1 闭环控制系统反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象 控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：测量元件：其职能是测量被控制的物理量其职能是测量被控制的物理量; 给定元件：给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。量（即参据量）。 比较元件比较元件：把测量元件检测的被

5、控量实际值与给定元件给出：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。元件去控制被控对象。 执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。 输入

6、量输出量串串联联补补偿偿元元件件放放大大元元件件执执行行元元件件被被控控对对象象反反馈馈补补偿偿元元件件图图1 14 4反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成测测量量元元件件局部反馈主反馈为改善系统性能用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“-”-”号代表两者符号相反，号代表两者符号相反，“+”+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称达输出端的传输通路称前向通路前向通路；系统输出量经测量元件；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反。前向通路与主反馈通路共

7、同构成馈通路共同构成主回路主回路。此外，还有。此外，还有局部反馈通路局部反馈通路以及由以及由它构成的它构成的内回路内回路。 开环控制控控制制器器对对象象或或过过程程 输入量输出量图1-5 开环控制系统闭环与开环控制系统的比较控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求可以归结为可以归结为稳稳定性（长期稳定性）、定性（长期稳定性）、准准确性确性（精度）和（精度）和快快速性（相对稳定性）。速性（相对稳定性）。 稳稳 准准快快稳定性： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过对恒值系统，

8、要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。与外界因素无关。对过渡过程的形式和快慢提出要对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为求，一般称为动态性能动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果然炮身最终能跟踪目标，但如果目

9、标变动迅速，目标变动迅速，而炮身行动迟缓，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标仍然抓不住目标。快速性：快速性：准确性：准确性：准确性：用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定望输出之差叫做给定稳态误差稳态误差。这种误差越小，表示系统的输出跟随参这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。考输入的精度越高。2）根据对系统性能的要求，如何根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。能能全面地满足技术上的要求。本课程的任务本课程的任务本课程所要研究的两大课题：本课程所要研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。度进行定性的分析和定量的计算。 图（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图（b）是该控制系统的方框图。H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀