控制原理解析

1、控制原理解析1-2引论直流电动机转速开环控制系统1-3引论直流电动机转速开环控制系统方框图1-4引论有人参与调节时的方框图1-5引论闭环控制的电机调速系统1-6引论闭环控制的电机调速系统方框图1-7第一章 绪论1-8自动控制系统的基本概念自动控制的基本方式对控制系统的性能要求1-9第一节自动控制系统的基本概念1-10一、 控制系统的基本概念控制：是使某些物理量按指定的规律变化。受控对象：工作的机器、设备、生产过程等；被控量c(t)：表征受控对象状态的物理参量；给定值或指令信号r(t)：对被控量的要求值；控制器：由各种控制元部件组成的控制装置；干扰信号n(t) ：对被控量起破坏作用的信号；反馈信

2、号b(t) ：被控量检测后回馈到输入端；偏差信号e(t) ：给定值与被控量的差值。1-11控制的任务： 被控量给定值二、自动控制的任务c(t)=r(t)控制器被控对象输入信号控制量被控量 控制系统的组成1-12 自动控制：无人直接参与时，利用控制器使被控对象的某些物理量能够自动地按照预定的规律变化。完成这一过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。 自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制装置（控制器）代替人完成控制。 1-13举例说明自动控制和自动控制系统的概念控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出 Q2H例一：水位自动控制系统1-14控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮

3、子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；1-15控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；1-16控制方法：测量偏差，修正偏差三、反馈控制的控制原理测量偏差必须把系统的实际输出反馈到 输入端。 基于反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。1-17例二

4、：人脑作为控制系统的例子1-18例三：离心式调速器（P5 图16）1-19四、控制系统的职能方框图 被控量给定值校正控制器比较、放大执行测量被控对象实测值干扰测量 在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置(控制器)，它必须具备以下三种职能部件。1-20测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被 控对象。参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大以驱动执行元件去 控制被控对象。放大和校正根据系统的性能要求而取舍。 1-21五、自动控制系统简史 公元前250年，古希

5、腊的浮子阀门调节装置用于控制水位；近代最早的温度控制装置是荷兰化学家和机械学家考德莱贝尔（15271633）发明的控制熔炉保持恒温；最早应用于工业过程的自动反馈控制装置是James Watt于1789年发明的飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。1-221 经典控制理论4050年代形成 单输入单输出系统 （ SISO ）基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)2 现代控制理论6070年代形成 多输入多输出系统 （MIMO）基于： 冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程 （时域）控制理论的发展：（工业控制理论）1-233 智

6、能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络4 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构） 1-24第二节自动控制的基本方式1-25 开环控制开环控制按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 复合控制复合控制 下面根据不同的信号源（按信号流向划分）来分析自动控制的几种基本控制方式：1-26一、按给定值操纵的开环控制控制装置受控对象给定值干扰被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图*开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反 馈回路，输出量对系统

7、的控制作用没 有影响。1-27特点：控制装置只按给定值来控制受控 对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成 本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值 的偏差没有任何修正能力，抗干 扰能力差，控制精度不高。1-28炉温控制系统原理图炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温例如：1-29二、按干扰补偿的开环控制二、按干扰补偿的开环控制l 定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。对被控量的直接影响。计算测量受控对象执行干扰被控量 特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化

8、对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。1-30水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图例如：1-31三、按偏差调节的闭环控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起 的变动。计算比较给定值执行被控对象干扰被控量测量按偏差调节的系统原理方框图1-32 反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。优点：控制精度较高。缺点：参数如果匹配得不好，会造成被控量 的较大摆动，甚至系统无法正常工作。1-33飞机自动驾驶系统原理图例如：给定电位器反馈电位器1-34控制任务：系统

9、在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图1-35四、复合控制 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。计算比较给定值执行被控对象干扰被控量测量复合控制系统原理方框图计算测量1-36五、自动控制系统的其他分类按系统功用分按元件类型分按系统性能分按输入量的形式分机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统等。温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、速度控制系统等。线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、

10、确定性系统和非确定性系统。恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。1-371、线性连续控制系统线性连续系统通常可以用如下微分方程描述：其中，c(t)是被控量，r(t)是系统输入量。（1）当a0、a1 an及b0、b1 bm是常数时，系统为定常系统；（2）当a0、a1 an及b0、b1 bm随时间变化时，系统为时变系统；101n 1n1mm-101m-1mmm-1( )( )( )( )br( )br( )br( )b r( )nnnndddac tac tac ta c tdtdtdtdddttttdtdtdt1-38按照r(t)的变化，线性连续系统又可分为三类。（1）恒值控制系统（2）随动系统

11、(伺服系统）（3）程序控制系统2、线性定常离散系统01n 1n01m-1m()(1)(1)( )b r()b r(1)br(1)b r( )a c kna c knac ka c kkmkmkk 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上是离散的。如：工业计算机控制系统。一般用如下所示线性差分方程来描述离散系统：1-393、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就是非线性系统，一般用非线性微分方程（或差分方程）描述系统特性。 * 非线性程度不严重的元部件可采用在小范围内线性化处理方 法，近似为线性系统。 非线性方程的特点是系数与变量有

12、关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。 5、集中参数系统和分布参数系统4、SISO系统和MIMO系统按照输入信号和输出信号的数目划分。按组成系统的部件划分。1-40第三节对控制系统的性能要求1-41定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。 1-42稳：指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线 系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。1-43快：指

13、动态过程的快速性 快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。 稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。控制系统动态过程曲线1-44准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。 稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。1-45第四节自动控制系统示例1-46生产过程的自动化 工业自动化技术 自动控制装置 ：如电动机调速系统，温度控制系统等

14、 化工、冶金、电力、汽车、造纸等行业的生产自动化。如汽车的总装配生产线上的机器人焊接、装配工过程。 控制系统的工程应用 分析自动控制系统的方法 1)明确受控对象、被控量、主要干扰信号；2）明确执行元件；3）找到测量元件和测量对象；4）找到指令信号或者给定值；5）明确比较放大及偏差反馈环节。1-47温度控制系统1-48温度控制系统1-49位置随动控制系统 1-50汽车驾驶系统 1-51硬磁盘中的磁头位置控制系统 磁头驱动电机控制装置传感器（磁头和索引磁道 ）+ +- -磁头位置控制量偏差预期磁头位置1-52火电厂电能生产综合控制系统 1-532、系统分析 系统分析包括：稳定性分析、动态分析与稳定性能分析。 本课程系统阐述经典控制理论，以讨论线性定常系统为主，适当介绍非线性系统的理论和方法；以连续系统为主，兼顾离散系统。课程学习主要围绕以下三个方面展开。 1、数学模型 讨论线性定常系统在时域、复域、频域、z域的数学