控制工程基础 第一章

1、控制工程基础 第一章第1页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四自动控制原理在现实生活中的应用机器人技术第2页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四自动控制原理在现实生活中的应用航空航天军事技术第3页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四自动控制原理在现实生活中的应用工业控制第4页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四自动控制原理在现实生活中的应用交通运输日常生活第5页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四第一章 绪论 控制工程 应用控制论(Cybernetics)的原理和方法，研究工程技术领域 中有关问题的一门技

2、术科学。1765年，瓦特发明了蒸汽机；1788年，瓦特采用离心式飞锤调速器控制蒸汽机的转速，这引发了 对系统稳定性的讨论；1868年，麦克斯威尔发表了对离心调速器进行理论分析的论文，从 理论上分析了飞锤调速器的动态特性；其后，罗斯、奈魁斯特、伯德等人建立了控制系统的稳定性理论， 经典控制理论逐渐形成；第6页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四 1948年，维纳发表了“控制论关于在动物和机器中控制和 通讯的科学”，提出了控制论的三个要素：信息反馈控制维纳把控制论推广到机器系统、生物系统、社会和经济系统。 控制论的研究对象是系统，研究系统如何才能实现稳定的、有目的的运动。 控制论

3、深刻地揭示了： 系统存在着信息的转换、传递和反馈，并且可以利用反馈进行控制的客观规律。第7页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四发动机高压供油路喷油泵离心式飞锤调速器第8页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四自动控制理论的发展过程第9页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四1-1 控制系统的 基本工作原理一 反馈控制原理例：恒温炉自动控制系统ubui 热电偶加热电阻丝给定信号电压放大器功率放大器执行电动机减速器调压器u220V比较恒温炉自动控制系统T第10页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四 在恒温炉自动控制系统中：恒温炉

4、被控对象；实际炉温被控量，是表示恒温炉状态的信息，称为系统的输出 信号，简称输出；期望炉温是控制信息，称为系统的输入信号，简称输入； 实际炉温由热电偶测出，并转化为电压 ub， ub 返回到给定电位器（输入端），再输入到系统中去。第11页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四恒温炉自动控制系统的系统方块图信息由输出端返回到输入端的传递方式，称为信息的反馈。反馈到输入端的信息，称为反馈信号，简称反馈。 与输入信号相比较（即相减）的反馈信号，称为负反馈。反馈信号与输入信号相比较的结果，称为偏差信号，简称偏差。偏差 输入 反馈第12页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星

5、期四二 名词术语控制 根据某种原理或方法，使被控对象的被控量，按预期规律 变化的操纵过程；系统 由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体；控制系统 为了实现某种控制目的而构成的系统，使受控对象的状 态按照预期规律变化的系统；输入 系统接受到的、对其状态（或被控量）有影响（或有控 制作用）的信息； 输入是期望输出的函数。输出 系统表现出来的、受输入影响（或控制的）的状态； 输出也是信息，常称为响应。 对控制系统而言，输出就是被控量。第13页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四扰动 对系统的输出产生不利影响的信息；内扰 系统内部参数变化引起的扰动；外扰 由系统外部环境、负载或

6、能源变化产生的扰动； 反馈 输出的全部或一部分，直接或经过转换后，返回传递 到输入端，再向系统输入的信息；反馈是输出的函数，并与输入的量纲相同。负反馈 与输入保持相比较（或相减）关系的反馈，称为 负反馈，反之称为正反馈；主反馈 由系统的输出端返回到系统的输入端的反馈，称 为主反馈，否则称为局部反馈；第14页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四固有反馈（内在反馈） 由于系统本身固有的、内在相互作用而形成的反馈；第15页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四1-2. 自动控制系统的基本类型一 按反馈的情况分类1 闭环控制系统闭环控制系统 具有为控制目的而特意设置的

7、主反馈（负反馈）的 控制系统，又称反馈控制系统。 第16页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四给定元件接受指令并将其转换为输入的元件；指令是表示期望输出的信息。反馈元件检测输出并将其转化为反馈的元件；比较元件将输入与反馈进行比较，并得出偏差的元件； 从广义上讲，比较元件是对信息进行合成的元件。放大及运算元件 将比较元件传递来的偏差，进行转换和放大的元件；执行元件 接受放大及运算元件传递来的信息，直接操纵被控对象的 元件；被控对象 控制系统中需要被控制的某种设备或过程，其输出就是被 控量；第17页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四 除了上述组成元件外，闭环控

8、制系统中往往还有校正元件，其作用是改善控制系统的性能。 通常，把放大及运算元件和执行元件合称为控制元件。第18页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四 也可以把被控对象以外的所有元件总称为控制器。第19页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四前向通路 从输入端到输出端的通路；反馈通路 从系统（或系统的某些组成元件）的输出端返回到它的输入端 的通路；回路 闭合的通路；主回路局部回路闭环控制系统的优点： 闭环控制系统有自行纠偏的能力，因此，可以采用精度不太高、价格较低的元件构成精确的控制系统。闭环控制系统的缺点： 闭环控制系统的组成较复杂，当参数调配不当时，存在信息

9、传递的主回路就会引起输出持续振荡、甚至发散的不稳定现象。第20页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四2 开环控制系统开环控制系统 不具有为控制目的而特意设置的主反馈（负反馈）的 控制系统。 开环控制系统的优点： 开环控制系统的组成简单，而且不存在复杂的稳定性问题。开环控制系统的缺点： 开环控制系统没有反馈回路，也就没有自行纠偏的能力，因此必须使用精度较高、价格较高的元件。第21页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四开环控制系统的应用： 开环控制系统常用于，预知期望输出且扰动很小，或扰动虽大，但预知其变化规律，从而能够加以补偿的场合。 第22页，共28页，20

10、22年，5月20日，0点39分，星期四二 按期望输出的类型分类1 自动调节系统 若期望输出是常量，系统在有干扰的情况下，能使实际输出相当精确地保持等于期望输出，则称该系统为自动调节系统（或恒值控制系统）。 自动调节控制系统应该是闭环控制系统。2 随动系统 若期望输出经常发生变化，且不能预知其变化规律，系统能使实际输出以一定的精度，及时跟随期望输出，则该系统称为随动系统。 随动系统的输出一般是机械量：位移、速度、加速度，此时又称其为伺服系统，如：雷达跟踪系统火炮瞄准系统舰船操纵系统第23页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四3 程序控制系统 若期望输出经常发生变化，但能预知其变化规律，系统能使实际输出准确、可靠地复现期望输出，则称其为程序控制系统。 典型的程序控制系统 ： 数控机床第24页，共28页，2022年，5月20日，0点39分，星期四控制系统的基本要求是稳、准、快。稳定性：系统受到扰动偏离平衡状态，当扰动消失后，系统恢复到平 衡状态的能力。稳定性是系统正常工作的首要条件。准确性： 输出量与给定量之间的偏差；动态精度偏差 偏差随时间变化的程度；静态精度偏差 调整过程结束后的偏差。快速性： 当系统出现偏差时，系统消除偏差的快慢程度。1-3 控制系统的基本要求第25页，共28页，2022年，5月20日，