控制工程第一章-绪论

1、第一章 绪 论l）了解控制系统的工作原理。 2）了解机电控制工程的研究对象和主要任务。3）了解控制系统中的基本概念和常用名词术语。4）掌握对控制系统的基本要求，了解其分类方法。5）了解本课程的特点及学习方法。本章重点理解反馈的含义及作用；掌握控制系统的工作原理、基本概念 和组成。本章难点系统中的反馈。控制系统的基本工作原理恒温箱控制的工作原理当箱中的温度受环境温度或电源电压波动等外来的干扰而变化时,为满足箱中温度的恒定要求,可以通过人工或自动的方式来改变调压器的活动触头,改变加热电阻丝的电流,从而控制箱中的温度。恒温箱人工控制和自动控制(1)(1) 恒温箱人工控制其中，测量元件是温度计，被控对

2、象是恒温箱，被控量（参数） 是温度，控制器是调压器。人工调节过程可归纳如下：观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）；与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。(2)(2) 恒温箱自动控制被控对象是恒温箱，被控量（参数）是温度，控制器是调压 器，测量元件是热电偶，增加了比较机构，执行机构等。恒温箱自动控制过程可归纳如下：检测输出量的实际值；将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值；用偏差值产生

3、控制调节作用去消除偏差。end控制工程研究的对象与方法系统与广义系统系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且具有一定运动规律的一个有机整体。系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”， 完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统。系统与外界之间的联系如图所示。其中，输入：外界对系统的作 用，它包括给定的输入和干扰；输出：系统对外界的作用。系 统输入输出系 统机电控制工程的研究对象：机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发， 所经历的由其内部的固有特性（即由系

4、统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之 间的动态关系。系 统输入输出系 统机电控制工程的研究任务：系 统输入输出系 统从系统、输入、输出三者之间的关系出发，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题； (2)已知系统和理想输出,设计输入,即最优控制问题； (3)已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题； (4)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题； (5)已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。1.31.3控制系统的基本概念系统方框图系统方框图由许多对信号

5、量进行单向传递的元件方框和一些连线组成，表征了系统各元件之间及系统与外界之间进行信息交换的过程。它包括三个基本的单元:(1)引出点(分支点):表示信号的引出或信号的分支，箭头表示信号的 传递方向，线上标记信号的名称，如图(a)所示。(2)比较点(相加点):表示两个或两个以上的信号进行相加或相减。“+”表示信号相加；“-”表示信号相减，如图(b)所示。(3)元件方框:方框中写入元部件的名称，进入箭头表示其输入信 号；引出箭头表示其输出信号，如图(c)所示。反馈的概念反馈：将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同 作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。内反馈:在系统或过程中存在的各种自然形

6、成的反馈，称为内 反馈。外反馈:在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入 的反馈，称为外反馈。负反馈:若反馈信号与系统给定值信号极性相反，则称为负反馈。正反馈:若反馈信号与系统给定值信号极性相同，则称为正反馈。自动控制系统的分类按系统输出的变化规律进行分类自动调节系统：在外界作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的 系统。也称为镇定系统或恒值系统。如恒温箱控制系统。随动系统：在外界的作用下，系统的输出能相应于输入在广阔范围 内按任意规律变化的系统。如舞台追光灯控制系统。程序控制系统：在外界的作用下，系统的输出按预定程序变化的系 统。如自动洗衣机，数控机床。按控制系统有无反馈来分开环控制系统

7、:当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时，称之为开环系统。开环控制系统一般由给定元件、放大元件、执行元件、被控对象等单元组成，其方框图可表示成如图的形式。当一个系统以所需的方框图表示而存在反 馈回路时，称之为闭环系统。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号极性相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈。(1)闭环控制系统组成:一般由给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、被控对象、测量元件等单元组成，其方框图可表示成如图的形式:(2)名词术语给定环节:主要用于产生给定信号或输入信号。反馈环节:它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便于传输，主反馈信号多为电

8、信号。因此，反馈元件通常是一些用电量来测量非电量的元件。比较环节:用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号。放大环节:对偏差信号进行放大的元件。执行环节:直接对受控对象进行操纵的元件。6) 校正环节:为保证控制质量，使系统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件。校正元件又称校正装置。7）输入信号：它是控制输出量变化规律的信号。而输入量则又广义地泛指输入到控制系统中的信号，如扰动信号，也包括给定信 号。输出信号：它的变化规律是要加以控制的，应保持与输入信号之间 有一定的函数关系。反馈信号：从系统输出端取出信号，经过变换后加到系统输入端， 这就是反馈信号。偏差信号：它是控制

9、信号与主反馈信号之差。有时也称为作用误差。误差信号：它是指系统输出量的实际值与希望值之差。在很多情况下，希望值就是系统的输入量。这里要注意，误差和偏差不是同一概念。只有在单位反馈系统中，误差才等于偏差。扰动信号：除控制信号以外，对系统输出量产生影响的因素都叫扰动。如果扰动产生在系统内部，称为内扰；产生在系统外部，则称外扰。外扰动也是系统的一种输入量。（3）闭环控制系统的优缺点抗干扰能力强，具有自动纠偏能力； 控制精度高结构复杂，造价高设计时要着重考虑稳定性问题end控制系统的基本要求系统的稳定性。稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复 平衡状态的能力。稳定性的要求是系统工作的首要条件。系统

10、响应的准确性。指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之 间的偏差，亦称为静态精度。系统响应的快速性。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间 产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。同一控制系统，其稳定性、快速性和准确性往往是相互制约的。控制理论发展简史及本课程的学习方法控制理论发展简史1.古代控制工程的成果西汉漏壶指南车模型图(235年)都江堰(227B.C.)2.控制论发展简史蒸汽机(1765年)离心式飞球调速器(1788年) 1868年英国麦克斯威尔：提出了“反馈控制”的概念1948 年维纳(N.Wiener) 出版控制论 (Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine)系统地论述了闭环控制(反馈）-标志着控制论学科 的诞生。1954 年 钱 学 森 的 工 程 控 制 论 Engineering Cybernetics 。奠定了工程控制论这一技术学科的基础。现代控制(ModernControl)(1950年-)以状态空间方程研多输入、多输出、变参数、非线性系统。本课程的特点和学习方法比较抽象的技术基础(理论基础、研究对象、思维