控制工程原理第一章

控制工程原理课件第一章第一页，共三十页，2022年，8月28日第一节自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本构成及控制方式第一章概述第二页，共三十页，2022年，8月28日第一节自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念自动控制：

自动控制系统控制装置受控对象在无人直接参与下，利用控制装操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。控制器给定值检测元件受控对象被控量自动控制示意图分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：第三页，共三十页，2022年，8月28日例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.第一节自动控制与自动控制系统第四页，共三十页，2022年，8月28日为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱第一节自动控制与自动控制系统第五页，共三十页，2022年，8月28日二、自动控制系统的基本构成及控制方式1．开环控制有顺向作用而无反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制方式.开环控制控制装置与受控对象之间只第一节自动控制与自动控制系统第六页，共三十页，2022年，8月28日例转台速度开环控制系统这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台电机电源和放大装置速度设置系统组成：由图可见：被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。第一节自动控制与自动控制系统第七页，共三十页，2022年，8月28日预期速度实际转速直流电动机转台放大器系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：

2．闭环控制有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制:闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。控制装置与受控对象之间，不但第一节自动控制与自动控制系统第八页，共三十页，2022年，8月28日测速机偏差反馈量预期速度实际转速直流电动机转台放大器_

当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。转台速度闭环控制系统结构图第一节自动控制与自动控制系统第九页，共三十页，2022年，8月28日例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压e=Un-Uf转速取决于给定电压与反馈电压的差值。第一节自动控制与自动控制系统第十页，共三十页，2022年，8月28日调速系统结构图unufeudn_直流电动机放大器测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：第一节自动控制与自动控制系统第十一页，共三十页，2022年，8月28日3．复合控制测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：复合控制：反馈控制+第一节自动控制与自动控制系统第十二页，共三十页，2022年，8月28日(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制第一节自动控制与自动控制系统第十三页，共三十页，2022年，8月28日(b)按扰动前馈补偿的复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象控制器_第一节自动控制与自动控制系统第十四页，共三十页，2022年，8月28日第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。第一章概述第十五页，共三十页，2022年，8月28日二、定常系统和时变系统定常系统:若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。否则称为时变系统。第二节自动控制系统的分类第十六页，共三十页，2022年，8月28日三、连续系统和离散系统连续系统：系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。离散系统：系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。第二节自动控制系统的分类第十七页，共三十页，2022年，8月28日四、恒值系统、随动系统和程序控制系统系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。恒值系统：第二节自动控制系统的分类第十八页，共三十页，2022年，8月28日随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。第二节自动控制系统的分类程序控制系统：系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。第十九页，共三十页，2022年，8月28日第三节对控制系统性能的要求常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。二、快速性一、稳定性三、准确性第一章概述第二十页，共三十页，2022年，8月28日

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性第三节对控制系统性能的要求稳定性：如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定的系统是无法正常工作的。第二十一页，共三十页，2022年，8月28日通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性第三节对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度第二十二页，共三十页，2022年，8月28日由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性第三节对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第二十三页，共三十页，2022年，8月28日稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。第三节对控制系统性能的要求第二十四页，共三十页，2022年，8月28日

自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。第四节

自动控制理论发展简述第一章概述第二十五页，共三十页，2022年，8月28日具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。第四节

自动控制理论发展简述第二十六页，共三十页，2022年，8月28日60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。第四节

自动控制理论发展简述第二十七页，共三十页，2022年，8月28日第四节

自动控制理论发展简述当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。第二十八页，共三十页，2022年，8月28日第四节

自动控制理论发展简述另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度