控制工程基础绪论

控制工程基础绪论第1页/共58页自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。第4页/共59页第2页/共58页1.1自动控制理论的产生和基本概念1.2控制理论的发展历史及其在工程中的应用1.3自动控制系统的基本类型1.4课程主要内容及章节安排第5页/共59页第3页/共58页1.1自动控制理论的产生和基本概念1765年，俄国人波尔祖诺夫发明了控制锅炉水位的自动装置；1768年，英国人瓦特发明了飞球调速器；1868年，物理学家麦克斯韦以调速器为背景，研究反馈系统的稳定性问题，发表论文《论调速器》，控制理论最早的成果论文。20世纪初，美国数学家维纳研究火炮自动控制中，提出了控制理论中最为基本的反馈概念。1948年，出版《控制论》，标志自动控制学科的正式诞生。第6页/共59页第4页/共58页（以恒温系统为例）有两种控温方法：人工控制 自动控制1.1.1自动控制系统

自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。被控制的设备或过程称为被控对象；被控制的物理量称为被控量或系统输出量；决定被控量的物理量称为控制量或输入量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。给定和扰动都可以看作自动控制系统的输入。第7页/共59页第5页/共58页[动态过程]观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值[实质]检测偏差再纠正偏差。1.人工控制恒温箱123第8页/共59页第6页/共58页控制过程：测量，求偏差，控制以纠正偏差

若能找到一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。第9页/共59页第7页/共58页温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。[动态过程]2.恒温箱自动控制系统恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2第10页/共59页第8页/共58页系统原理方块图[实质]检测偏差纠正偏差第11页/共59页第9页/共58页从恒温箱控制系统可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。第12页/共59页第10页/共58页综上所述控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。第13页/共59页第11页/共58页由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。第14页/共59页第12页/共58页按照有无反馈测量装置分类，控制系统分为两种基本形式，即开环控制系统和闭环控制系统。

1.1.2开环控制系统和闭环控制系统第15页/共59页第13页/共58页示例——直流电动机转速开环控制系统

给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器1开环控制系统第16页/共59页第14页/共58页输入、输出之间无反馈回路，输出对系统的控制作用无影响。称为开环控制系统（Open-LoopControlSystem）。扰动控制信号

被控制量

给定电压ug转速n被控对象控制装置Mc电压放大器功率放大器直流电动机控制器被控对象控制量扰动被控制量开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。开环控制的缺点——抗干扰性能差，精度低。

第17页/共59页第15页/共58页2闭环控制系统电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_uf电位器测速发电机+_ue=ug-uf偏差第18页/共59页第16页/共58页

直流电动机转速闭环控制系统方块图

设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf

）↑→ua↑→n↑nue输入量Mc扰动输出量功

率放大器直

流电动机＋ugua测

速发电机uf－电

压放大器第19页/共59页第17页/共58页

闭环控制系统（Close-LoopControlSystem）又称反馈控制系统（FeedbackControlSystem），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。

+

反馈信号

输出

控制指令

参考输入控制器

受控对象

传感器

-第20页/共59页第18页/共58页

闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统

第21页/共59页第19页/共58页1.1.3闭环控制系统的典型组成和基本概念输入信号串联校正元件放大元件执行元件被控对象扰动并联校正元件反馈元件输出量比较元件e(t)偏差信号主反馈信号b(t)测量反馈元件主反馈局部反馈＋＋－－给定元件第22页/共59页第20页/共58页被控对象（或过程）——又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件——主要用于产生给定信号或输入信号，例如，调速系统的给定电位计。测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。第23页/共59页第21页/共58页比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件——将微弱的信号作线性放大。校正元件——也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。

第24页/共59页第22页/共58页输入信号：是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。外部扰动是不希望的输入信号。第25页/共59页第23页/共58页1.1.4自动控制系统的基本要求稳定准确快速第26页/共59页第24页/共58页1、稳定性

稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。

稳定性是系统工作的首要条件。第27页/共59页第25页/共58页稳定不稳定第28页/共59页第26页/共58页2、快速性这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。3、准确性指调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。第29页/共59页第27页/共58页

由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对准确性提出较严格的要求；对于机械系统，首要的是稳定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。

第30页/共59页第28页/共58页控制理论的发展主要分为三个阶段：从控制技术产生到20世纪50年代末为经典控制理论的成熟和发展期。所谓经典控制论是采用传递函数描述系统的数学模型，在频率域对单输入单输出系统进行分析和设计的理论问题研究。20世纪60年代为局部自动化时期。航空航天领域对运载火箭、人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求导致了现代控制论的形成和发展。现代控制论中的数学模型描述主要采用状态空间方程，研究多输入多输出系统、时变系统、非线性系统的控制和设计问题。20世纪70年代末至今为综合自动化时期，控制系统越来越复杂，控制要求也越来越高，促进了智能控制、复杂控制、大系统控制等先进控制理论的发展。

1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方法，用英文出版了《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域。1.2控制理论的发展历史及其在工程中的应用第31页/共59页第29页/共58页中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)。中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)。希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。(BC250年)。第32页/共59页第30页/共58页中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)第33页/共59页第31页/共58页1788年：JamesWatt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。第34页/共59页第32页/共58页美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。第35页/共59页第33页/共58页现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现现代控制（1950-Now）第36页/共59页第34页/共58页美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)第37页/共59页第35页/共58页美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司Unimation。第38页/共59页第36页/共58页※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)第39页/共59页第37页/共58页苏联东方-１号飞船进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。第40页/共59页第38页/共58页美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)第41页/共59页第39页/共58页日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)第42页/共59页第40页/共58页中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。第43页/共59页第41页/共58页第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。第44页/共59页第42页/共58页日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)日本安川公司娱乐机械狗(2001)第45页/共59页第43页/共58页例1.2.1转速控制系统转速控制是电机控制研究的重要组成部分。瓦特的飞球调速器是最初的自动调速系统。

机械装置用来测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。飞球调节器第46页/共59页第44页/共58页设计要求（1）水箱水位低于指定高度（H1）自动开始进水。（2）水箱水位高于指定高度（H2）自动停止进水。（3）控制精度和系统稳定性无特别要求。例1.2.2液位控制系统。在工业过程控制领域中，液位控制是常见的控制问题之一，广泛用于远程供水、蒸汽锅炉汽包水位控制、企业或家庭用水的水塔控制等场合。下面是抽水马桶水箱的自动控制系统设计。第47页/共59页第45页/共58页

设计分析（1）系统选择：闭环控制系统（2）确定被控对象：抽水马桶水箱确定被控量：水箱水位高度确定控制量：进水管的水流量（3）确定干扰量：出水流量第48页/共59页第46页/共58页给定水位杠杆比较水位进水阀门水箱浮球进水量控制量被控对象被控量给定量反馈量出水干扰量方案构思（1）控制系统：闭环控制系统（2）控制方案：闭环控制系统第49页/共59页第47页/共58页抽水马桶示意图第50页/共59页第48页/共58页例1.2.3自动驾驶仪在航空航天领域，最初为了减轻驾驶员长期驾驶的疲劳，在20世纪30年代，出现了自动驾驶仪，其功能是保持或改变飞机飞行状态的自动装置，辅助驾驶员操纵飞机。俯仰角稳定控制系统原理图第51页/共59页第49页/共58页给定装置放大器舵机飞机反馈电位器

垂直陀螺仪θ0θ扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图第52页/共59页第50页/共58页按输入信号的特征分1.恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。转速闭环控制系统、水位控制系统均属于此类系统。2.程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，如机械加工中的数控机床工作台移动系统。

3.随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。1.3自动控制系统的基本类型第53页/共59页第51页/共58页1.线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。（满足均匀性与叠加性）2.非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系统，一般是