《控制系统导论》PPT课件.ppt

1、控 制 系 统 工 程,本课程的地位,人类科学知识体系,系统、信息（信号）、反馈 系统：由若干个相互联系相互作用的要素所 组成的具有一定结构和功能的整体。 组成自动控制系统的各个部分通过信号联系 在一起，联系的最常用方式是反馈，通过反 馈连接实现控制目的。 自动控制原理也叫反馈控制原理。,基础知识 大学物理、高等数学、复变函数、电工电子技术 理论力学、流体力学、机械原理等 后续：现代控制理论 学习方法 1 学习过程中要巩固以上各门课程的知识 2 注意基本原理的理解，理论联系实际，勤于思考 3 课堂提问，习题课，作业，实验 参考书目 胡寿松主编自动控制原理（第五版） 自动控制原理习题解析 (Mo

2、dern Control Systems)现代控制系统(第十版),第一章 控制系统导论,1-1 引言 1-2 自动控制系统的基本概念 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求,1-1 引言,一 自动控制技术及应用 1.自动控制 控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性、经济性及产品质量等要求的技术手段。 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定的规律运行。,2. 自动控制技术的应用 锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自

3、动地使导弹攻击敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中。,汽车自动化生产线,足球机器人,捕食者无人机,X-37B空天战斗机,空空导弹,机遇号火星探测器,空客和波音的先进大型客机,1868 J.C.Maxwell 论调节器 第一篇从理论上研究控制的论文，提出了“反馈控制”的概念 1877 Routh，1895 A.Hurwitz 稳定判据 时间域 1932 H.Nyquist 奈氏判据 1945 H.W.Bode 半对数坐标图 频率法 1948、1950 W.R.Eva

4、ns两篇文章 根轨迹法 194450年代末 Zade、Kalman等 离散系统 以传递函数为数学工具，主要研究单输入单输出（SISO） 、线性定常系统的分析和设计,二 自动控制理论的发展历程,1.经典控制理论（本课程）,20世纪6070年代形成 以状态空间法为基础，主要研究高性能、高精度、多变量、变参数的最优控制问题 包括：多变量线性系统理论、最优控制理论、最优估计与系统辨识理论、自适应控制、鲁棒控制等,2.现代控制理论,当今：模糊控制、神经网络控制等智能控制方法 控制科学与其它学科的交叉 经典控制理论应用广泛，现代控制、智能控制理论 蓬勃发展；经典控制、现代控制、智能控制相互结合 应用,经典

5、控制理论与现代控制理论的比较,1-2 自动控制系统的基本概念,一 自动控制系统 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。 1.被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程 2.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称,自动控制系统可按开环、闭环和复合等控制方式实现，本课程以研究闭环控制系统为主。,二 开环控制系统,开环控制系统：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统。如自动售货机、自动洗衣机、生产流水线等。,例1. 电机转速控制系统,n 被控量（输出信号）：被控对象中要求按预定规律变化的物理量。 P

6、 控制量（输入信号）：施加于控制系统中的命令，控制输出量按预定规律变化。 系统在特定输入下的输出称为系统对该输入的响应。 扰动：破坏控制量与被控量正常函数关系的因素。 扰动也是系统的一种输入,方块图,指向和离开方块的箭头分别表示元部件的输入和输出，箭头上注明信号的名称,扰动集中起来作用在被控对象上,方框表示它所代表部分的名称和功能，而不画出具体结构，用方框之间带箭头的直线说明各部分之间的信号传递,怎么办,三 闭环控制系统（反馈控制系统）,闭环控制系统：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统。 反馈：是把系统输出量经过一定的变换回送到输入端，以增强或减

7、弱输入信号的效应；使输入信号增强的叫正反馈；使输入信号减弱的叫负反馈。由输出端引到输入端的叫主反馈；中间变量的反馈连接叫局部反馈。,例2 引入闭环控制后的电机转速控制系统,方块图（续）,比较元件或比较点，它的输出量等于各输入量的代数和，各输入量若为“”号可以不标，若为“”号必须在箭头旁标注负号。,引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不存在分流问题。,控制器,执行机构,被控对象,测量、变换,-,r(t),给定值,扰动,被控量,n(t),c(t),反馈信号,(t),b(t),负反馈控制按偏差控制。偏差信号是对被 控量不断测量转换，并把被控量的全部或一部 分反馈到系统的输入端与控制量相减得到的

8、。 反馈控制原理：利用负反馈得到的偏差信号 产生控制作用，使被控量趋于要求值，从而 使偏差消除或减小的控制原理。 闭环控制系统所以能实现自动控制，根本原 因就是应用了反馈控制原理。 一般来说正反馈系统不能实现自动控制。,几个术语 前向通路：从系统输入量到输出量之间的通路称为前向通路。 主反馈通路：从输出量到主反馈信号之间的通路称为主反馈通路。主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统；主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统 主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。 内回路：只闭合了系统中一部分信号的回路,四 反馈控制系统的组成,给定元件：

9、给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。 测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。 比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。多由综合电路来实现 放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。 执行元件：直接推动被控对象，使其输出发生变化。,控制 装置,被控 对象,反馈控制系统的组成,开环控制系统： 1.结构简单经济； 2.调试方便； 3.抗干扰能力差，控制精度不高。 闭环控制系统:(本课程主要内容) 1.系统具有纠正偏差的能力； 2.抗扰性好，控制精度高； 3.包含元件多，结构复杂，价格高；

10、4.参数应选择适当。 开环闭环复合控制系统（精度很高）,五 开环与闭环系统的比较,电机转速复合控制系统,按扰动控制的开环电机转速控制系统,1-3 自动控制系统的分类,1.按控制方式分类 a.开环控制系统 b.反馈控制系统 c.复合控制系统 2.按系统的特性分类 a.线性系统(具有可加性和齐次性，可以用线性微 分方程来描述) b.非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程 来描述） a.定常系统 b.时变系统 a.连续控制系统 b.离散控制系统,3.按给定值的变化规律分类 a.恒值控制系统 输入量是恒定的常值。 任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定的希望值附近。 如：恒温、水位、恒压控

11、制系统。 b.随动系统（也叫跟踪系统） 输入量是事先不知道的任意时间函数。 任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。 如：雷达自动跟踪系统。 c.程序控制系统 输入量按照给定的程序变化。 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。 如：数控车床和机器人控制系统。,恒值控制系统实例：炉温控制系统,炉温控制系统方块图,1-4 对控制系统的基本要求,一个系统的输入包括有用的输入信号和扰动，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。,当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达

12、到新的平衡，这就是一个调节过程。,系统的输入输出曲线,理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动 作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬 时完成。由于系统元件的惯性，当输出量发生跳变 时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态 都要经历一个过渡过程。 实际的调节过程分为两个阶段: 1.过渡过程 输出量处于激烈变化之中。反映系统的动态特性。 2.稳态过程 输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。反映系统的稳态特性。 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的 差异，差异越小，系统的调节质量越高。为了衡量 系统调节过程的好坏，提出了对系统性能的要求。,一、对系统性能的基本要求 总的来说，

13、希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为稳、快、准三个方面 1.稳定性：指系统重新恢复平衡状态的能力，即过渡过程的收敛情况。,1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3振荡发散，4 单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定。稳定性是对控制系统的最基本要求。 2.快速性：指过渡过程进行时间的长短。 曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而,曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。 3.准确性：指过渡过程结束后的稳态误差，越

14、小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。 二、典型外作用 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。选用原则P13,1.阶跃函数,（2）图形,表示在t=0时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。R=1时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用1(t)表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特别重要的作用。（第三章）,（1）数学表达式,（1） 数学表达式 （2）图形 表示从t=0时刻，以恒速R变化的函数。（第三章） R=1,叫单位速度函数,2.斜坡函数（速度函数）,0 t,r(t),R,3.加速度函数 （1）数学表达式 (2)图形 表示从t=0时刻开始，以恒加速度R变化。 （第三章） R=1叫单位加速度函数。 速度和加速度函数一般用来衡量系统的稳态特性,4.脉冲函数 （1）矩形脉冲函数数学表达式 ( 2 ) 图形,脉冲函数是对趋于0，求极限得到的。数学