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第第1章控制工程基础新章控制工程基础新本讲稿第一页，共二十六页教材及参考书教材及参考书教材：教材：11容一鸣容一鸣控制工程基础控制工程基础北京理工大学出版社，北京理工大学出版社，20102010、2 2参考书：参考书：2杨振中，张和平控制工程基础北京大学出版社，2007、83杨叔子机械工程控制基础华中科技大学出版社，2002、84胡寿松自动控制原理 国防工业出版社，2001、35 Huang Anyi Fundamentals of Mechanical Control Systems武汉理工大学出版社，2004、76黄忠霖控制系统MATLAB计算及仿真国防工业出版社，2001、11本讲稿第二页，共二十六页本章主要内容本章主要内容:1.1 1.1 1.1 1.1 绪论绪论绪论绪论1.2 1.2 1.2 1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成1.3 1.3 1.3 1.3 控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类1.4 1.4 1.4 1.4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求控制系统的基本要求控制系统的基本要求1.5 1.5 1.5 1.5 课程基本内容课程基本内容课程基本内容课程基本内容第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念重点：重点：控制系统的工作原理及基本组成。控制系统的工作原理及基本组成。难点：难点：确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道。确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道。本讲稿第三页，共二十六页第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1.1 1.1 1.1 1.1 绪论绪论绪论绪论 控控制制理理论论是是研研究究各各种种控控制制系系统统共共同同存存在在的的控控制制规规律律的的一一门门技术科学技术科学。它是一门方法论学科。它是一门方法论学科。控控制制理理论论是是自自动动控控制制、电电子子技技术术、计计算算机机科科学学等等多多种种学学科科相相互互渗渗透透的的产产物物。19481948年年，N.N.维维纳纳发发表表了了著著名名的的控控制制论论，它它基基本本形形成成了了经经典典控控制制理理论论。19541954年年，我我国国科科学学家家钱钱学学森森在在美美国国运运用用控控制制论论的的思思想想和和方方法法，首首创创了了工工程程控控制制论论，把把控控制制理理论论推推广广到到工工程程领领域域，奠奠定定了了工工程程控控制制论论这这一一技技术科学的基础。术科学的基础。本讲稿第四页，共二十六页一、系统（System）的定义:系系统统是是由由若若干干相相互互作作用用和和相相互互依依赖赖（联联系系）的的事事物物组组合而成的具有特定功能的整体（集合）。合而成的具有特定功能的整体（集合）。对对于于实实际际应应用用来来说说，系系统统一一般般可可以以定定义义为为任任何何一一组组存存在在某某种因果关系的物理元件。种因果关系的物理元件。系系统统x1x2x3y1y2y3 原原因因称称为为激激励励或或输输入入；效效果果叫叫做做响响应应或或输输出出。通通常常，输输入入和和输输出出都都是是物物理理变变量量，例例如如，温温度度、压压力力、液液位位、电电压压、位位移移、速速度度等。等。本讲稿第五页，共二十六页系统构成的三要素物质物质能量能量信息信息构成系统构成系统的形体的形体系统的运动系统的运动离不开能量离不开能量信息则是系信息则是系统的灵魂统的灵魂LCRu0(t)ui(t)tu0(t)本讲稿第六页，共二十六页二、控制及自动控制控制控制的本意:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的操作或方法。人工控制：人工控制：控制的任务由人来完成，称为人工控制。自动控制：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（称控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。本讲稿第七页，共二十六页1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成一、恒温箱的人工控制1 动态过程动态过程动态过程动态过程 1.观测恒温箱内的温度观测恒温箱内的温度（被控制量）（被控制量）22.与要求的温度（给定与要求的温度（给定值）进行比较得到温度值）进行比较得到温度偏差的大小和方向偏差的大小和方向33.根据偏差大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。度回复到要求值。本讲稿第八页，共二十六页实质 检测偏差再纠正偏差。实际实际温度温度希望希望温度温度大脑大脑调压器调压器恒温箱恒温箱温度计温度计手手眼睛眼睛人参入控制：人参入控制：（1 1）眼睛观测温度；）眼睛观测温度；（2 2）大脑比较；）大脑比较；（3 3）手操作调压器。）手操作调压器。本讲稿第九页，共二十六页二、恒温箱的自动控制本讲稿第十页，共二十六页给定信号电压功率放大器电动机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图（1 1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u u2 2（2 2）恒温箱期望温度由电压）恒温箱期望温度由电压u u1 1给定，并与实际温度给定，并与实际温度u u2 2比较得到温度偏差比较得到温度偏差信号信号 u=uu=u1 1-u-u2 2（3 3）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）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,u=0,电电机停止转动。机停止转动。本讲稿第十一页，共二十六页三、控制系统的工作原理（1 1）检测输出量（被控制量）的实际值；）检测输出量（被控制量）的实际值；（2 2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到偏差信号；偏差信号；（3 3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维）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。持期望的输出。四、反馈的概念反馈（反馈（Feedback)：取出输出量送回到输入端，且与输：取出输出量送回到输入端，且与输入信号相比较产生偏差的过程。入信号相比较产生偏差的过程。正反馈：送回到输入端的信号与输入信号正反馈：送回到输入端的信号与输入信号同同号；号；负反馈：送回到输入端的信号与输入信号负反馈：送回到输入端的信号与输入信号异异号；号；基于负反馈（基于负反馈（Negative Feedback)。本讲稿第十二页，共二十六页h 杠杆平衡时，控制进水阀阀门位于某位置而具有一定开度，使水箱中输入水量与流出水量相等，从而使液位保持在希望高度h上。当液位降低时，浮球位置也随之降低，这时，通过杠杆机构使水阀阀门开度增大，进入水箱的水流量增大，水箱中液面随之上升，浮球位置又随之上升，使水阀阀门开度减小，进水增加量减小，直至系统处于新的平衡状态。反之，若水箱液位上升，系统会自动减小阀门开度，从而减少流入的水量，使液位降低，直至达到新的平衡位置。例：水箱液位控制 该系统的控制任务是该系统的控制任务是将水箱的液面维持在一定将水箱的液面维持在一定高度。高度。水箱是被控对象，水箱液位是被控制量，浮球顶杆（杠杆）的长度（表征液位的期望值）是给定量。本讲稿第十三页，共二十六页实际实际水位水位希望希望水位水位杠杆机构杠杆机构水箱水箱进水阀进水阀浮球浮球例钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度钢板温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。本讲稿第十四页，共二十六页比较比较环节环节1.给给定定环环节节:根根据据系系统统输输出出量量的的期期望望值值，产产生生系系统统的的给给定定输入信号。如：将期望恒定的温度转换为相应电压。输入信号。如：将期望恒定的温度转换为相应电压。五、控制系统的组成五、控制系统的组成输出输出给定给定环节环节被控被控对象对象执行执行环节环节放大放大环节环节反馈反馈环节环节校正校正环节环节校正校正环节环节本讲稿第十五页，共二十六页五、控制系统的组成五、控制系统的组成2.反馈环节反馈环节:测量并转换输出信号。测量并转换输出信号。主主要要是是各各种种传传感感器器。该该环环节节的的功功能能是是，对对系系统统输输出出量量的的实实际际值值进进行行量量测测，将将它它转转换换成成反反馈馈信信号号并并使使反反馈馈信信号成为与给定输入信号同类型、同数量级的物理量。号成为与给定输入信号同类型、同数量级的物理量。3.比比较较环环节节（器器）:将将参参考考输输入入信信号号和和反反馈馈信信号号进进行行比比较较，产生偏差信号。如：电压比较电路、平衡电桥等。产生偏差信号。如：电压比较电路、平衡电桥等。4.放放大大环环节节:对对较较弱弱的的偏偏差差信信号号进进行行放放大大并并驱驱动动执执行行件件动动作。如：电压放大器等。作。如：电压放大器等。本讲稿第十六页，共二十六页五、控制系统的组成五、控制系统的组成5.执行环节执行环节:直接对被控对象进行操作的环节。直接对被控对象进行操作的环节。如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等。如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等。6.校校正正环环节节:为为改改善善控控制制性性能能而而加加入入的的元元件件或或装装置置。它它不是反馈控制系统所必须的。不是反馈控制系统所必须的。根据其构建的不同，有串联、并联校正等。根据其构建的不同，有串联、并联校正等。7.被被控控对对象象:控控制制系系统统所所要要控控制制的的设设备备或或生生产产过过程程，它它的输出量就是被控制量。的输出量就是被控制量。本讲稿第十七页，共二十六页控制过程的物理本质控制过程的物理本质 在在机机器器系系统统、生生命命系系统统甚甚至至社社会会与与经经济济系系统统中中，都都存存在在一一个个共共同同的的本本质质的的特特点点，它它们们都都通通过过信信息息的的传传递递、变变换换、处理与交换处理与交换(反馈反馈)来进行控制的。来进行控制的。从从物物理理本本质质上上看看，控控制制过过程程是是一一种种信信息息处处理理及及能能量量转转移移的的过过程程。因因此此，提提高高信信息息处处理理能能力力，以以最最短短的的时时间间和和(或或)最最小小的的代代价价(能能量量消消耗耗最最小小)实实现现系系统统按按预预定定的的规规律律进进行行能能量量转转移移，就就是是控控制制系系统统设设计计所所要要解解决决的的中中心心问题。问题。本讲稿第十八页，共二十六页一、按控制策略来分一、按控制策略来分1.开环控制开环控制 输输出出端端与与输输入入端端不不存存在在反反馈馈回回路路，即即输输出出量量在在整整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。2.闭环控制闭环控制 输输出出端端与与输输入入端端存存在在反反馈馈回回路路，即即输输出出量量对对控控制制过过程程产生直接影响。产生直接影响。1.3 控制系统的基本类型控制系统的基本类型3.半闭环控制半闭环控制 反反馈馈信信号号不不是是直直接接从从系系统统的的输输出出端端引引出出，而而是是间间接取自中间的测量元件。接取自中间的测量元件。本讲稿第十九页，共二十六页二、按输入信号的性质（特征）来分二、按输入信号的性质（特征）来分1.恒值控制恒值控制 输输入入是是已已知知的的恒恒定定值值，控控制制任任务务是是保保证证在在任任何何扰扰动动作用下系统的输出量为恒值。作用下系统的输出量为恒值。2.程序控制程序控制 输输入入量量的的变变化化规规律律预预先先确确知知，输输入入装装置置根根据据输输入入的的变变化化规规律律，发发出出控控制制指指令令，使使被被控控对对象象按按照照指指令令程程序序的的要要求求而运动。而运动。3.伺服控制伺服控制 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。响，准确地复现输入信号的变化规律。本讲稿第二十页，共二十六页三、按系统中传递信号的性质来分三、按系统中传递信号的性质来分1.连续控制连续控制 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。连续控制系统通常采用微分方程描述。2.离散控制离散控制 系系统统中中某某一一处处或或多多处处的的信信号号为为脉脉冲冲序序列列或或数数字字量量传传递递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。四、按构成系统的部件的物理性质来分四、按构成系统的部件的物理性质来分机械、电气、机电、液压、气动、热力等。机械、电气、机电、液压、气动、热力等。本讲稿第二十一页，共二十六页一、稳定性一、稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。的增长收敛并回到初始平衡状态。1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求A倒立摆倒立摆BAC单摆单摆本讲稿第二十二页，共二十六页控制精度问题，用稳态误差衡量。控制精度问题，用稳态误差衡量。二、准确性二、准确性稳态误差稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。系统输出的实际值与给定量之间的差值。ts给定值实际输出fo(t)t误差三、快速性三、快速性 输出量和输入量产生输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。征系统的动态性能。本讲稿第二十三页，共二十六页 由于控制对象的具体情况不同，各种系统对由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、准确、快速这三方面的要求是各有侧重的。稳定、准确、快速这三方面的要求是各有侧重的。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。据实际需求合理选择。本讲稿第二十四页，共二十六页控制系统控制系统的概念控制系统的概念对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求设设计计与与综合综合控控制制系系统统的组成的组成工工作作原理原理控控制制系系统统的分类的分类准确性准确性快速性快速性稳定性稳定性频域分析法频域分析法时域分析法时域分析法系统的校正概念系统的校正概念常用校正方式常用校正方式PID校正校正校正装置及实质校正装置及实质1.5 本课程的基本内容本课程的基本内容本讲稿第二十五页，共二十六页第第1 1章习题：章习题：P13 1.1P13 1.1、1.21.2、1.31.61.31.6中任意一题中任意一题本讲稿第二十六页，共二十六页