《控制原理解析》PPT课件.ppt

1引论引论直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统2引论引论直流电动机转速开环控制系统方框图直流电动机转速开环控制系统方框图3引论引论有人参与调节时的方框图有人参与调节时的方框图4引论引论闭环控制的电机调速系统闭环控制的电机调速系统5引论引论闭环控制的电机调速系统方框图闭环控制的电机调速系统方框图6第一章第一章 绪论绪论7自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制的基本方式自动控制的基本方式对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求8第一节第一节自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念9一、一、控制系统的基本概念控制系统的基本概念控制：控制：是使某些物理量按指定的规律变化。是使某些物理量按指定的规律变化。n受控对象：受控对象：工作的机器、设备、生产过程等；工作的机器、设备、生产过程等；n被控量被控量c(t)：表征受控对象状态的物理参量；表征受控对象状态的物理参量；n给定值或指令信号给定值或指令信号r(t)：对对被控量被控量的要求值；的要求值；n控制器：控制器：由各种控制元部件组成的控制装置；由各种控制元部件组成的控制装置；n干扰信号干扰信号n(t)：对对被控量被控量起破坏作用的信号；起破坏作用的信号；n反馈信号反馈信号b(t)：被控量被控量检测后回馈到输入端；检测后回馈到输入端；n偏差信号偏差信号e(t)：给定值与给定值与被控量被控量的差值。的差值。10n控制的任务：控制的任务：被控量给定值被控量给定值二、自动控制的任务二、自动控制的任务c(t)=r(t)n 控制系统的组成控制系统的组成11自自动动控控制制：无无人人直直接接参参与与时时，利利用用控控制制器器使使被被控控对对象象的的某某些些物物理理量量能能够够自自动动地地按按照照预预定定的的规规律律变变化化。完完成成这这一一过过程程的的所所有有元元件件与与装装置置组组成成的的整整体体就就称为称为自动控制系统自动控制系统。自自动动控控制制和和人人工工控控制制的的区区别别在在于于自自动动控控制制用用控制装置（控制器）代替人完成控制装置（控制器）代替人完成控制。控制。12举例说明自动控制和自动控制系统的概念举例说明自动控制和自动控制系统的概念控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2 Q2H H例一：水位自动控制系统例一：水位自动控制系统13控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；控制装置：控制装置：气动阀门、控制器；气动阀门、控制器；受控对象：受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；14给定值：给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：测量装置：浮子；浮子；比较装置：比较装置：控制器刻度盘；控制器刻度盘；干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；15控制方法：控制方法：测量偏差，修正偏差测量偏差，修正偏差三、反馈控制的控制原理三、反馈控制的控制原理测量偏差测量偏差必须把系统的实际输出必须把系统的实际输出反馈反馈到到输入端。输入端。基基于于反反馈馈控控制制原原理理组组成成的的系系统统称称为为反反馈馈控制系统控制系统。16例二：人脑作为控制系统的例子例二：人脑作为控制系统的例子17例三：离心式调速器例三：离心式调速器（P5 图图16）18四、控制系统的职能方框图四、控制系统的职能方框图被控量被控量给定值给定值校正校正控制器控制器比较、放大比较、放大执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干扰干扰测量测量 在上图中，除被控对象外的其余部分统称为在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置控制装置(控制器控制器)，它必须具备以下三种职能部件。，它必须具备以下三种职能部件。19u测量元件：用以测量被控量或干扰量。测量元件：用以测量被控量或干扰量。u比较元件：将被控量与给定值进行比较。比较元件：将被控量与给定值进行比较。u执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被 控对象。控对象。参与控制的信号来自三条通道，即参与控制的信号来自三条通道，即给定值给定值、干扰量干扰量、被控量被控量。放大元件放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大以驱动执行元件去：将比较元件给出的偏差信号放大以驱动执行元件去控制被控对象。控制被控对象。放大和校正根据系统的性能要求而取舍。放大和校正根据系统的性能要求而取舍。20五、自动控制系统简史五、自动控制系统简史公公元元前前250年年，古古希希腊腊的的浮浮子子阀阀门门调调节节装装置置用用于于控控制制水位；水位；近近代代最最早早的的温温度度控控制制装装置置是是荷荷兰兰化化学学家家和和机机械械学学家家考考德莱贝尔德莱贝尔（15271633）发明的控制熔炉保持恒温；）发明的控制熔炉保持恒温；最最早早应应用用于于工工业业过过程程的的自自动动反反馈馈控控制制装装置置是是JamesWatt于于1789年年发发明明的的飞飞球球调调节节器器，用用来来控控制制蒸蒸汽汽机机的的转速。转速。211经典控制理论经典控制理论4050年代形成年代形成单输入单输出系统单输入单输出系统（SISO）基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定目标：反馈控制系统的镇定基本方法：基本方法：传递函数，频率法，传递函数，频率法，PID调节器调节器(频域频域)2现代控制理论现代控制理论6070年代形成年代形成多输入多输出系统多输入多输出系统（MIMO）基于：基于：冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：基本方法：状态方程状态方程（时域）（时域）控制理论的发展：（工业控制理论）控制理论的发展：（工业控制理论）223智能控制技术智能控制技术90年代开始发展年代开始发展专家系统专家系统模糊控制模糊控制神经网络神经网络4正在发展的各个领域正在发展的各个领域自适应控制自适应控制大系统理论大系统理论H鲁棒控制鲁棒控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构）非线性控制（微分几何，混沌，变结构）23第二节第二节自动控制的基本方式自动控制的基本方式24开环控制开环控制按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制复合控制复合控制 下面根据不同的信号源（按信号流向划下面根据不同的信号源（按信号流向划分）来分析自动控制的几种基本控制方式：分）来分析自动控制的几种基本控制方式：25一、按给定值操纵的开环控制控制装置控制装置受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图按给定值操纵的开环控制系统原理方框图*开开环控制环控制系统的输出端与输入端之间不存在反系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。有影响。26特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控控制装置只按给定值来控制受控 对象。对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成优点：控制系统结构简单，相对来说成 本低。本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值对可能出现的被控量偏离给定值 的偏差没有任何修正能力，抗干的偏差没有任何修正能力，抗干 扰能力差，控制精度不高。扰能力差，控制精度不高。27炉温控制系统原理图炉温控制系统原理图炉温控制系统原理方框图炉温控制系统原理方框图定时开关定时开关炉子炉子电阻丝电阻丝例如：例如：28二、按干扰补偿的开环控制二、按干扰补偿的开环控制l定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量l 特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。无法控制。l适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。29水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图水位高度控制系统原理方框图例如：例如：30三、按偏差调节的闭环控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起 的变动。的变动。计算比较计算比较给定值给定值执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按偏差调节的系统原理方框图按偏差调节的系统原理方框图31 反馈回来的信号与给定值反馈回来的信号与给定值相减相减，即根据，即根据偏差进行控制，称为偏差进行控制，称为负反馈负反馈，反之称为，反之称为正反正反馈。馈。优点：优点：控制精度较高控制精度较高。缺点：参数如果匹配得不好，会造成被控量缺点：参数如果匹配得不好，会造成被控量 的较大摆动，甚至系统无法正常工作。的较大摆动，甚至系统无法正常工作。32飞机自动驾驶系统原理图飞机自动驾驶系统原理图例如：例如：给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器33控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角：飞机的俯仰角 。俯仰角控制系统原理方框图俯仰角控制系统原理方框图34四、复合控制 复合控制就是复合控制就是开环控制和闭环控制相结合开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。计算比较计算比较给定值给定值执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量复合控制系统原理方框图复合控制系统原理方框图计算计算测量测量35五、自动控制系统的其他分类按系统功用分按系统功用分按元件类型分按元件类型分按系统性能分按系统性能分按输入量的形式分按输入量的形式分机械系统、电气系统、机电系统、液机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统等。压系统、气动系统等。温度控制系统、压力控制系统、位置温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、速度控制系统等。控制系统、速度控制系统等。线性系统和非线性系统、连续系统和线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和非确定性系统。定性系统和非确定性系统。恒值控制系统、随动系统和程恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。序控制系统。361 1、线性连续控制系统、线性连续控制系统线性连续系统通常可以用如下微分方程描述：线性连续系统通常可以用如下微分方程描述：其中，其中，c(t)c(t)是是被控量被控量，r(t)r(t)是是系统输入量系统输入量。（1 1）当）当a a0、a a1 a an及及b b0、b b1 b bm是常数时，系统为是常数时，系统为定定常系统常系统；（2 2）当）当a a0、a a1 a an及及b b0、b b1 b bm随时间变化时，系统随时间变化时，系统为为时变系统时变系统；37按照按照r(t)的变化，线性连续系统又可分为三类。的变化，线性连续系统又可分为三类。（1 1）恒值控制系统）恒值控制系统（2 2）随动系统）随动系统(伺服系统）伺服系统）（3 3）程序控制系统）程序控制系统2 2、线性定常离散系统、线性定常离散系统 离散系统是指系统的某处或多处的离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上是离散的形式，信号在时间上是离散的。如：工业计算机控制系统。如：工业计算机控制系统。一般用如下所示线性差分方程来描述离散系统：一般用如下所示线性差分方程来描述离散系统：383 3、非线性控制系统、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，输出特性是非线性的，这类系统就是非线性系统，一般用非线性微分方程（或差分方这类系统就是非线性系统，一般用非线性微分方程（或差分方程）描述系统特性。程）描述系统特性。*非线性程度不严重的元部件可采用在小范围内线性化处理方非线性程度不严重的元部件可采用在小范围内线性化处理方 法，近似为线性系统。法，近似为线性系统。非线性方程的特点是非线性方程的特点是系数与变量有关系数与变量有关，或者方程中含，或者方程中含有有变量及其导数的高次幂或乘积项变量及其导数的高次幂或乘积项。5 5、集中参数系统和分布参数系统、集中参数系统和分布参数系统4 4、SISOSISO系统和系统和MIMOMIMO系统系统按照输入信号和输出信号的数目划分。按照输入信号和输出信号的数目划分。按组成系统的部件划分。按组成系统的部件划分。39第三节第三节对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求40n定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：稳：指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。快：快：指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。准：准：指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。41稳：稳：指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线 系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统所示，则系统是不稳定的。是不稳定的。42快：快：指动态过程的快速性指动态过程的快速性 快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。系统的动态精度高。控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线43准：准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为定值的偏差，这一偏差称为稳态误差稳态误差，是衡量稳态精度的指，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。标，反映了系统后期稳态的性能。稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。快、准的要求是相互制约的。44第四节第四节自动控制系统示例自动控制系统示例45生产过程的自动化生产过程的自动化 工业自动化技术工业自动化技术 自动控制装置自动控制装置：如电动机调速系统，温度控制系统等：如电动机调速系统，温度控制系统等 化工、冶金、电力、汽车、造纸等行业的生产自动化。如化工、冶金、电力、汽车、造纸等行业的生产自动化。如汽车的总装配生产线上的机器人焊接、装配工过程。汽车的总装配生产线上的机器人焊接、装配工过程。控制系统的工程应用控制系统的工程应用 分析自动控制系统分析自动控制系统的方法的方法 1)1)明确受控对象、被控量、主要干扰信号；明确受控对象、被控量、主要干扰信号；2 2）明确执行）明确执行元件；元件；3 3）找到测量元件和测量对象；）找到测量元件和测量对象；4 4）找到指令信号或者给）找到指令信号或者给定值；定值；5 5）明确比较放大及偏差反馈环节。）明确比较放大及偏差反馈环节。46温度控制系统温度控制系统47温度控制系统温度控制系统48位置随动控制系统位置随动控制系统 49汽车驾驶系统汽车驾驶系统 50硬磁盘中的磁头位置控制系统硬磁盘中的磁头位置控制系统 51火电厂电能生产综合控制系统火电厂电能生产综合控制系统 522 2、系统分析、系统分析 系统分析包括：稳定性分析、动态分析与稳定性能分析。系统分析包括：稳定性分析、动态分析与稳定性能分析。本课程系统阐述经典控制理论，以讨论线性定常系统为主，本课程系统阐述经典控制理论，以讨论线性定常系统为主，适当介绍非线性系统的理论和方法；以连续系统为主，兼顾离适当介绍非线性系统的理论和方法；以连续系统为主，兼顾离散系统。课程学习主要围绕以下三个方面展开。散系统。课程学习主要围绕以下三个方面展开。1 1、数学模型、数学模型 讨论线性定常系统在时域、复域、频域、讨论线性定常系统在时域、复域、频域、z z域的数学模型，域的数学模型，包括各种解析式、结构图与信号流图等不同的表现形式。学习包括各种解析式、结构图与信号流图等不同的表现形式。学习其基本概念和系统描述方法。其基本概念和系统描述方法。本课程的主要任务本课程的主要任务3 3、系统综合、系统综合 控制系统的设计与校正。主要介绍系统综合的原理与思路、控制系统的设计与校正。主要介绍系统综合的原理与思路、常见的校正远景与装置特性和频率特性法校正方法。常见的校正远景与装置特性和频率特性法校正方法。53传递函数分析方法传递函数分析方法频率特性分析方法频率特性分析方法*掌握经典控制论的基本方法掌握经典控制论的基本方法*了解控制系统仿真软件了解控制系统仿真软件的应用的应用(Matlab)*学习数字控制系统的分析和设计方法学习数字控制系统的分析和设计方法本课程的主要要求本课程的主要要求5455本 章 小 结1.自动控制的基本概念；自动控制的基本概念；2.自动控制的基本方式和原理（尤其要理解反馈控自动控制的基本方式和原理（尤其要理解反馈控制原理）；制原理）；3.自动控制系统的性能：自动控制系统的性能：稳、准、好稳、准、好。4.在已知自动控制原理图的情况下，能够正确作出在已知自动控制原理图的情况下，能够正确作出系统的职能方框图。系统的职能方框图。55习习 题题思考：思考：1-1、1-3、1-4、1-5。56本课程主要参考书目本课程主要参考书目 1、李友善，自动控制理论，国防工业出版社，、李友善，自动控制理论，国防工业出版社，1990年年2、钱学森，宋健、钱学森，宋健.工程控制论工程控制论.北京：科学出版社，北京：科学出版社，1981年年3、胡寿松、胡寿松.自动控制原理自动控制原理.北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，1984年年4、杨自厚、杨自厚.自动控制原理自动控制原理.冶金工业出版社，冶金工业出版社，1990年年5、朱骥北、朱骥北.机械控制工程基础机械控制工程基础.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，1990年年6、蔡尚峰，自动控制理论，机械工业出版社，、蔡尚峰，自动控制理论，机械工业出版社，1981年年7、戴忠达，自动控制理论基础，清华大学出版社，、戴忠达，自动控制理论基础，清华大学出版社，1991年年8、吴、吴 麒，自动控制原理，清华大学出版社，麒，自动控制原理，清华大学出版社，1990年年9、黄家英，自动控制原理，东南大学出版社，、黄家英，自动控制原理，东南大学出版社，1991年年10、胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，、胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，1984年年11、周其节，自动控制原理，电子工业出版社，、周其节，自动控制原理，电子工业出版社，1985年年57