第章控制系统概述.pptx

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1、第1章 控制系统概述1.1 控制理论在工程技术中的应用控制理论在工程技术中的应用1.2 控制系统的基本组成控制系统的基本组成1.3自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型Control Theoryclassical controlmodern controlIntelligent controloptimal controlAdaptive controlControl is a multidisciplinary subjectControl systemsElectrical machinesMaterial propertiesStructuresElectronicsmathem

2、aticsMechanics1.1 控制理论在工程技术中的应用自动控制就是在没有人参与的情况下，使生产过自动控制就是在没有人参与的情况下，使生产过程或被控对象的某些物理量按照预定的规律变化。程或被控对象的某些物理量按照预定的规律变化。例如：例如：液压系统的压力、流量、温度、污染度等：液压系统的压力、流量、温度、污染度等： (P，Q，T，C)电气网络中的电压、电流、功率、电阻、电容、电气网络中的电压、电流、功率、电阻、电容、电感等：电感等： (V，I，W，R，C，L) 任何控制系统的物理模型都可以用下图任何控制系统的物理模型都可以用下图来描述系统、输入和输出三者之间的关系。来描述系统、输入和输出

3、三者之间的关系。输出输入系 统2) 系统确定，求输入，使输出尽可能符合给定的最优要系统确定，求输入，使输出尽可能符合给定的最优要 求，即最优控制问题。求，即最优控制问题。3) 输入已知，使输出尽可能复现输入给定的最佳要求，输入已知，使输出尽可能复现输入给定的最佳要求，即最优设计问题。即最优设计问题。4) 输出已知，确定系统，识别输入中的有关信息，即滤输出已知，确定系统，识别输入中的有关信息，即滤波与预测问题。波与预测问题。5) 输入和输出已知，确定系统的结构和参数，即建立数输入和输出已知，确定系统的结构和参数，即建立数学模型，称为系统辨识问题。学模型，称为系统辨识问题。1) 当系统给定，输入已

4、知，求系统的输出响应，通过当系统给定，输入已知，求系统的输出响应，通过输出响应来研究系统本身的各种问题，即系统分析。输出响应来研究系统本身的各种问题，即系统分析。从控制工程的角度可归纳为以下五个方面从控制工程的角度可归纳为以下五个方面1.2 控制系统的基本组成控制系统的基本组成给定元件输入信号比较元件偏差信号串联校正元件控制对象放大元件执行元件并联校正元件反馈元件局部反馈主反馈输出扰动给定元件：主要用于产生给定信号。如调速系统的电位计给定元件：主要用于产生给定信号。如调速系统的电位计反馈元件：测量被调量，产生主反馈信号，该信号与输出反馈元件：测量被调量，产生主反馈信号，该信号与输出量之间存在确

5、定的函数关系（通常是比例关系）。如：调量之间存在确定的函数关系（通常是比例关系）。如：调速系统的测速发电机速系统的测速发电机比较元件：用来比较输入信号和反馈信号并产生偏差信号比较元件：用来比较输入信号和反馈信号并产生偏差信号的元件。的元件。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件，放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件，以输出量具有足够的功率和幅值。如伺服功率放大器、电以输出量具有足够的功率和幅值。如伺服功率放大器、电液伺服阀。液伺服阀。执行元件：直接对控制对象进行操纵的元件。如液压缸，执行元件：直接对控制对象进行操纵的元件。如液压缸，伺服电动机。伺服电动机。控制对象：控制系

6、统要操纵的对象，它的输出量即为系统控制对象：控制系统要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。如工作台。的被控制量。如工作台。校正元件：也称校正装置，是为了改善系统的控制性能而校正元件：也称校正装置，是为了改善系统的控制性能而加入系统里的。加入系统里的。1.3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型1. 按给定量的运动规律分类按给定量的运动规律分类:1) 恒值控制系统恒值控制系统2) 程序控制系统程序控制系统3) 随动系统随动系统2. 按系统反应特性分类按系统反应特性分类 2). 离散控制系统离散控制系统 系统的一切量都用数字量表示，数字量之间不系统的一切量都用数字量表示，数字量之间不

7、连续，用计算机控制。连续，用计算机控制。1). 连续控制系统连续控制系统可分为：线性控制系统和非线性控制系统可分为：线性控制系统和非线性控制系统 用线性微分方程描述的系统称为线性系统；用线性微分方程描述的系统称为线性系统；不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。系统称为非线性系统。3. 按执行元件的物理性能分类按执行元件的物理性能分类1）电气控制系统；）电气控制系统；2）液压控制系统；）液压控制系统；3）机械控制系统；）机械控制系统；4）机电一体化控制系统；）机电一体化控制系统；5）热能控制系统。）热能控制系统。1) 开环控制系统

8、开环控制系统，即系统的输出与输入信号之间，即系统的输出与输入信号之间不存在反馈回路，输出信号对控制系统无影响。不存在反馈回路，输出信号对控制系统无影响。其特点是：其特点是：结构简单，成本较低，通常用于系统结构简单，成本较低，通常用于系统结构参数稳定，没有干扰或所受干扰很小场合。结构参数稳定，没有干扰或所受干扰很小场合。4. 按控制类型分类按控制类型分类2) 闭环控制系统闭环控制系统，即系统的输出与输入信号之间，即系统的输出与输入信号之间存在反馈回路，输出信号对控制系统产生影响，存在反馈回路，输出信号对控制系统产生影响，从而提高系统的控制精度。从而提高系统的控制精度。其特点是：其特点是：结构复杂

9、，成本高，通常用于系统结结构复杂，成本高，通常用于系统结构参数稳定和非稳定系统，抗干扰能力强。构参数稳定和非稳定系统，抗干扰能力强。4. 按控制类型分类按控制类型分类闭环控制系统闭环控制系统：指通过负反馈构成闭环，按偏差产生控制作用以减小或消除偏差的控制系统。 闭环控制系统结构较复杂，它的突出优点突出优点是：控制精度高，控制精度高，抗干扰能力强抗干扰能力强，只要被控量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。控制装置被控对象输入量输出量扰动反馈装置从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般归结为：同的要求，一般归结为：快

10、速性快速性 稳定性稳定性准确性准确性快速性：快速性：在控制系统处于稳定的条件下，要求系统在受扰动信号在控制系统处于稳定的条件下，要求系统在受扰动信号的作用后，输出量与给定量之间的偏差能够及时消除。的作用后，输出量与给定量之间的偏差能够及时消除。 准确性：准确性：在调节过程结束后输出量与给定量之间的偏差，也称稳在调节过程结束后输出量与给定量之间的偏差，也称稳态精度。态精度。 稳定性：稳定性：控制系统的最基本要求，是指系统动态过程的振荡趋向或使控制系统的最基本要求，是指系统动态过程的振荡趋向或使系统能够恢复平衡的能力，要求输出量在受扰动信号作用后系统能够恢复平衡的能力，要求输出量在受扰动信号作用后

11、能够随时间的推移而得到平衡状态。能够随时间的推移而得到平衡状态。 双电位器电液位置伺服系统双电位器电液位置伺服系统闭环控制系统实例闭环控制系统实例闭环控制系统实例闭环控制系统实例恒温控制系统恒温控制系统液压缸缸体和控制阀液压缸缸体和控制阀阀体连成一体，形成阀体连成一体，形成液压缸运动的负反馈，液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体（刀具）使液压缸缸体（刀具）完全跟随阀芯（触销完全跟随阀芯（触销8）运动。）运动。闭环控制系统实例闭环控制系统实例闭环控制系统实例闭环控制系统实例函数记录仪原理图函数记录仪原理图Water clockHistorical ReviewHistorical ReviewSei

12、smograph invented by Zhang Heng in AC132公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 Historical ReviewHistorical ReviewJames Watts flyball governor(飞球调速器飞球调速器) for the speed control of a steam engine in 1769J.C. Maxwell formulates a mathematical model for a governor control of a steam engine in1868oHenry Ford s mechanize

13、d assembly line for automobile(汽车汽车) production in 1913Historical Review H.W.Bode and H.Nyquist developed the analysis of feedback amplifiers at Bell Telephone Lab from the late1920s to the early 1930s (Frequency response methods) A large impetus to the theory and practice of automatic control occur

14、red during World War II (auto-pilots, gun-positioning systems, radar antenna control system) Historical ReviewThe first Numerical control machine tool was developed in MIT in 1952In 1948, Walter R. Evans developed the root-locus methodsThe first industrial robot in 1954Colombia Space shuttle was lau

15、nched successfully for the first time in 1981Historical ReviewApplication of Control Systems装配机器人汽车自动焊接生产线Application of Control Systems自动立体仓库Application of Control SystemsInjection Molding MachineAutomotive delivery vehicle Application of Control SystemsRobot football match月球车月球车Example of Control

16、SystemFig 1.2 system representation of temperature controlFig1.1 Water temperature control systemExample of Control SystemFig 1.3 automatic water temperature control systemFig 1.4 Block diagram of automatic temperature control systemDesign examplesProblem Many modern devices use a turntable to rotat

17、e a disk at a constant speed. Our goal is to design a system for turntable(转盘) speed control that will ensure that the actual speed of rotation within a specified percentage of the desired speed.Design examplesBlock diagramOpen-loop control of the speed of a turntableDesign examples Closed-loop cont

18、rol of the speed of a turntableBlock diagramReferences (参考教材） Richard C.Dorf and Robert H.Bishop. Modern Control Systems. 9th edition, Science Press. Katsuhiko Ogata. Modern Control Engineering. 卢伯英,于海勋等译.电子工业出版社,2003. Norman S. Nise. Control Systems Engineering. John Wiley&Sons,Inc. 董景新主编. 控制工程基础（第3版）.北京：清华大学出版社 薛定宇著. 控制系统计算机辅助设计- MATLAB语言. 北京：清华大学出版社. 1996