控制系统的总论优秀PPT.ppt

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1、控制系统的总论你现在浏览的是第一页，共29页课程安排21 控制系统导论控制系统导论 （2学时）学时）2 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 （8学时）学时）3 时域分析法时域分析法 （10学时）学时）4 根轨迹法根轨迹法 （4学时）学时）5 频域分析法频域分析法（12学时）学时）6 线性系统的校正方法线性系统的校正方法（4学时）学时）你现在浏览的是第二页，共29页第一章 导论31.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统的分析与设计工具自

2、动控制系统的分析与设计工具你现在浏览的是第三页，共29页1.1 自动控制的基本原理1 自动控制系统自动控制系统 在没有人直接参与下，利用采集和加工的信息，构造控制装置在没有人直接参与下，利用采集和加工的信息，构造控制装置（控制器）按一定的控制规律产生作用，使受控客体（控制对象）（控制器）按一定的控制规律产生作用，使受控客体（控制对象）某一物理量（被控量）达到所要求的性能或实现预定目标的系统。某一物理量（被控量）达到所要求的性能或实现预定目标的系统。控制对象控制对象：控制系统要进行控制的受控客体：控制系统要进行控制的受控客体 如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电如冰箱、空调、洗衣机、

3、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、厂锅炉、酿酒过程等各种机器或生产过程。酿酒过程等各种机器或生产过程。被控量被控量：控制对象要实现的量：控制对象要实现的量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹、电网、电网的电压的电压、生产过程中的压力、流量、生产过程中的压力、流量、温度、温度、湿度等。、湿度等。4你现在浏览的是第四页，共29页2 自动控制理论的发展简史人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如多装置。如20002000年前，罗马人：水位控制系统（淋浴）年前，罗马人

4、：水位控制系统（淋浴），神庙（开，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、技师、工程师工程师 、科学家、科学家 ）：苏）：苏颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。17861786年，年，James Watt James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。动控制领域的第一项重大成果。18681868年，英国年，英国J.C J.C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。不稳定问题。18771

5、877年年 劳斯劳斯 ，18921892年李雅普诺夫年李雅普诺夫 19221922年，年，MinorskyMinorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。方程确定系统的稳定性的方法。19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输对稳态正弦输入入)，确定闭环系统稳定性的方法。，确定闭环系统稳定性的方法。5你现在浏览的是第五页，共29页19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论提出了

6、用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。1919世纪世纪4040年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，法，EvansEvans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。19481948年，美国数学家年，美国数学家N.WienerN.Wiener出版出版CyberneticsCybernetics是一个控制科学是一个控制科学里程碑。里程碑。控制论控制论的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。1919世纪世纪5050年

7、代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。1919世纪世纪6060年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。现代控制理论提供了可能。从从1960196019801980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从从19801980现在，智能控制理论集中于现

8、在，智能控制理论集中于3C3C控制系统及其相关课题。控制系统及其相关课题。6你现在浏览的是第六页，共29页古典（经典）控制理论古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论）自动控制原理（理论）（17871960）以传递函数为基础研究单输以传递函数为基础研究单输入单输出定常控制系统的入单输出定常控制系统的分析与设计问题。这些理论分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成由于其发展较早，现已臻成熟。熟。现代（近代）控制理论现代（近代）控制理论 （19601980）以状态空间法为基础，研究多以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分析输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度与设计问

9、题。系统具有高精度和高效能的特点。和高效能的特点。最优控制最优控制、自适应控制、自适应控制 计算机控制、系统辨识计算机控制、系统辨识7智能控制理论（智能控制理论（1980）以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境。复杂任务、复杂环境。管理和控制一体化管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统计算机集成制造系统，复杂控制系统你现在浏览的是第七页，共29页3 自动控制系统的基本控制方式 按控制方式按控制方式8开环控制开环控制闭环控制闭环控制（反馈控制、伺服控制）（反馈控制、伺服控制）复合控制复合控制 按对象方

10、式按对象方式运动控制运动控制（电机调速、机器人）（电机调速、机器人）过程控制过程控制（锅炉过程、化工过程）（锅炉过程、化工过程）你现在浏览的是第八页，共29页开环控制系统Open-loop Control System定义：系统的控制输入不受输出影响的控制系统定义：系统的控制输入不受输出影响的控制系统特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，需要将输出量

11、反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。开环控制系统又称无反馈控制系统。9控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量图图1.1 开环控制系统框图开环控制系统框图你现在浏览的是第九页，共29页闭环控制系统 Closed-loop Control System闭环控制系统又称反馈控制系统闭环控制系统又称反馈控制系统反馈反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。反馈控制反馈控制采用采用负反馈负反馈(正反馈较少正反馈较少)并利用偏差进并利用偏差进行控

12、制的过程行控制的过程（利用偏差修正偏差）。（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。10你现在浏览的是第十页，共29页闭环控制系统11图图1.2 闭环控制系统框图闭环控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量你现在浏览的是第十一页，共29页闭环与开环控制系统的比较 开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简

13、单、调修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。值（步进电机，水泵，风扇）。闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、成倍增加，车床、洗衣机、小

14、轿车）；系统设计、分析麻烦。分析麻烦。12你现在浏览的是第十二页，共29页复合控制系统 Compound Control System定义定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。统具有良好的控制性能。复合控制的两种基本形式复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制13你现在浏览的是第十三页，共29页14图图1.3 干扰补偿的复合控制系统框图干扰补偿的复合控制系

15、统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿你现在浏览的是第十四页，共29页15图图1.4 输入补偿的复合控制系统框图输入补偿的复合控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿你现在浏览的是第十五页，共29页4 闭环控制系统的基本组成用用“”号代表比较装置，号代表比较装置，“”号代表两者符号相反。信号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路前向通路

16、；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成前向通路与主反馈通路共同构成主回路主回路。此外，还有局部。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。反馈通路以及由它构成的内回路。16图图1.5 闭环控制系统基本组成框图闭环控制系统基本组成框图串连校正装置串连校正装置放大装置放大装置执行机构执行机构被控对象被控对象反馈校正装置反馈校正装置测量装置测量装置被控量被控量给定装置给定装置你现在浏览的是第十六页，共29页17给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）给定装置：产生给定值或输入信号（

17、量）（即参考量或期望值）测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号 各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。如差动放大器、自整角机。放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、

18、晶闸管。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。如步进电机，继电器开关。补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。你现在浏览的是第十七页，共29页 1 1、液位控制系统、液位控制系统 图图1.61.6（a a）是一个液位控制系统原理图。在这里

19、，）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。保持液位不变。图图1.61.6（b b）是该控制系统的方框图。）是该控制系统的方框图。181.2 自动控制系统示例自动控制系统示例你现在浏览的是第十八页，共29页19图图1.6（a）液位控制系统液位控制系统你现在浏览的是第十九页，共29页20控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 Q2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量气动

20、阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱图图1.6（b）液位控制系统液位控制系统你现在浏览的是第二十页，共29页21你现在浏览的是第二十一页，共29页1.3 自动控制系统的分类按工作原理分类按工作原理分类 开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制按数学模型分类按数学模型分类 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统定常系统和时变系统按系统内部的信号特征分类按系统内部的信号特征分类 连续系统和离散系统连续系统和离散系统按系统的功能分类按系统的功能分类 温度控制系统、位置控制系统温度控制系统、位置控制系统 压力控制系统压力控制系统、调速系统、

21、调速系统22你现在浏览的是第二十二页，共29页1.4 对自动控制系统的基本要求过度过程：在输入量作用下，系统的输出变量由初始状态过度过程：在输入量作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态过程达到最终稳态过程稳态过程：过度过程结束后的输出响应稳态过程：过度过程结束后的输出响应自动控制系统性能的基本要求（三个方面）自动控制系统性能的基本要求（三个方面）稳定性稳定性 Stability 过度过程性能（快速性）过度过程性能（快速性）Dynamic Performance Specification 稳态误差稳态误差（准确性或控制精度）（准确性或控制精度）Steady-state Error23你现

22、在浏览的是第二十三页，共29页稳定性稳定性:系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。平衡点恢复到原来平衡状态的能力。稳稳定性是定性是对对系系统统的基本要求，不的基本要求，不稳稳定的系定的系统统不能不能实现预实现预定任定任务务。稳稳定性，通常由系定性，通常由系统统的的结结构构决定与外界因素无关。决定与外界因素无关。过度过程性能过度过程性能：描述描述过渡过程性能可以用过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量，一般称为动态性能。平稳性和快速性加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。如：上升时间、峰值时间、调

23、整时间、超调量。稳态误差稳态误差：系统过渡过程结束后，期望的稳态系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。度越高。24你现在浏览的是第二十四页，共29页1.5 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计发展概况控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：第一阶段：6070年代，采用一个或者几个控制系统计算程年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。序组成的控制系统计算机辅助设计软件包

24、。第二阶段：第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。机辅助设计软件包。第三阶段：第三阶段：80中期开始，产生中期开始，产生仿真软件仿真软件MATLABMATLAB控制系统控制系统计算机辅助设计仿真系统。计算机辅助设计仿真系统。25控制系统计算机辅助设计的主要内容控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统计算机辅助分析和设计控制系统你现在浏览的是第二十五页，共29页26 数数字字仿仿真真实实验验

25、采采用用目目前前世世界界上上最最为为流流行行的的计计算算机机仿仿真真软软件件MATLABMATLAB。它它是是一一个个功功能能十十分分强强大大的的系系统统，是是集集数数值值计计算算、图图形形管管理理、程程序序开开发发为为一一体体的的环环境境，已已经经成成为为一一种种实实用用的的全全新新计计算算机机高高级级编编程程语语言。言。在在欧欧美美大大学学里里，诸诸如如应应用用代代数数、数数理理统统计计、自自动动控控制制、数数字字信信号号处处理理、模模拟拟与与数数字字通通信信、时时间间序序列列分分析析、动动态态系系统统仿仿真真等等课课程程的的教教科科书书都都把把MATLABMATLAB作作为为内内容容。M

26、ATLABMATLAB更更是是研研究究和和解解决决工工程程计计算算问问题题的的一一种种标标准准软软件件，被被用用来来解解决决一一些些实实际际课课题和数学模型问题。题和数学模型问题。MATLABMATLAB仿真软件仿真软件你现在浏览的是第二十六页，共29页27学习的流程：输入X，根据网络的状态方程沿信号传播方向计算出网络输出Y假设已知输入为X时，期望输入为D，则网络学习的流程为：计算目标函数J?yes训练完成修正权值No智能控制:第三章 神经网络控制你现在浏览的是第二十七页，共29页28网络的状态方程可以描述为网络的学习假设d(k+1)是网络的期望输出，定义目标函数为：同样可以根据BP算法来对网络权值进行训练：智能控制:第三章 神经网络控制你现在浏览的是第二十八页，共29页293.2.3 递归网络递归网络BP算法权值修正d+-输入层隐层输出层智能控制:第三章 神经网络控制你现在浏览的是第二十九页，共29页