控制工程基础fhfu.pptx

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1、控制工程基础北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系3/9/20231北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系教材与主要参考书1、胡寿松、胡寿松.自动控制原理简明教程自动控制原理简明教程(第一第一版），北京：科学出版社，版），北京：科学出版社，20052、刘豹、刘豹.现代控制理论（第三版），北京：现代控制理论（第三版），北京：机械工业出版社，机械工业出版社，20063、吴麒、吴麒.自动控制原理自动控制原理-上、下册（第二上、下册（第二版），北京：清华大学出版社，版），北京：清华大学出版社，20064、董景新、董景新.控制工程基础，北京：清华大控制

2、工程基础，北京：清华大学出版社，学出版社，20063/9/20232北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1、绪论1.1 课程介绍课程介绍1.2 自动控制理论与技术的产生与发展自动控制理论与技术的产生与发展1.3 控制系统的基本概念和原理控制系统的基本概念和原理 1.4 控制系统的组成和基本环节控制系统的组成和基本环节1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.6自动控制系统基本要求自动控制系统基本要求3/9/20233北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系本章学习要点了解自动控制的起源和发展；了解自动控制的起源和发展；了解闭环控制系统的

3、组成和基本环节；了解闭环控制系统的组成和基本环节；了解反馈控制的工作原理；了解反馈控制的工作原理；掌握反馈控制系统的基本要求；掌握反馈控制系统的基本要求；掌握相应的概念及技术术语；掌握相应的概念及技术术语；3/9/20234北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.1 课程介绍自动控制技术是人类在认识世界和发明创新的过程中自动控制技术是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，可以完成发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，可以完成许多人类自身无法完成的工作，对于提高精度、质量、许多人类自身无法完成的工作，对于提高精度、质量、性能及效率起到关

4、键性的作用。同时还可以使人类从性能及效率起到关键性的作用。同时还可以使人类从笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作工作自动控制技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩自动控制技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高新技术之一，是推动新的技术革命和新的产业目的高新技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。革命的关键技术。自动控制理论则是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论则是研究自动控制共同规律的技术科学。控制工程基础是一门专业基础课程，主要介绍控制工程基础是一门专业基础课程，主要介绍系统的系统的建立建立、分析分析与

5、与设计设计等基本理论及方法的课程；是本学等基本理论及方法的课程；是本学科的技术基础课。科的技术基础课。3/9/20235北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.1 课程介绍线性代数线性代数微积分微积分自动控制理论自动控制理论古典控古典控制理论制理论现代控现代控制理论制理论积分变换积分变换复变函数复变函数过程控制过程控制电力电子技术电力电子技术计算机技术计算机技术通讯技术通讯技术自动控制原理自动控制原理3/9/20236北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.2 自动控制技术的产生与发展自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人自动控制的基础

6、为闭环控制。控制论的奠基人N.WienerN.Wiener 给出的定义为：给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”into it the result of its past performance”闭环控制系统的结构框图：闭环控制系统的结构框图：3/9/20237北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技

7、大学信息工程学院自动化系1.3 自动控制的基本概念和原理什么是自动控制？什么是自动控制？自动控制是指：不需要人的直接参与，而自动控制是指：不需要人的直接参与，而控制某些物理量按照指定的规律变化。控制某些物理量按照指定的规律变化。220V12uc手动控制手动控制1（眼）观测温度（眼）观测温度2（与要求）比较（与要求）比较3（作出）决定（作出）决定4（手）调节（手）调节3/9/20238北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系自动控制自动控制1 通过热电耦测量温度通过热电耦测量温度代替眼观测代替眼观测，并转换成电，并转换成电压信号压信号Uf。2 Uf与给定电压与给定电压Ug

8、比较，得到偏差电压。比较，得到偏差电压。代替人脑代替人脑1.3 自动控制的基本概念和原理3 偏差电压通过放大偏差电压通过放大器进行电压及能量器进行电压及能量的放大，控制电机的放大，控制电机旋转。旋转。代替人手代替人手 来调节电位器滑杆，来调节电位器滑杆，从而达到控制炉温从而达到控制炉温的作用。的作用。3/9/20239北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系12扰动量扰动量给定量给定量输出量输出量 1-1-控制器控制器(自耦变压器自耦变压器)2-2-被控对象被控对象(电阻炉电阻炉)图中：图中：工作原理分析1.3 自动控制的基本概念和原理1 1、开环系统、开环系统信号流程

9、图信号流程图该图也称为系该图也称为系统方框图统方框图3/9/202310北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系适用范围适用范围：输入量已知、控制精度要求不高、扰：输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大。动作用不大。工作原理与特点工作原理与特点（1）开环控制：只有输入量对输出量产生控制作）开环控制：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制特点）开环控制特点结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题性问题输入控制输出输入控制输出输出不参与控制输出不参与控制系统没有抗干

10、扰能力系统没有抗干扰能力1.3 自动控制的基本概念和原理3/9/202311北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系2 2 闭环控制闭环控制：该系统中，该系统中，给定炉温通过一个电位器的给定炉温通过一个电位器的电压值电压值Ug反映。实际反映。实际炉温通过热电耦测量，并将温炉温通过热电耦测量，并将温度值转换为一个电压值度值转换为一个电压值UfUf。通过。通过UgUg与与UfUf的反向串接，的反向串接，实现与给定电压实现与给定电压UgUg的比较：的比较：UgUgUfUf U U。U U的大小反映的大小反映了实测炉温与给了实测炉温与给定炉温的差别，定炉温的差别，它的正负决定了

11、它的正负决定了执行机构执行机构电机电机的转向。进而改的转向。进而改变电位器滑杆的变电位器滑杆的位置，以达到调位置，以达到调节温度的目的。节温度的目的。1.3 自动控制的基本概念和原理3/9/202312北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.3 自动控制的基本概念和原理信号流程图（系统方框图）信号流程图（系统方框图）放大器放大器执行电机执行电机被控对象被控对象检测元件检测元件信号流向信号流向前向通道：从给定输入到系统输出的信号通路。前向通道：从给定输入到系统输出的信号通路。给定量给定量比较环节比较环节放大器放大器执行机构（执行执行机构（执行电机）电机）被控对象（加热

12、炉）被控对象（加热炉）输出量输出量反馈通道：从输出到输入的信号通路：反馈通道：从输出到输入的信号通路：输出量输出量检测元件检测元件比较环节比较环节给定量给定量比较环节比较环节输出量输出量3/9/202313北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.3 自动控制的基本概念和原理工作原理与特点工作原理与特点 反馈控制：反馈控制：输出量通过反馈通道反馈到输入端输出量通过反馈通道反馈到输入端,经比较环节经比较环节与给定信号进行比较，产生与给定信号进行比较，产生偏差信号偏差信号,此此偏差信号偏差信号经经过相应的环节（控制器或称效正环节）产生控制作过相应的环节（控制器或称效正环节

13、）产生控制作用用,控制输出量按照要求的规律变化；控制输出量按照要求的规律变化；这种控制方式称为这种控制方式称为反馈控制方式！反馈控制方式！反馈控制是通过反馈控制是通过偏差信号偏差信号产生控制作用，并试图产生控制作用，并试图去去消除偏差消除偏差来达到控制目的。来达到控制目的。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为反之为正反馈。正反馈。信号从前向通道传递到输出再经过反馈通道到比信号从前向通道传递到输出再经过反馈通道到比较环节形成了一个闭合路经，故也称为较环节形成了一个闭合路经，故也称为闭环控制。闭环控制。3/9/202314北京科技大学信息工程学院自动化系北京

14、科技大学信息工程学院自动化系 反馈控制特点反馈控制特点输入控制输出，输出参与控制输入控制输出，输出参与控制检测偏差、纠正偏差检测偏差、纠正偏差具有抗干扰能力具有抗干扰能力结构复杂结构复杂实际生产过程中的反馈控制均为负反馈实际生产过程中的反馈控制均为负反馈闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的，所以经典控制理论的出信号的负反馈作用而产生的，所以经典控制理论的主要研究对象是负反馈的闭环控制系统，研究的目的主要研究对象是负反馈的闭环控制系统，研究的目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求是得到它的一般规律，从而

15、可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良的控制系统。的，满足实际需要的，性能指标优良的控制系统。1.3 自动控制的基本概念和原理3/9/202315北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.3 自动控制的基本概念和原理自动控制自动控制不需要人的直接参与，而控制某些不需要人的直接参与，而控制某些物理量按照指定的规律变化。物理量按照指定的规律变化。系统系统由内部互相联系的部件按照一定规律组由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。成，能够完成一定功能的有机整体。自动控制系统自动控制系统在没有人的直接干预下，为实在没有人的直接干预下，为

16、实现某一控制目标，由内部互相联系的部件按照现某一控制目标，由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成自动控制功能的有机一定规律组成，能够完成自动控制功能的有机整体。一般由控制器，控制对象，测量元件，整体。一般由控制器，控制对象，测量元件，比较环节等组成。比较环节等组成。3/9/202316北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.4 控制系统的组成和基本环节 1 1控制器控制器 2 2执行装置执行装置 3 3控制对象控制对象 4 4检测装置检测装置 5比较环节比较环节 反馈工作原理反馈工作原理：发现偏差：发现偏差消除偏差。消除偏差。思考题：思考题：如果反馈是正反馈

17、的话，试分析该系统的如果反馈是正反馈的话，试分析该系统的 控制过程。控制过程。闭环控制系统的基本组成、结构和环节闭环控制系统的基本组成、结构和环节1.闭环控制结构图闭环控制结构图 3/9/202317北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系2.闭环控制系统的基本环节与参量闭环控制系统的基本环节与参量（1）被）被控对象或调节对象：控对象或调节对象：要控制的设备或过程。要控制的设备或过程。（2）系统输出量或被控量：系统输出量或被控量：系统所控制的物理量系统所控制的物理量（3）效正环节（控制器）：根据偏差信号形成适当效正环节（控制器）：根据偏差信号形成适当的控制作用（规律）。

18、的控制作用（规律）。（4）执行机构：执行机构：接受控制器（放大元件）的指令，接受控制器（放大元件）的指令，并直接作用于控制对象，使被控制量发生变化并直接作用于控制对象，使被控制量发生变化：。（5）检测装置（或传感器）：检测装置（或传感器）：检测被控制量，并将检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量：其转换为与给定量相同的物理量：（6）给定环节：给出与期望的被控量相对应的输入）给定环节：给出与期望的被控量相对应的输入量。量。比较环节：将所检测的被控制量与给定量进行比比较环节：将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。较，确定两者之间的偏差量。1.4 控制系统的组成和基本环节

19、3/9/202318北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系(1)(1)被控对象被控对象(2)(2)被控量或输出量被控量或输出量(3)(3)控制量控制量(4)(4)设定量或输入量设定量或输入量(5)(5)扰动量扰动量(6)(6)反馈量反馈量3.3.闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语(7)(7)偏差量偏差量(8)(8)前向通道或正向通道前向通道或正向通道(9)(9)反馈通道或反向通道反馈通道或反向通道(10)(10)期望输出期望输出(11)(11)实际输出实际输出(12)(12)检测量检测量1.4 控制系统的组成和基本环节3/9/202319北京科技大学信息

20、工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.5 自动控制系统的分类1.按照信号传输特性划分按照信号传输特性划分线性系统：线性系统：由线性元件组成的系统，由线性元件组成的系统，主要特征是满足主要特征是满足叠加原理叠加原理和和齐次定理齐次定理，即当系统在输入信号，即当系统在输入信号u1(t)的作的作用下产生系统的输出用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号，当系统在输入信号u2(t)的的作用下产生系统的输出作用下产生系统的输出y2(t)。如果系统的输入信号为。如果系统的输入信号为au1(t)+bu2(t)时，系统的输出满足时，系统的输出满足ay1(t)+by2(t)，系，系数数a,b

21、可以是常数，也可以是时变参数。可以是常数，也可以是时变参数。非线性系统：非线性系统：由非线性元件组成的系统，不由非线性元件组成的系统，不满足满足叠加叠加原理原理和和齐次定理齐次定理。3/9/202320北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系2.2.按照信号传递方式划分按照信号传递方式划分连续控制系统：连续控制系统：系统各部分的信号都是模拟的连续函数。系统各部分的信号都是模拟的连续函数。离散控制系统：离散控制系统：系统的一处或几处信号是以脉冲系列或数系统的一处或几处信号是以脉冲系列或数码的形式传递。码的形式传递。3.3.按照输入量的变化规律划分按照输入量的变化规律划分恒

22、值系统：恒值系统：要求被控量保持恒定。故给定量是恒定不要求被控量保持恒定。故给定量是恒定不变的。变的。随动系统：随动系统：给定量按照事先未知的时间函数变化，要给定量按照事先未知的时间函数变化，要求被控量以误差尽可能小的跟随给定变化。求被控量以误差尽可能小的跟随给定变化。程序控制系统：程序控制系统：给定量是按照一定的时间函数变化的，给定量是按照一定的时间函数变化的，要求被控量准确地重现给定量的变化。要求被控量准确地重现给定量的变化。1.5 自动控制系统的分类3/9/202321北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系4.4.按端口关系划分按端口关系划分SISOSISO系统

23、系统MIMOMIMO系统系统1.5 自动控制系统的分类3/9/202322北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.1.对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳稳”是指系统的是指系统的稳定性稳定性。稳定性稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。决定

24、的，与外部条件和初始状态无关。“快快”是说明系统是说明系统动态（过渡过程）品质动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件系统中储能元件的能量不可能突变。的能量不可能突变。“准准”是说明系统的是说明系统的静态品质静态品质。表明了系统的精确性和准确性。表明了系统的精确性和准确性。1.6 自动控制系统基本要求3/9/202323北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系有差系统（图有差系统（图b b）：若稳态误差为零，则系统称为）：若稳态误差为零，则系统称为无差系统。无差系统。无差系统（图无差系统（图a a）：若稳态误差不为零，则系统

25、称）：若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。为有差系统。1.6 自动控制系统基本要求3/9/202324北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系自动控制的基本概念自动控制的基本概念开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制负反馈的闭环控制系统的工作原理负反馈的闭环控制系统的工作原理专用术语及控制系统的组成专用术语及控制系统的组成小小 结结3/9/202325北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预

26、计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。2.闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。3/9/202326北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、效正环节、执行机构、被控对象等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间的因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。3/9/202327北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系5.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。6.对自动控制系统的性能指标要求有：稳定性系统能工作的首要条件；快速性用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述；准确性用稳态误差来衡量。3/9/202328北京科技大学信息工程学院自动化系北京科技大学信息工程学院自动化系