控制工程原理第一章精选PPT.ppt

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1、控制工程原理课件第一章第1页，此课件共30页哦第一节第一节自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本构成二、控制系统的基本构成及控制方式及控制方式第一章第一章概述概述第2页，此课件共30页哦第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念自动控制：自动控制：自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置受控对象受控对象 在无人直接参与下，利用控制装操纵受控在无人直接参与下，利用控制装操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。控制器控制器给

2、定值给定值检测元件检测元件受控对象受控对象被控量被控量自动控制示意图自动控制示意图分析和设计自动控制系统的性能。分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：自动控制原理的主要任务：第3页，此课件共30页哦例例水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度.实实现没有人直接现没有人直接参入的自动水参入的自动水温控制温控制.第一节第一节 自动控制与自动控制系统自

3、动控制与自动控制系统第4页，此课件共30页哦为为了了方方便便地地分分析析系系统统性性能能，一一般般用用框框图图来表示系统的结构，如图所示来表示系统的结构，如图所示:要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要,必须研究自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。实实际际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预预期期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱第一节第一节第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第5页，此课件共30页哦二、自动控制系统的基本构成

4、及二、自动控制系统的基本构成及控制方式控制方式1开环控制开环控制有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制方式自动控制系统一般有两种基本控制方式.开环控制开环控制控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第6页，此课件共30页哦例例转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用现代装置中广泛应用.转台转台电机电机电源和放电源和放大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见：被控制量速度被控制量速度

5、没有反馈到输入没有反馈到输入端与给定信号比端与给定信号比较较,为开环控制系为开环控制系统。统。第一节第一节第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第7页，此课件共30页哦预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器系统结构和控制过程均很简单，但抗扰系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。控制性能要求较低的场合。转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点：2闭环控制闭环控制

6、有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制闭环控制:闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第8页，此课件共30页哦测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_当当实实际际速速度度受受扰扰动动的的影影响响发发生生变变化化时时，通通过过系系统统的的调调节节，从从而而消消除除扰扰动动对对速速度度的的影影响。响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图第一节第一

7、节第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第9页，此课件共30页哦例例转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。第一节第一节第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第10页，此课件共30页哦调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直流电动

8、机直流电动机放大器放大器测速机测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。统的自动调整加以抑制。nUfeUdn减减小小或或消消除除由由于于扰扰动动所所形形成成的的偏偏差差值值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：闭环控制系统具有的特点：第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第11页，此课件共30页哦3复合控制复合控制测量出外部作用，形成与外部作用相反测量出外部作用，形成与外部作用相

9、反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。影响。前馈补偿控制前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：前馈补偿控制：复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第12页，此课件共30页哦(a)按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制第一节第一节第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第13页，此课件共30页哦(

10、b)按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第14页，此课件共30页哦第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统自动控制系统的分类方法较多，常见自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种的有以下几种由线性微分方程或线性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。程所描述的系统称为非线

11、性系统。第一章第一章概概述述第15页，此课件共30页哦二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统:若系统微分方程的系数为常数，则称若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。要讨论对象。系统数学模型微分方程的系数不是时间系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类第16页，此课件共30页哦三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统：系统中各部分的信号都是时间的连续函系统中各部分的信号都是时间的

12、连续函数即模拟量。数即模拟量。离散系统：离散系统：系统中有一处或多处信号为时间的离系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。散函数，如脉冲或数码信号。若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类第17页，此课件共30页哦四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和程序控制系统程序控制系统系统的给定值为一定值，而控制任务就是系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。克服扰动，使被控量保持恒值。例如：电机速度控制、恒温、恒压、例如：电机速度控制、

13、恒温、恒压、水位控制系统等。水位控制系统等。恒值系统：恒值系统：第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类第18页，此课件共30页哦随动系统：随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。变化，并要求被控量跟随给定值变化。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类程序控制系统：程序控制系统：系统的给定值按照一定的时间函系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。数变化，并要求被控量随之变化。第19页，此课件共30页哦第三节第三节对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求常见的评价系统优劣的性能指标是从常见

14、的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。本要求有三个方面。二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性第一章第一章概概述述第20页，此课件共30页哦系系统统受受外外作作用用力力后后,其其动动态态过过程程的的振振荡荡倾向和系统恢复平衡的能力。倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性第三节第三节对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求稳定性：稳定性：如如果果系系统统受受外外作作用用力力经经过过一一段段时时间间，其其被被控控量量达达到到某某一一稳稳定定状状态态，则则系系统统是是稳稳定的。定的。否则为不

15、稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。第21页，此课件共30页哦通通过过动动态态过过程程时时间间长长短短表表征征。时时间间越越短，表明快速性越好，反之亦然。短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性二、快速性第三节第三节对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快

16、速性表明了系统输出对输入响应的快快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度慢程度第22页，此课件共30页哦由输入给定值与输出响应的终值之间由输入给定值与输出响应的终值之间的差值的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性第三节第三节对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第23页，此课件共30页哦稳稳定定性性、快快速速性性和和准准确确性性往往往往是是互互相相制制约约的的。在在设设计计与与调调试试的的过过程程中中,若若过过分分强强调调某某方方面面的的性性能能,则则可可能能会会使使其其他他方方面面的的性性能能受受到到影响影响.怎样根据工作任务的不同怎

17、样根据工作任务的不同,分析和设计自分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。第三节第三节对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求第24页，此课件共30页哦自自动动控控制制理理论论研研究究的的是是如如何何按按受受控控对对象象和和环环境境特特征征，通通过过能能动动地地采采集集和和运运用用信信息息，施施加加控控制制作作用用使使系系统统在在不不确确定定的的条条件件下下正正常常运运行行并并具具有有预预定定功功能能。它它是是研研究究自自动动控控制制共共同同规规律律的的技技术术科

18、科学学，其其主主要要内内容容涉涉及及受受控控对对象象、环环境境特特征征、控控制制目目标标和和控控制制手手段段以以及及它它们们之之间的相互作用。间的相互作用。第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第一章第一章概概述述第25页，此课件共30页哦具具有有“自自动动”功功能能的的装装置置自自古古有有之之，瓦瓦特特发发明明的的蒸蒸汽汽机机上上的的离离心心调调速速器器是是比比较较自自觉觉地地运运用用反反馈馈原原理理进进行行设设计计并并取取得得成成功功的的首首例例。麦麦克克斯斯韦韦对对它它的的稳稳定定性性进进行行分分析析，于于1868年年发发表表的的论论文文当当属属最最早早的的理理论论工工作作

19、。从从20世世纪纪20年年代代到到40年年代代形形成成了了以以时时域域法法，频频率率法法和和根根轨轨迹迹法法为为支支柱柱的的“古古典典”控控制制理论。理论。第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第26页，此课件共30页哦60年年代代以以来来，随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展和和航航天天等等高高科科技技的的推推动动，又又产产生生了了基基于于状状态态空空间间模模型的所谓型的所谓“现代现代”控制理论。控制理论。随随着着自自动动化化技技术术的的发发展展，人人们们力力求求使使设设计计的的控控制制系系统统达达到到最最优优的的性性能能指指标标，为为了了使使系系统统在在一一定定的的约约束

20、束条条件件下下，其其某某项项性性能能指指标标达到最优而实行的控制称为最优控制。达到最优而实行的控制称为最优控制。第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第27页，此课件共30页哦第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述当当对对象象或或环环境境特特性性变变化化时时，为为了了使使系系统统能能自自行行调调节节，以以跟跟踪踪这这种种变变化化并并保保持持良良好的品质，又出现了自适应控制。好的品质，又出现了自适应控制。各各种种理理论论中中仍仍是是古古典典频频率率法法最最为为适适用用。真真正正优优良良的的设设计计必必须须允允许许模模型型的的结结构构和和参参数数不不精精确确并并可可能能

21、在在一一定定范范围围内内变变化化，即即具具有有鲁鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。棒性。这是当前的重要前沿课题之一。第28页，此课件共30页哦第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述另另外外，使使理理论论实实用用化化的的一一个个重重要要途途径径就就是是数数学学模模拟拟（仿仿真真）和和计计算算机机辅辅助助设设计计（CAD）。）。近近年年来来，在在非非线线性性系系统统理理论论、离离散散事事件件系系统统、大大系系统统和和复复杂杂系系统统理理论论等等方方面面均均有有不不同同程程度度的的发发展展。智智能能控控制制也也得得到到了了很很快快的的发发展展，它它主主要要包包括括专专家家系系统统、模

22、模糊糊控控制制和和人人工工神神经经元元网网络等内容。络等内容。第29页，此课件共30页哦总总之之，自自动动控控制制理理论论正正随随着着技技术术和和生生产产的的发发展展而而不不断断发发展展，而而它它反反过过来来又又成成为为高高新新技技术术发发展展的的重重要要理理论论根根据据。本本书书所所介介绍绍的的内内容容是是该该理理论论中中最最基基本本的的也也是是最最重重要要的的内内容容，即即古古典典控控制制理理论论部部分分。它它在在工工程程实实践践中中用用得得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。第四节第四节自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述返回返回第30页，此课件共30页哦