控制工程基本概念

2020/2/2第一章绪论1第一章绪论作者：浙江大学邹伯敏教授自动控制理论普通高等教育“十一五”国家级规划教材2020/2/2第一章绪论2第一节自动控制理论发展史简述自动控制是一门年轻的学科,它在20世纪40年代末才形成。自动控制理论18世纪中叶由瓦特研制的世界上最早的自动控制系统器——蒸汽发动机速度的调节。1932年奈奎斯特针对反馈放大器提出了几何稳定判据。1945年博德提出来了反馈放大器的一般设计方法，并编著了《网络分析与反馈放大器的设计》一书。1947年美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材《伺服机原理》。1948年美国麻省理工学院的辐射研究所完成了雷达自动跟踪、火炮指挥仪和数控车床等一系列的自动控制实践工程。同年，埃文斯工程师提出了一种很实用的控制系统的分析与设计方法—根轨迹法美国数学家维纳把那时发表的有关控制方面的理论称为“控制论”。2020/2/2第一章绪论320世纪60年代前的控制理论----经典控制理论。经典控制理论研究的是单输入—单输出线性定常系统的分析与设计，所用的数学工具是常微分方程和复变函数。20世纪60年代后所提出的控制理论---现代控制理论。用这种理论能分析与设计多输入—多输出，高精度和参数时变系统的分析与设计，其内容有状态空间分析法，最优控制原理最优估计、系统辨识、大系统理论、模糊控制与预测控制、智能控制等，它们所研究的问题和所用的数学工具也各不相同。控制理论发展历程：机械化——电气化——自动化——信息化和智能化。由此可见，经典控制理论是基础，它卓有成效地解决了单输入—单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。经典控制理论的一些基本概念有助于研究现代控制理论相关的内容。因此本教材主要介绍经典控制理论的相关内容。自动控制理论2020/2/2第一章绪论4第二节自动控制系统的一般概念自动控制就是要在人不直接参与的条件下，利用控制器使被控制的对象（如生产设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的规律变化（或运行）。如：图1-1水池液面控制系统一、液位控制系统水池液面控制如图1-1所示。电网的电压与频率自动地保持不变金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变自动控制理论2020/2/2第一章绪论5人工控制测量实际液面的高度h1-------用眼实际液面高度h1与希望液面高度h0相比较-------用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作-------用手液面人工控制系统的方框图如图1-2所示。图1-2液面人工控制系统的方框图自动控制理论2020/2/2第一章绪论6自动控制人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三种，如图1-3所示。图1-3液面自动控制系统被控对象-----水池测量元件-----浮子比较机构-----浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-----提高系统的控制精度执行元件-----驱动被控对象，以改变被控制的量液位控制系统由以下五部分组成：自动控制理论2020/2/2第一章绪论7图1-5液面自动控制系统的方框图为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-4所示，其中图a）为引出点，图b）为比较点，图c）部件的框图。图1-4控制系统框图的基本组成单元故液位自动控制系统也可用图1-5来表示。自动控制理论2020/2/2第一章绪论8直流随动控制系统如图1-6所示。二、随动控制系统图1-6直流随动系统的原理图自动控制理论2020/2/2第一章绪论9图1-7直流随动系统的方框图图1-6直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比较。其控制系统的方框图如图1-7所示。自动控制理论2020/2/2第一章绪论10第三节开环控制与闭环控制自动控制框图的一般形式自动控制系统的框图自动控制理论d(t)d(t)2020/2/2第一章绪论11图中：r(t)-----系统的参考输入(简称输入量或给定量)c(t)-----系统的被控制量(又简称输出量)b(t)-----系统的主反馈量e(t)-----系统的误差e(t)＝r(t)－b(t)d(t)-----系统的干扰,它是一种对系统输出产生不利的信号（图中未画出）给定环节---产生参考输入信号（也称给定值）的元件，如:电位器、旋转变压器等控制器----产生控制信号，控制被控对象（控制器的输入是系统的误差信号,经变换或相关的运算后,产生期望的控制信号）被控对象-----系统控制的对象,其输入量是控制器的输出,输出量就是被控量反馈环节-----将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元件自动控制理论2020/2/2第一章绪论12开环控制的优缺点：结构简单，所用元器件少系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围闭环控制若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统。闭环控制的优点：自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响自动控制理论开环控制如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制。2020/2/2第一章绪论13闭环直流电机调速系统自动控制理论nuuuuuunuTdkfngfnl)(~负载增加时，系统的自动调节过程如右边箭头所示：2020/2/2第一章绪论14三种常用的分类方法：第四节自动控制系统的分类线性控制系统和非线性控制系统（按数学模型分类）若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统特点：不具有比例性，也不适用叠加原理系统的输出响应稳定性与其初始状态有关特点：系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述具有比例性并适用叠加原理恒值控制系统和随动控制系统（按输入信号或给定值分类）按系统内部传输信号的性质分恒值控制和随动控制系统。自动控制理论2020/2/2第一章绪论15连续控制系统和离散控制系统（按信号的传输形式分类）恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统。控制系统中各部传输信号都是时间Ｔ的连续函数，则称这类系统为连续控制系统计算机控制系统的方框图自动控制理论随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而变化若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间Ｔ的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统。2020/2/2第一章绪论16第五节对控制系统性能的要求和本课程的任务控制系统的性能一般从以下三方面来评价：一、稳定性当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件。二、快速性要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性能指标。三、稳态精度控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系统的控制精度就越高。本课程要研究两大课题对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。自动控制理论作业：P111-2、1-3、1-4