控制工程第一章-緒論VIP

1、第一章 緒 論l）了解控制系統(tǒng)的工作原理。 2）了解機(jī)電控制工程的研究對象和主要任務(wù)。3）了解控制系統(tǒng)中的基本概念和常用名詞術(shù)語。4）掌握對控制系統(tǒng)的基本要求，了解其分類方法。5）了解本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法。本章重點(diǎn)理解反饋的含義及作用；掌握控制系統(tǒng)的工作原理、基本概念 和組成。本章難點(diǎn)系統(tǒng)中的反饋?？刂葡到y(tǒng)的基本工作原理恒溫箱控制的工作原理當(dāng)箱中的溫度受環(huán)境溫度或電源電壓波動(dòng)等外來的干擾而變化時(shí),為滿足箱中溫度的恒定要求,可以通過人工或自動(dòng)的方式來改變調(diào)壓器的活動(dòng)觸頭,改變加熱電阻絲的電流,從而控制箱中的溫度。恒溫箱人工控制和自動(dòng)控制(1)(1) 恒溫箱人工控制其中，測量元件是溫度計(jì)，被控對

2、象是恒溫箱，被控量（參數(shù)） 是溫度，控制器是調(diào)壓器。人工調(diào)節(jié)過程可歸納如下：觀測由測量元件（溫度計(jì)）測出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）；與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。(2)(2) 恒溫箱自動(dòng)控制被控對象是恒溫箱，被控量（參數(shù)）是溫度，控制器是調(diào)壓 器，測量元件是熱電偶，增加了比較機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。恒溫箱自動(dòng)控制過程可歸納如下：檢測輸出量的實(shí)際值；將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值；用偏差值產(chǎn)生

3、控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。end控制工程研究的對象與方法系統(tǒng)與廣義系統(tǒng)系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構(gòu)成且具有一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)有機(jī)整體。系統(tǒng)可大可小，可繁可簡，甚至可“實(shí)”可“虛”， 完全由研究的需要而定，通常將它們統(tǒng)稱為廣義系統(tǒng)。系統(tǒng)與外界之間的聯(lián)系如圖所示。其中，輸入：外界對系統(tǒng)的作 用，它包括給定的輸入和干擾；輸出：系統(tǒng)對外界的作用。系 統(tǒng)輸入輸出系 統(tǒng)機(jī)電控制工程的研究對象：機(jī)械工程控制論實(shí)質(zhì)上是研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。具體地說，它研究的是機(jī)械工程廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵(lì)、干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定的初始狀態(tài)出發(fā)， 所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（即由系

4、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程；研究這一系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之 間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。系 統(tǒng)輸入輸出系 統(tǒng)機(jī)電控制工程的研究任務(wù)：系 統(tǒng)輸入輸出系 統(tǒng)從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，機(jī)械工程控制論的任務(wù)可以分為以下五種：已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題； (2)已知系統(tǒng)和理想輸出,設(shè)計(jì)輸入,即最優(yōu)控制問題； (3)已知輸入和理想輸出時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即最優(yōu)設(shè)計(jì)問題； (4)輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即濾波與預(yù)測問題； (5)已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。1.31.3控制系統(tǒng)的基本概念系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖由許多對信號

5、量進(jìn)行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行信息交換的過程。它包括三個(gè)基本的單元:(1)引出點(diǎn)(分支點(diǎn)):表示信號的引出或信號的分支，箭頭表示信號的 傳遞方向，線上標(biāo)記信號的名稱，如圖(a)所示。(2)比較點(diǎn)(相加點(diǎn)):表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號進(jìn)行相加或相減。“+”表示信號相加；“-”表示信號相減，如圖(b)所示。(3)元件方框:方框中寫入元部件的名稱，進(jìn)入箭頭表示其輸入信 號；引出箭頭表示其輸出信號，如圖(c)所示。反饋的概念反饋：將系統(tǒng)的輸出以一定的方式返回到系統(tǒng)的輸入端并共同 作用于系統(tǒng)的過程，稱為反饋或信息反饋。內(nèi)反饋:在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形

6、成的反饋，稱為內(nèi) 反饋。外反饋:在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加入 的反饋，稱為外反饋。負(fù)反饋:若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號極性相反，則稱為負(fù)反饋。正反饋:若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號極性相同，則稱為正反饋。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)輸出的變化規(guī)律進(jìn)行分類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在外界作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的 系統(tǒng)。也稱為鎮(zhèn)定系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)。如恒溫箱控制系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)：在外界的作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍 內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。如舞臺(tái)追光燈控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：在外界的作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化的系 統(tǒng)。如自動(dòng)洗衣機(jī)，數(shù)控機(jī)床。按控制系統(tǒng)有無反饋來分開環(huán)控制系統(tǒng)

7、:當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而沒有反饋回路時(shí)，稱之為開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定元件、放大元件、執(zhí)行元件、被控對象等單元組成，其方框圖可表示成如圖的形式。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而存在反 饋回路時(shí)，稱之為閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號極性相反，則稱為負(fù)反饋，若極性相同，則稱為正反饋。(1)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成:一般由給定元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、被控對象、測量元件等單元組成，其方框圖可表示成如圖的形式:(2)名詞術(shù)語給定環(huán)節(jié):主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。反饋環(huán)節(jié):它量測被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號。一般，為了便于傳輸，主反饋信號多為電

8、信號。因此，反饋元件通常是一些用電量來測量非電量的元件。比較環(huán)節(jié):用來接收輸入信號和反饋信號并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大環(huán)節(jié):對偏差信號進(jìn)行放大的元件。執(zhí)行環(huán)節(jié):直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件。6) 校正環(huán)節(jié):為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。7）輸入信號：它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。而輸入量則又廣義地泛指輸入到控制系統(tǒng)中的信號，如擾動(dòng)信號，也包括給定信 號。輸出信號：它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號之間 有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號：從系統(tǒng)輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)輸入端， 這就是反饋信號。偏差信號：它是控制

9、信號與主反饋信號之差。有時(shí)也稱為作用誤差。誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。在很多情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量。這里要注意，誤差和偏差不是同一概念。只有在單位反饋系統(tǒng)中，誤差才等于偏差。擾動(dòng)信號：除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動(dòng)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱外擾。外擾動(dòng)也是系統(tǒng)的一種輸入量。（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，具有自動(dòng)糾偏能力； 控制精度高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮穩(wěn)定性問題end控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù) 平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。系統(tǒng)

10、響應(yīng)的準(zhǔn)確性。指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之 間的偏差，亦稱為靜態(tài)精度。系統(tǒng)響應(yīng)的快速性?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間 產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度。同一控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是相互制約的。控制理論發(fā)展簡史及本課程的學(xué)習(xí)方法控制理論發(fā)展簡史1.古代控制工程的成果西漢漏壺指南車模型圖(235年)都江堰(227B.C.)2.控制論發(fā)展簡史蒸汽機(jī)(1765年)離心式飛球調(diào)速器(1788年) 1868年英國麥克斯威爾：提出了“反饋控制”的概念1948 年維納(N.Wiener) 出版控制論 (Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine)系統(tǒng)地論述了閉環(huán)控制(反饋）-標(biāo)志著控制論學(xué)科 的誕生。1954 年 錢 學(xué) 森 的 工 程 控 制 論 Engineering Cybernetics 。奠定了工程控制論這一技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代控制(ModernControl)(1950年-)以狀態(tài)空間方程研多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性系統(tǒng)。本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)(理論基礎(chǔ)、研究對象、思維