控制工程基礎緒論

控制工程基礎緒論第1頁/共58頁自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（稱為被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)是指由控制裝置與被控對象結合起來的，能夠對被控對象的一些物理量進行自動控制的一個有機整體。自動控制理論：是研究有關自動控制共同規(guī)律的一門技術科學，是自動控制技術的基礎理論，根據發(fā)展的不同階段，其內容可分為經典控制理論、現代控制理論和智能控制理論。第4頁/共59頁第2頁/共58頁1.1自動控制理論的產生和基本概念1.2控制理論的發(fā)展歷史及其在工程中的應用1.3自動控制系統(tǒng)的基本類型1.4課程主要內容及章節(jié)安排第5頁/共59頁第3頁/共58頁1.1自動控制理論的產生和基本概念1765年，俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了控制鍋爐水位的自動裝置；1768年，英國人瓦特發(fā)明了飛球調速器；1868年，物理學家麥克斯韋以調速器為背景，研究反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，發(fā)表論文《論調速器》，控制理論最早的成果論文。20世紀初，美國數學家維納研究火炮自動控制中，提出了控制理論中最為基本的反饋概念。1948年，出版《控制論》，標志自動控制學科的正式誕生。第6頁/共59頁第4頁/共58頁（以恒溫系統(tǒng)為例）有兩種控溫方法：人工控制 自動控制1.1.1自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。被控制的設備或過程稱為被控對象；被控制的物理量稱為被控量或系統(tǒng)輸出量；決定被控量的物理量稱為控制量或輸入量；妨礙控制量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。給定和擾動都可以看作自動控制系統(tǒng)的輸入。第7頁/共59頁第5頁/共58頁[動態(tài)過程]觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值[實質]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123第8頁/共59頁第6頁/共58頁控制過程：測量，求偏差，控制以糾正偏差

若能找到一個控制器代替人的職能，就變成了自動控制。第9頁/共59頁第7頁/共58頁溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉動。[動態(tài)過程]2.恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2第10頁/共59頁第8頁/共58頁系統(tǒng)原理方塊圖[實質]檢測偏差糾正偏差第11頁/共59頁第9頁/共58頁從恒溫箱控制系統(tǒng)可見：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量，也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。第12頁/共59頁第10頁/共58頁綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。第13頁/共59頁第11頁/共58頁由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。第14頁/共59頁第12頁/共58頁按照有無反饋測量裝置分類，控制系統(tǒng)分為兩種基本形式，即開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1.2開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)第15頁/共59頁第13頁/共58頁示例——直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ug經放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。+_電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+電位器1開環(huán)控制系統(tǒng)第16頁/共59頁第14頁/共58頁輸入、輸出之間無反饋回路，輸出對系統(tǒng)的控制作用無影響。稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-LoopControlSystem）。擾動控制信號

被控制量

給定電壓ug轉速n被控對象控制裝置Mc電壓放大器功率放大器直流電動機控制器被控對象控制量擾動被控制量開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點——結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調試方便，成本低。開環(huán)控制的缺點——抗干擾性能差，精度低。

第17頁/共59頁第15頁/共58頁2閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+_uf電位器測速發(fā)電機+_ue=ug-uf偏差第18頁/共59頁第16頁/共58頁

直流電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖

設上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉矩突然增大）而引起轉速下降時，系統(tǒng)就會自動地產生相應的調整過程。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf

）↑→ua↑→n↑nue輸入量Mc擾動輸出量功

率放大器直

流電動機＋ugua測

速發(fā)電機uf－電

壓放大器第19頁/共59頁第17頁/共58頁

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進行比較（相減），并利用比較后的偏差信號，以一定的控制規(guī)律產生控制作用，抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實現要求的控制性能。

+

反饋信號

輸出

控制指令

參考輸入控制器

受控對象

傳感器

-第20頁/共59頁第18頁/共58頁

閉環(huán)控制的優(yōu)點——抑制擾動能力強，與開環(huán)控制相比，對參數變化不敏感，并能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點——引入反饋增加了系統(tǒng)的復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數的選取不適當，系統(tǒng)可能會產生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設計必須解決的重要問題。自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

第21頁/共59頁第19頁/共58頁1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型組成和基本概念輸入信號串聯校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對象擾動并聯校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件第22頁/共59頁第20頁/共58頁被控對象（或過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件——主要用于產生給定信號或輸入信號，例如，調速系統(tǒng)的給定電位計。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。第23頁/共59頁第21頁/共58頁比較元件——比較輸入信號與反饋信號，以產生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——也叫補償元件，它是按某種函數規(guī)律變換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據偏差信號的性質執(zhí)行相應的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。

第24頁/共59頁第22頁/共58頁輸入信號：是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數關系。反饋信號：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號稱為反饋信號。反饋分為主反饋和局部反饋。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差。誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實際值之差，簡稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱為內部擾動，后者稱為外部擾動。外部擾動是不希望的輸入信號。第25頁/共59頁第23頁/共58頁1.1.4自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定準確快速第26頁/共59頁第24頁/共58頁1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應隨著時間收斂并且回到初始的平衡狀態(tài)。

穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。第27頁/共59頁第25頁/共58頁穩(wěn)定不穩(wěn)定第28頁/共59頁第26頁/共58頁2、快速性這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。指當系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。3、準確性指調整過程結束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差，即靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標。第29頁/共59頁第27頁/共58頁

由于受控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求各有側重，例如，隨動系統(tǒng)對快速性要求較高，而調速系統(tǒng)對準確性提出較嚴格的要求；對于機械系統(tǒng)，首要的是穩(wěn)定性，因為過大的振蕩將會使部件過載而損壞。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準、快是相互制約的?？焖傩院茫赡軙袕娏艺袷?；改善穩(wěn)定性，控制過程又可能過于遲緩，精度也可能變壞。

第30頁/共59頁第28頁/共58頁控制理論的發(fā)展主要分為三個階段：從控制技術產生到20世紀50年代末為經典控制理論的成熟和發(fā)展期。所謂經典控制論是采用傳遞函數描述系統(tǒng)的數學模型，在頻率域對單輸入單輸出系統(tǒng)進行分析和設計的理論問題研究。20世紀60年代為局部自動化時期。航空航天領域對運載火箭、人造衛(wèi)星、導彈、飛機等各類飛行器進行精確控制的需求導致了現代控制論的形成和發(fā)展?，F代控制論中的數學模型描述主要采用狀態(tài)空間方程，研究多輸入多輸出系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的控制和設計問題。20世紀70年代末至今為綜合自動化時期，控制系統(tǒng)越來越復雜，控制要求也越來越高，促進了智能控制、復雜控制、大系統(tǒng)控制等先進控制理論的發(fā)展。

1954年，我國科學家錢學森在美國運用控制論的思想和方法，用英文出版了《工程控制論》，首先把控制論推廣到工程技術領域。1.2控制理論的發(fā)展歷史及其在工程中的應用第31頁/共59頁第29頁/共58頁中國，埃及和巴比倫出現自動計時漏壺(1400BC-1100BC)。亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年)。中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。第32頁/共59頁第30頁/共58頁中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)中國明代宋應星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結構圖(1637年)第33頁/共59頁第31頁/共58頁1788年：JamesWatt發(fā)明飛球調節(jié)器，用來控制蒸汽機的轉速。第34頁/共59頁第32頁/共58頁美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)。美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)。第35頁/共59頁第33頁/共58頁現代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術的出現現代控制（1950-Now）第36頁/共59頁第34頁/共58頁美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數控機床(1952)第37頁/共59頁第35頁/共58頁美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司Unimation。第38頁/共59頁第36頁/共58頁※世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯發(fā)射成功(1957)第39頁/共59頁第37頁/共58頁蘇聯東方-１號飛船進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了(1961)。第40頁/共59頁第38頁/共58頁美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)第41頁/共59頁第39頁/共58頁日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)第42頁/共59頁第40頁/共58頁中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)。第43頁/共59頁第41頁/共58頁第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索。第44頁/共59頁第42頁/共58頁日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機械狗(2001)第45頁/共59頁第43頁/共58頁例1.2.1轉速控制系統(tǒng)轉速控制是電機控制研究的重要組成部分。瓦特的飛球調速器是最初的自動調速系統(tǒng)。

機械裝置用來測量驅動桿的轉速并利用飛球的轉動來控制閥門，進而控制進入蒸汽機的蒸汽流量。飛球調節(jié)器第46頁/共59頁第44頁/共58頁設計要求（1）水箱水位低于指定高度（H1）自動開始進水。（2）水箱水位高于指定高度（H2）自動停止進水。（3）控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性無特別要求。例1.2.2液位控制系統(tǒng)。在工業(yè)過程控制領域中，液位控制是常見的控制問題之一，廣泛用于遠程供水、蒸汽鍋爐汽包水位控制、企業(yè)或家庭用水的水塔控制等場合。下面是抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)設計。第47頁/共59頁第45頁/共58頁

設計分析（1）系統(tǒng)選擇：閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）確定被控對象：抽水馬桶水箱確定被控量：水箱水位高度確定控制量：進水管的水流量（3）確定干擾量：出水流量第48頁/共59頁第46頁/共58頁給定水位杠桿比較水位進水閥門水箱浮球進水量控制量被控對象被控量給定量反饋量出水干擾量方案構思（1）控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）控制方案：閉環(huán)控制系統(tǒng)第49頁/共59頁第47頁/共58頁抽水馬桶示意圖第50頁/共59頁第48頁/共58頁例1.2.3自動駕駛儀在航空航天領域，最初為了減輕駕駛員長期駕駛的疲勞，在20世紀30年代，出現了自動駕駛儀，其功能是保持或改變飛機飛行狀態(tài)的自動裝置，輔助駕駛員操縱飛機。俯仰角穩(wěn)定控制系統(tǒng)原理圖第51頁/共59頁第49頁/共58頁給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機方塊圖第52頁/共59頁第50頁/共58頁按輸入信號的特征分1.恒值調節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號為一常數，擾動使被控量偏離理想值而出現偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復到理想值或接近理想值。轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.程序控制系統(tǒng)：輸入信號為已知的時間函數，如機械加工中的數控機床工作臺移動系統(tǒng)。

3.隨動系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時間的未知函數，系統(tǒng)能使被控量準確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)?；鹋谧詣用闇氏到y(tǒng)、船舶自動舵均屬此類系統(tǒng)。1.3自動控制系統(tǒng)的基本類型第53頁/共59頁第51頁/共58頁1.線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。（滿足均勻性與疊加性）2.非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。注意：在實際中，絕大多數對象都具有非線性特性，而大多數儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是