控制系統(tǒng)導論剖析課件

第一章控制系統(tǒng)的基本概念

主講:

楊仁明自動化的發(fā)展歷史

2023/7/24公元132年張衡研制的候風地動儀2023/7/241788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器

2023/7/24月球車2023/7/24經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論傳遞函數(shù)單輸入-單輸出定常系統(tǒng)的分析與設計問題。二戰(zhàn)以前。狀態(tài)空間多輸入-多輸出、時變、非線性控制系統(tǒng)。具有高精度和高效能的特點。學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、專家控制等方法,fangsheng主要內(nèi)容1-1自動控制的任務1-２自動控制的基本方式1-３對控制系統(tǒng)的性能要求1-4系統(tǒng)的分類1-5典型外作用1-1自動控制的任務水位自動控制系統(tǒng)控制器氣動閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H控制任務：水箱內(nèi)水位；控制裝置：氣動閥門、控制器；受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；被控量：水箱內(nèi)水位的高度；控制裝置,受控對象自動控制系統(tǒng)：指能夠完成自動控制任務的設備，一般由

控制裝置和被控對象組成。自動控制的定義：所謂自動控制，是指在沒有人的直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預定的規(guī)律運行。1-２自動控制的基本方式比較執(zhí)行測量被控對象實測值干擾測量開環(huán)控制：是控制裝置與被控對象之間只有順向作用，而

無反向聯(lián)系。其特點是輸出量不對控制起作用。

-按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制2023/7/24按給定值操縱的開環(huán)控制流程圖執(zhí)行受控對象給定值被控量一個例子2023/7/24被控制對象：爐子被控制量（輸出量）：

爐溫控制裝置：調(diào)壓器和電熱絲，對被控制量起控制作用。2023/7/24電壓變大2023/7/24電壓變大2023/7/24電壓變大2023/7/24優(yōu)點：控制系統(tǒng)結構簡單，成本低。缺點：沒有修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。2023/7/242023/7/24按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干擾對被控量的直接影響。(手機干擾)測量干擾執(zhí)行受控對象被控量2023/7/24按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制特點：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于：存在強干擾且變化比較劇烈的場合。2023/7/24閉環(huán)控制閉環(huán)控制（反饋控制）：按偏差調(diào)節(jié)（主要反饋形式）；比較E執(zhí)行被控對象被控量測量－輸入量2023/7/24如上圖所示，反饋回來的信號與給定值相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反饋，反之稱為正反饋。2023/7/24特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動。2023/7/24這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結構參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。復合控制復合控制：即按偏差和擾動相結合的控制。特點：結合兩種控制方式的優(yōu)點?？刂蒲b置被控對象

CR—補償裝置按輸入作用補償n控制裝置被控對象

CR—補償裝置按擾動作用補償2023/7/24開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別1、信號傳輸通道的差別：開環(huán)控制系統(tǒng)：只有正向傳輸通道，閉環(huán)控制系統(tǒng)：有正向通道和反饋通道。

2、系統(tǒng)結構的差別：開環(huán)控制系統(tǒng)：有給定環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)：有給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)。3、控制方式的差別:

開環(huán)控制系統(tǒng)：有偏差,靠人工控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)：對被控對象進行自動控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)

2023/7/24二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)（1）被控對象：

指要進行控制的設備或過程。（2）檢測裝置：

用來檢測被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量同一物理量。（3）給定環(huán)節(jié)：

是設定被控量給定值的裝置。2023/7/242023/7/24（4）比較環(huán)節(jié)：

將檢測的被控量和給定值進行比較，確定兩者之間的偏差。（5）控制裝置：

根據(jù)得到的誤差信號，發(fā)出相應的控制信號（6）執(zhí)行器：

直接作用于被控對象，使被控量達到所要求的數(shù)值。2023/7/241-３對控制系統(tǒng)的性能要求工程上常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。

穩(wěn)：指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。

快：指動態(tài)過程的快速性。

準：指動態(tài)過程的最終精度（常用穩(wěn)態(tài)誤差衡量）。2023/7/24四、自動控制系統(tǒng)的性能指標2023/7/242023/7/242023/7/242023/7/241-4系統(tǒng)的分類1線性連續(xù)控制系統(tǒng)2023/7/24式中r(t)—系統(tǒng)輸入量；c(t)—系統(tǒng)輸出量

主要特點是具有疊加性和齊次性。時變，時不變2023/7/241-4系統(tǒng)的分類2.線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式。線性差分方程的一般形式為：式中：m≤n，n為差分方程的次數(shù)；a0、a1…an；b0、b1、bm是常系數(shù)；r(k)、c(k)為輸入和輸出采樣序列。2023/7/241-4系統(tǒng)的分類2023/7/241-4系統(tǒng)的分類3.非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要存在一個非線性特性的元件。注：非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理。2023/7/241-5典型外作用1.階躍信號（StepFunction）幅值R=1的階躍函數(shù)，稱為單位階躍函數(shù)，用1(t)表示。幅值為R可表示為在任意時刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為：2023/7/241-5典型外作用2.斜坡信號（RampFunction）2023/7/241-5典型外作用3.脈沖信號（PulseFunction）當寬度t0趨于零時，脈動函數(shù)的極限便是脈沖函數(shù)。面積A=1的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖函數(shù)或δ函數(shù)；強度為A的脈沖函數(shù)可表示為f(t)=Aδ(t)。在t0時刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)表示為δ(t-t0)202