控制工程緒論1

第一章緒論1.1自動控制系統(tǒng)簡介1.2自動控制系統(tǒng)分類1.3自動控制實際的開展簡史1.4工程控制問題的根本要求0.1控制的含義控制〔CONTROL〕----某個主體使某個客體按照一定的目的動作主體---人：人工控制；機器：自動控制客體---指一件物體，一套安裝，一個物化過程，一個特定系統(tǒng)。物體--飛船，電爐。〔飛船控制〕安裝--鍋爐，汽機。〔鍋爐控制〕過程--熄滅，傳動?！蚕缈刂啤诚到y(tǒng)--電力，化工，冶金?！搽娏刂啤?.1人工控制與自動控制煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機音量調(diào)理電飯煲空調(diào)抽水馬桶汽輪機轉(zhuǎn)速控制導(dǎo)彈飛行控制聲控光控路燈1.1自動控制系統(tǒng)簡介1、自動控制、系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或安裝〔稱控制安裝或控制器〕，使機器、設(shè)備或消費過程〔統(tǒng)稱被控對象〕的某個任務(wù)形狀或參數(shù)〔即被控量〕自動地按照預(yù)定的規(guī)律〔給定值〕運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一同的物體〔元部件〕的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的義務(wù)。自動控制系統(tǒng)：可以實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)，普通由控制安裝和被控對象組成。分析決策執(zhí)行任務(wù)對象實踐結(jié)果察看察看干擾預(yù)期目的人工控制圖比較、計算執(zhí)行被控對象被控量丈量丈量干擾給定值自動控制方框圖Watt’sflyballgovernor爐溫控制系統(tǒng)機械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制遠(yuǎn)洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機自動駕駛神舟飛船的前往控制“勇氣〞號、“機遇〞號的火星登陸控制等等總之，自動控制技術(shù)的運用幾乎無所不在。2、自動控制的運用領(lǐng)域自動控制原理：是研討自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，而不是對某一過程或?qū)ο蟮脑敿?xì)控制實現(xiàn)〔正如微積分是一種數(shù)學(xué)工具一樣〕。處理的根本問題：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型〔建?！撤治隹刂葡到y(tǒng)的性能〔分析〕控制系統(tǒng)的綜合與校正——控制器設(shè)計〔綜合〕3、自動控制原理及其要處理的根本問題4、自動控制原理研討的主要內(nèi)容經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象

單輸入、單輸出系統(tǒng)（SISO）

多輸入、多輸出系統(tǒng)（MIMO）數(shù)學(xué)模型

傳遞函數(shù)

狀態(tài)方程研究手段

頻域法、根軌跡法

狀態(tài)空間方法研究目的

系統(tǒng)綜合、校正

最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、最佳估計、自適應(yīng)控制爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)的功能框圖控制系統(tǒng)功能框圖6、控制系統(tǒng)的組成被控對象：在自動化領(lǐng)域，被控制的安裝、物理系統(tǒng)或過程稱為被控對象?？刂破鳎簩刂茖ο螽a(chǎn)生控制造用的安裝稱為控制器，有時也稱為控制元件、調(diào)理器等。執(zhí)行元件：直接改動被控變量的元件稱為執(zhí)行元件。丈量元件：可以將一種物理量檢測出來并轉(zhuǎn)化成另一種容易處置和運用的物理量的安裝稱為傳感器或丈量元件〔熱敏電阻〕。參考輸入元件：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件可稱為參考輸入元件〔電位器〕。8、控制系統(tǒng)中常用的信號和變量輸入信號：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。輸出信號：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號又稱為被控變量控制變量：控制器的輸出信號稱為控制變量，它作用在控制對象〔執(zhí)行元件、功率放大器〕上，影響和改動被控變量〔放大器〔控制器〕的輸出信號〕。被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量?！部諝鉁囟取撤错懶盘枺菏潜豢刈兞拷?jīng)傳感器等元件變換并前往到輸入端的信號，普通與被控變量成正比〔熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號〕。給定值：又稱為指令輸入信號，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值〔室內(nèi)溫度的設(shè)定值〕。參考輸入信號：代表指令輸入信號與反響信號進展比較的基準(zhǔn)信號稱為參考輸入信號〔電位器的輸出電壓〕。偏向信號：參考輸入信號與反響信號之差稱為偏向信號〔e=r-y〕。擾動信號：是加于系統(tǒng)上的不希望的外來信號，它對被控變量產(chǎn)生不利的影響〔周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等〕。1.2自動控制系統(tǒng)分類開環(huán)控制和閉環(huán)控制按照控制方式和戰(zhàn)略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)1、開環(huán)控制系統(tǒng)控制器和控制對象間只需正向控制造用，系統(tǒng)的輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響；構(gòu)造簡單，本錢低，容易控制，但控制精度低；普通適宜于干擾不強或可預(yù)測的、控制精度要求不高的場所；假設(shè)系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都比較小，或這些擾動要素可以事先確定并能給予補償，那么采用開環(huán)控制也能獲得較為稱心的控制效果；對擾動沒有抑制才干。按給定值支配的開環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象給定值〔控制安裝〕被控量執(zhí)行干擾按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象丈量被控量執(zhí)行干擾(溫度)輸出量(手柄位置)輸入量調(diào)壓器加熱電阻絲電爐恒溫箱受控對象擾動量控制安裝擾動輸出量輸入量控制安裝受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖k

udn~ug例：直流電動機調(diào)速系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對控制造用有直接影響；實現(xiàn)了按偏向控制；也稱為反響控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道〔控制器和控制對象〕和反響通道〔反響安裝〕構(gòu)成〔如圖1-4〕；反響控制：正反響和負(fù)反響；具有正反響方式的系統(tǒng)普通不能改良系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞；通常而言，反響控制就是指負(fù)反響控制。閉環(huán)系統(tǒng)必需思索穩(wěn)定性問題按偏向調(diào)理的閉環(huán)控制系統(tǒng)比較、計算控制對象丈量被控量執(zhí)行干擾給定值－例：直流電動機調(diào)速系統(tǒng)ugkudn~ub按偏向調(diào)理：n↑→ub↑→(ug-ub)↓→ud↓→n↓控制量：ud=k(ug-ub)偏向信號：ug-ub3、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點是檢測偏向、糾正偏向；從系統(tǒng)構(gòu)造上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道；從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點：由于添加了反響通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，假設(shè)采用開環(huán)控制，要到達同樣的精度，那么需求高精度的控制器，從而大大添加了本錢；由于存在系統(tǒng)的反響，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中能夠存在的擾動和由于器件的老化而引起的構(gòu)造和參數(shù)的不確定性；反響環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對元器件要求高精度高、對元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)能否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類。線性控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；輸入輸出關(guān)系普通可以用微分方程、差分方程、傳送函數(shù)以及形狀空間表達式來描畫；線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理；假設(shè)線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，那么稱為線性定常系統(tǒng)；否那么稱為線性時變系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，假設(shè)至少有一個元件具有非線性特性；普通不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出呼應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始形狀有很大關(guān)系；也有時變和定常系統(tǒng)之分；嚴(yán)厲地講，絕對線性的控制系統(tǒng)〔或元件〕是不存在的。三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)按照輸入信號分類，控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)〔r(t)=const.〕輸入信號是恒值，要求被控變量堅持相對應(yīng)的數(shù)值不變室溫控制系統(tǒng)、直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)〔r(t)不可預(yù)測〕輸入信號是變化規(guī)律未知的恣意時間函數(shù)；系統(tǒng)的義務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號的誤差堅持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)；當(dāng)被控量為位置或角度時，伺服系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)〔r(t)變化事先知〕輸入信號是按知的規(guī)律〔事先規(guī)定的程序〕變化；要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變化，誤差不超越規(guī)定值；熱處置爐的溫控系統(tǒng)、機床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、延續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)延續(xù)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的延續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)各部分的信號中只需有一個是時間的離散信號。離散模型是計算機控制的最主要模型。思索題：指出以下方程分別表示哪類系統(tǒng)？1.3自動控制實際的開展簡史1經(jīng)典控制實際40~50年代構(gòu)成SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目的：反響控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定根本方法：傳送函數(shù)，頻率法，PID調(diào)理器(頻域)2現(xiàn)代控制實際60~70年代構(gòu)成MIMO系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目的：最優(yōu)控制根本方法：形狀方程〔時域〕3智能控制技術(shù)90年代開場開展專家系統(tǒng)——姑蘇慕容模糊控制——醉拳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制4正在開展的各個領(lǐng)域自順應(yīng)控制——獨孤九劍大系統(tǒng)實際魯棒控制——金鐘罩鐵布衫多率周期控制非線性控制〔微分幾何，混沌，變構(gòu)造〕1.4工程控制問題的根本要求為實現(xiàn)自動控制，必需對控制系統(tǒng)提出一定的要求；對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動量均不變時，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種形狀稱為平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)；當(dāng)輸入量或擾動量發(fā)生變化時，反響量將與輸入量產(chǎn)生偏向，經(jīng)過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即到達一個新的平衡形狀；由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個過渡過程，該過程也稱為動態(tài)過程或暫態(tài)過程。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)過程的特性，對閉環(huán)控制系統(tǒng)的根本要求可以歸納為三個方面：穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1、穩(wěn)：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡形狀后，自動恢復(fù)到平衡形狀的才干；控制系統(tǒng)必需具有穩(wěn)定性〔系統(tǒng)正常任務(wù)的必要條件〕；穩(wěn)定的控制系統(tǒng)必然存在過渡過程；穩(wěn)定與否通?？梢杂们€來描畫〔如以下圖所示〕。①②Otr(t)c(t)平穩(wěn)是指動態(tài)過程振蕩的振幅和頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數(shù)。好的動態(tài)過程擺動的幅度小，擺動的次數(shù)少。2、快：系統(tǒng)的快速性，即動態(tài)過程進展的時間長短。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)在控制過程中的性能。系統(tǒng)在跟蹤過程中，被控量偏離給定值越小，偏離時間越短，闡明系統(tǒng)的動態(tài)精度越高。tc(t)r(t)O②①3、準(zhǔn)：就是要求被控量和設(shè)定值之間的誤差到達所要求的精度范圍。準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度