[精选]控制工程的基本概念.pptx

控制工程技术控制工程技术【课程名称课程名称】控制工程技术/Technology of Control Engineering。【学学 时时】48 8学时学时 【课程类别课程类别】必修必修、专业基础课专业基础课 工程中的数学工程中的数学。【先修课程先修课程】理论力学、机械原理、液压传动、模拟电子技术、高等数学等。【服务对象服务对象】机制专业。【课程特点课程特点】理论性较强，概念术语多，需要用到微分方程、复变函数、拉氏变换等数学工具，所以本课程主要强调理论联系实际，应从物理本质、数学描述等多方面阐明物理概念，以基本概念为核心、基本原理、基本方法为主线进行教学。在教学体系上以系统分析为重点，按分析方法展开，从时域分析方法转入频域分析；从连续系统再到离散系统。讲授本课程时，要求学生自学MATLAB语言，并能用该语言解答习题。一、课程基本内容一、课程基本内容 二、相关参考书二、相关参考书 王积伟 容一鸣 二、相关参考书二、相关参考书 胡寿松 理查德 1 1、考核采用闭卷考试形式；考核采用闭卷考试形式；2 2、平时成绩占最终成绩的平时成绩占最终成绩的3030%。第一章第一章 绪论绪论 I.1I.1 I.2I.2 I.3I.3 I.4I.4 I.5I.5 自动自动控制及其发展概述控制及其发展概述 控制控制系统的反馈工作原理及其组成系统的反馈工作原理及其组成 控制控制系统的分类系统的分类 控制控制系统在非工程领域的应用系统在非工程领域的应用 控制控制系统的要求及常用典型控制信号系统的要求及常用典型控制信号 本章本章小结小结 1、了解控制系统的基本概念、工作原理、分类及特点。2、掌握反馈及反馈控制的基本概念，以及在控制系统中的作用。3、掌握控制系统的组成和各部分的作用。4、根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量，正确画出系统的方框图。5、了解控制系统的性能指标。教学重点：教学重点：反馈的概念，开环系统、闭环系统的概念，控制系统的基本组成及工作原理。教学难点：教学难点：根据系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。教学目的：教学目的：第一章第一章 绪论绪论 温度自动控制系统温度自动控制系统 哇！好冷啊。什么鬼哇！好冷啊。什么鬼天气！天气！咦咦？你很冷吗？你很冷吗？我一点也不冷哦！我一点也不冷哦！为什么！？为什么！？嘿嘿，因为嘿嘿，因为我体内装了我体内装了温度自动控温度自动控制芯片，当制芯片，当然不会冷然不会冷 控制工程问题的提出？控制工程问题的提出？瓦特瓦特 离心调速器离心调速器 控制工程问题的提出？控制工程问题的提出？电热毯电热毯 电饭煲电饭煲 机器人踢足球比赛 军事和航天 导弹打卫星导弹打卫星 二炮东风21D导弹模拟攻击目标 机械转速机械转速、位置的控制位置的控制 工业过程中温度工业过程中温度、压力压力、流量的控制流量的控制 远洋巨轮航行控制远洋巨轮航行控制 深水潜艇的控制深水潜艇的控制 飞机自动驾驶飞机自动驾驶 神舟飞船的返回控制神舟飞船的返回控制 “勇气勇气”号号、“机遇机遇”号的火星登陆控制号的火星登陆控制 等等等等 总之总之，自动控制技术的应用几乎自动控制技术的应用几乎无所不在无所不在。1.1 1.1 自动控制及其发展概述自动控制及其发展概述 系统的定义:是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。机床用振动料斗机床用振动料斗 太阳能自行车太阳能自行车 系统系统 模型模型 x1 x2 x3 y1 y2 y3 通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。系统可大可小，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统广义系统。对于实际应用来说，系统一般可以定义为任何一组存系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。原因称为在某种因果关系的物理元件。原因称为激励激励或或输入输入；效果；效果叫做叫做响应响应或或输出输出。物质物质 构成系统构成系统 的形体的形体 系统的运动系统的运动 离不开能量离不开能量 信息则是信息则是 系统的灵魂系统的灵魂 能量能量 信息信息 系统构成三要素系统构成三要素 控制:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。控制、自动控制的定义控制、自动控制的定义 例钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板中温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。例数控机床:自动切削工件，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。1 经典控制理论经典控制理论 以单变量控制，随动以单变量控制，随动/调调节为主要内容，以微分节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：主要方法。数学工具：微分方程，复变函数微分方程，复变函数 3 后现代控制理论后现代控制理论 大系统、大系统、智能控制智能控制 ；以以 网络、通讯、人机交网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。集成的理论与技术。2 现代控制理论现代控制理论 现代控制理论以多变量控现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：为数学模型。数学工具：线性代数，线性代数，泛函分析泛函分析 控制理论的历史和发展控制理论的历史和发展 现代控制理论现代控制理论以状态空间法为基以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能的控制系统。性、高精度、高性能的控制系统。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人工智能控制等。适应控制、人工智能控制等。古典控制理论古典控制理论以传递函数为基础，以传递函数为基础，研究单输入、单输出的控制系统；研究单输入、单输出的控制系统；自动控制系统的研究方法自动控制系统的研究方法 综合（系统设计）：综合（系统设计）：在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。分析（系统分析）：分析（系统分析）：在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。自动控制研究的三个基本问题：自动控制研究的三个基本问题：(1)建立数学模型 (2)系统性能分析 (3)控制器设计 典型控制信号：阶跃信号阶跃信号 等速和等加速信号等速和等加速信号 脉冲信号脉冲信号 正弦信号正弦信号 从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，机械控制工程的内容可归纳为机械控制工程的内容可归纳为5 5类：类：1.1.系统分析系统分析系统已确定，已知输入，求系统的输出，并系统已确定，已知输入，求系统的输出，并通过输出研究系统本身的有关问题；通过输出研究系统本身的有关问题；2.2.最优控制最优控制系统已确定，需要确定系统的输入，以使输系统已确定，需要确定系统的输入，以使输出尽可能符合给定的最佳要求；出尽可能符合给定的最佳要求；3.3.最优设计最优设计输入已知，需要确定系统，以使输出尽可能输入已知，需要确定系统，以使输出尽可能符合给定的最佳要求；符合给定的最佳要求；4.4.滤波与预测滤波与预测输出已知，需要确定系统，以识别输入或输出已知，需要确定系统，以识别输入或输出中的有关信息；输出中的有关信息；5.5.系统辨识系统辨识输入、输出均已知，求系统的结构和参数，输入、输出均已知，求系统的结构和参数，也即建立系统的数学模型。也即建立系统的数学模型。1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成 必须解决以下四个问题必须解决以下四个问题 控制目的控制目的是什么是什么?受控对象受控对象是什么是什么?输出信号输出信号(受控量受控量)是什么是什么?输出信号如何输出信号如何检测检测?实质检测偏差,纠正偏差。1 1、恒温箱的人工控制、恒温箱的人工控制 1 2 3 人工控制恒温箱方框图人工控制恒温箱方框图 长时间长时间工作怎么工作怎么办？办？温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。工作过程工作过程 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2 2 2、恒温箱的自动控制、恒温箱的自动控制 给定 信号 电压 功率 放大器 控制 电机 减 速 器 调 压 器 恒温箱(控制 对象)热电偶 u1 u2 u ua u 温度t(被控量)扰动 恒温箱自动控制系统方框图恒温箱自动控制系统方框图 l1 Q1 H Q2 l2 Q1 Q2 l2 H l1 反馈（反馈（FeedbackFeedback）定义：）定义：通常，把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏通常，把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏差信号的过程，称为差信号的过程，称为反馈反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈负反馈；反之，则称为正反馈正反馈。负反馈负反馈 正反馈正反馈 液位控制液位控制？人工控制和自动控制举例人工控制和自动控制举例 手摇扇 电风扇 空调机 人工控制和自动控制举例人工控制和自动控制举例 乘凉的方式 3 3、日常生活中的控制系统举例、日常生活中的控制系统举例 书的书的 位置位置 输入输入 大脑大脑 肌肉肌肉 手臂手臂 眼睛眼睛 手的手的 位置位置 输出输出 例例1 1：（手取书）例例2 2：（人与汽车构成的控制系统）实际路线实际路线 希望路线希望路线 输入输入 肌肉控制肌肉控制 方向盘方向盘 汽车汽车 眼睛眼睛 输出输出 例例3 3：（3只鸽子有水喝）澳大利亚昆士兰州布里斯班市的一处闹市区广场，3只鸽子就成功发挥团队精神，解决了喝水难问题 检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。得输出量维持期望的输出。控制系统的工作原理控制系统的工作原理 控制系统的基本组成框图 4 4、控制系统的组成及其术语、控制系统的组成及其术语 电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。注意：注意：在机械、液压、气动、机 1 1、给定元件：、给定元件：根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节，如将期望恒定的根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节，如将期望恒定的温度转换为相应电压。温度转换为相应电压。2 2、反馈元件：、反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。主要是各种传感器 3 3、比较元件：、比较元件：将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。如如：电压比较：电压比较电路，平衡电桥。电路，平衡电桥。4 4、放大元件：、放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。5 5、执行元件：、执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件，如晶闸管整流装置、液压缸、电动机晶闸管整流装置、液压缸、电动机等。6 6、校正元件：、校正元件：用以改善系统控制质 量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元