第1章控制系统的基本概念精选文档.ppt
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1、第第1 1章控制系统的基本概念章控制系统的基本概念2022/9/28本讲稿第一页,共四十七页本门课程的性质本门课程的性质:1.重重要要的的技技术术基基础础课课,阐阐述述有有关关自自动动控控制制技技术术的的基基础础理理论论经典控制论,研究经典控制论,研究“控制论控制论”在工程中的应用。在工程中的应用。基基本本内内容容控控制制论论的的基基本本理理论论、方方法法、特特点点、综综合合设设计计方方法。法。研研究究对对象象自自动动控控制制系系统统,揭揭示示自自动动控控制制系系统统中中存存在在的的信信息转换、传递和息转换、传递和反馈反馈。2.学习目的:学习目的:自动化发展的需要自动化发展的需要 与信息科学、
2、系统科学关系紧密与信息科学、系统科学关系紧密 掌握控制系统分析与设计的基本方法掌握控制系统分析与设计的基本方法2022/9/28本讲稿第二页,共四十七页参考书目参考书目:1.Modern control engineering,4th,Katsuhiko Ogata,20022.Control Systems Engineering 6th,Norman S.Nise,20113.Modern Control Systems 12th,Richard C.Dorf,20112022/9/28本讲稿第三页,共四十七页考查方式考查方式:1.平时作业、出勤、课堂表现平时作业、出勤、课堂表现30%;2
3、.期末考试期末考试70%。2022/9/28本讲稿第四页,共四十七页第第第第1 1章章章章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念控制系统的基本概念控制系统的基本概念2022/9/28本讲稿第五页,共四十七页1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统1.3 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5 1.5 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例1.6 1.6 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 1.7 1.7 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求2022/9/
4、28本讲稿第六页,共四十七页1.1 1.1 1.1 1.1 引言引言引言引言2022/9/28本讲稿第七页,共四十七页自自动动控控制制:是是指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下,利利用用自自动动控控制制装装置置(或或称称为为控控制制装装置置或或控控制制器器),使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程(统统称称为为被被控控对对象象)的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数(称称为为被被控控量量)自自动动地地按按照照预预定定的的规规律律运运行。行。自自动动控控制制理理论论:是是研研究究有有关关自自动动控控制制共共同同规规律律的的一一门门技技术术科科学学,是是自自动动控控制制技技术
5、术的的基基础础理理论论,根根据据发发展展的的不不同同阶阶段段,其其内内容容可可分分为为经经典典控控制理论、现代控制理论和智能控制理论。制理论、现代控制理论和智能控制理论。2022/9/28本讲稿第八页,共四十七页1.2 1.2 1.2 1.2 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统2022/9/28本讲稿第九页,共四十七页 控控制制系系统统的的类类型型很很多多,它它们们的的结结构构类类型型和和所所完完成成的的任任务务也也各各不不相相同同。控控制制系系统统中中最最常常见见的的两两种种控控制制方方式式是是开开环环控控制制和和闭闭环环
6、控控制制,这这两两种种控控制制的的组组合合即即为为复复合合控控制制,相相对对应应的的控控制制系系统统称称为为开开环环控控制制系系统统、闭闭环环控控制制系系统统和和复复合合控控制制系系统统。2022/9/28本讲稿第十页,共四十七页示例示例直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 给给定定电电压压ug经经放放大大后后得得到到电电枢枢电电压压ua,改改变变ug可可得得不不同同的的转转速速n,该该系系统统只只有有输输入入量量ug对对输输出出量量n的的单单向向控控制制作作用用。输输出出端端和和输输入入端端之间不存在反馈回路。之间不存在反馈回路。+_电电压压放大器放大器功功率率放大器放大器M
7、c负载负载n电电 动动机机+_+_+电电 位位器器1.2.1开环控制系统开环控制系统2022/9/28本讲稿第十一页,共四十七页 只只有有输输入入量量的的前前向向控控制制作作用用,输输出出量量并并不不反反馈馈回回来来影影响响输输入入量量的的控控制制作作用用,因因而而,我我们们将将它它称称为为开开环环控控制制系系统统(Open-LoopControlSystem)。)。扰动扰动控制控制 信号信号 被控被控 制量制量 给定电压给定电压ug g转速转速n被控对象被控对象控制装置控制装置Mc电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流电动机电动机2022/9/28本讲稿第十二页,共四十七页开开环环
8、系系统统的的优优点点结结构构简简单单,系系统统稳稳定定性性好好,调调试试方方便便,成成本本低低。因因此此,在在输输入入量量和和输输出出量量之之间间的的关关系系固固定定,且且内内部部参参数数或或外外部部负负载载等等扰扰动动因因素素不不大大,或或这这些些扰扰动动因因素素可可以以预预测测并并进进行补偿的前提下,应尽量采用开环控制系统。行补偿的前提下,应尽量采用开环控制系统。开开环环控控制制的的缺缺点点当当控控制制过过程程中中受受到到来来自自系系统统外外部部的的各各种种扰扰动动因因素素,如如负负载载变变化化、电电源源电电压压波波动动等等,以以及及来来自自系系统统内内部部的的扰扰动动因因素素,如如元元件
9、件参参数数变变化化等等,都都将将会会直直接接影影响响到到输输出出量量,而而控控制制系系统统不不能能自自动动进进行行补补偿偿,抗抗干干扰扰性性能能差差。因因此此,开开环环系系统统对对元元器件的精度要求较高。器件的精度要求较高。2022/9/28本讲稿第十三页,共四十七页1.2.2闭环控制系统闭环控制系统电电压压放大器放大器功功率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+_uf电位器电位器测速发电机测速发电机+_ue=ug-uf偏差偏差2022/9/28本讲稿第十四页,共四十七页直流电动机转速闭环控制系统方块图直流电动机转速闭环控制系统方块图 设设上上述述系系统统原原已已在在某某个个给给定
10、定电电压压ug相相对对于于的的转转速速n状状态态下下运运行行,若若一一旦旦受受到到某某些些干干扰扰(如如负负载载转转矩矩突突然然增增大大)而而引引起起转转速下降时,系统就会自动地产生相应的调整过程。速下降时,系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在偏差始终存在正反馈不能进行控制,会使系统的偏差越来越大。正反馈不能进行控制,会使系统的偏差越来越大。Mcnufue(ue=ug-uf )uan nue输输入入量量Mc扰动扰动输输出出量量功功率率放大器放大器直直流流电动机电动机ugua测测速速发电机发电机uf电电压压放大器放大器2022/9/28本讲稿第十五页,共四十七页 闭闭环环控控制制系系统
11、统(Close-LoopControlSystem)又又称称反反馈馈控控制制系系统统(FeedbackControlSystem),是是在在闭闭环环控控制制系系统统中中,把把输输出出量量检检测测出出来来,经经过过物物理理量量的的转转换换,再再反反馈馈到到输输入入端端去去与与给给定定值值(参参考考输输入入)进进行行比比较较(相相减减),并并利利用用比比较较后后的的偏偏差差信信号号,以以一一定定的的控控制制规规律律产产生生控控制制作作用用,抑抑制制内内部部或或外外部部扰扰动动对对输输出出量量的的影影响响,逐逐步步减减小小以以至至消消除除这这一一偏偏差差,从从而而实现实现要求的控制性能。要求的控制性
12、能。2022/9/28本讲稿第十六页,共四十七页 闭闭环环控控制制的的优优点点抑抑制制扰扰动动能能力力强强,与与开开环环控控制制相相比比,对对参参数数变变化化不不敏敏感感,并并能能获获得得满满意意的的动动态态特特性性和和控控制精度。制精度。闭闭环环控控制制的的缺缺点点引引入入反反馈馈增增加加了了系系统统的的复复杂杂性性,如如果果闭闭环环系系统统参参数数的的选选取取不不适适当当,系系统统可可能能会会产产生生振振荡荡,甚甚至至系系统统失失稳稳而而无无法法正正常常工工作作,这这是是自自动动控控制制理理论和系统设计必须解决的重要问题。论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统自动
13、控制理论主要研究闭环控制系统 2022/9/28本讲稿第十七页,共四十七页结论:结论:通通过过检检测测、比比较较得得到到偏偏差差,由由偏偏差差产产生生控控制制作作用用,由由控控制制作作用用使使偏偏差差减减少少或或消消除除的的原原理理就就是是自动控制原理自动控制原理也称反馈控制原理。(负反馈)也称反馈控制原理。(负反馈)2022/9/28本讲稿第十八页,共四十七页1.3 1.3 1.3 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成 2022/9/28本讲稿第十九页,共四十七页1.3.1基本组成部分基本组成部分输入量输入量串联串联校正元件校正元件放大放大元件元件
14、执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈给定给定元件元件2022/9/28本讲稿第二十页,共四十七页被被控控对对象象(或或过过程程)又又称称控控制制对对象象或或受受控控对对象象,指指需需要要对对它它的的某某个个特特定定的的量量进进行行控控制制的的设设备备或或过过程程。被被控控对对象象的的输输出出变变量量是是被被控控变变量量,常常常常记记作作输输出出信信号号或或输输出出量量。被被控控对对象象除除了了受受到到控控制制作作用用外外
15、,还受到外部扰动作用。,还受到外部扰动作用。给给定定元元件件其其作作用用是是给给出出与与期期望望的的输输出出相相对对应应的的系系统统输输入入量量,是是一类产生系统控制指令的装置。一类产生系统控制指令的装置。测测量量反反馈馈元元件件如如传传感感器器和和测测量量仪仪表表,感感受受或或测测量量被被控控变变量量的的值值并并把把它它变变换换为为与与输输入入量量同同一一物物理理量量后后,再再反反馈馈到到输输入入端端以以作作比比较。较。2022/9/28本讲稿第二十一页,共四十七页比比较较元元件件比比较较输输入入信信号号与与反反馈馈信信号号,以以产产生生反反映映两两者者差差值的偏差信号。值的偏差信号。放大元
16、件放大元件将微弱的信号作线性放大。将微弱的信号作线性放大。校校正正元元件件也也叫叫补补偿偿元元件件,它它是是按按某某种种函函数数规规律律变变换换控控制制信号,以利于改善系统的动态品质或静态性能。信号,以利于改善系统的动态品质或静态性能。执执行行元元件件根根据据偏偏差差信信号号的的性性质质执执行行相相应应的的控控制制作作用用,以以便便使使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。2022/9/28本讲稿第二十二页,共四十七页自自动动控控制制系系统统:是是由由被被控控对对象象和和自自动动控控制制装装置置按按一一定定方方式式联联结结起来的,以完成某种
17、自动控制任务的有机整体。起来的,以完成某种自动控制任务的有机整体。输输入入信信号号:系系统统的的输输入入信信号号是是指指参参考考输输入入,又又称称给给定定量量或或给给定定值值,它是控制着输出量变化规律的指令信号。它是控制着输出量变化规律的指令信号。输输出出信信号号:系系统统的的输输出出信信号号是是指指被被控控对对象象中中要要求求按按一一定定规规律律变变化化的的物物理理量量,又又称称被被控控量量,它它与与输输入入量量之之间间保保持持一一定定的的函函数关系。数关系。1.3.2自动控制系统中常用的名词术语自动控制系统中常用的名词术语2022/9/28本讲稿第二十三页,共四十七页反反馈馈信信号号:由由
18、系系统统(或或元元件件)输输出出端端取取出出并并反反向向送送回回系系统统(或或元元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。件)输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。偏偏差差信信号号:它它是是指指参参考考输输入入与与主主反反馈馈信信号号之之差差。偏偏差差信信号号简简称称偏差。偏差。误误差差信信号号:它它是是指指系系统统输输出出量量的的期期望望值值与与实实际际值值之之差差,简简称称误误差差。在单位反馈情况下,误差值也就是偏差值,二者是相等的。在单位反馈情况下,误差值也就是偏差值,二者是相等的。扰扰动动信信号号:简简称称扰扰动动或或干干扰扰,它它与与控控制制作作用用相相
19、反反,是是一一种种不不希希望望的的、影影响响系系统统输输出出的的不不利利因因素素。扰扰动动信信号号既既可可来来自自系系统统内内部部,又又可可来来自自系系统统外外部部,前前者者称称为为内内部部扰扰动动,后后者者称称为为外外部部扰动。扰动。外部扰动是不希望的输入信号。外部扰动是不希望的输入信号。2022/9/28本讲稿第二十四页,共四十七页1.4 1.4 1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类2022/9/28本讲稿第二十五页,共四十七页1.恒值调节系统:恒值调节系统:该类系统的输入信号为一常数,扰动使被控量偏该类系统的输入信号为一常数,扰动使被控
20、量偏离理想值而出现偏差,利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或离理想值而出现偏差,利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、水位控制系统均属于此类接近理想值。上述的转速闭环控制系统、水位控制系统均属于此类系统。系统。2.程程序序控控制制系系统统:输输入入信信号号为为已已知知的的时时间间函函数数,如如机机械械加加工工中中的的数数控控机床工作台移动系统。机床工作台移动系统。3.随随动动系系统统:这这类类系系统统的的给给定定量量是是时时间间的的未未知知函函数数,系系统统能能使使被被控控量量准准确确、快快速速地地跟跟随随给给定定量量变变化化。随随动动系系统统又又称称伺伺
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