控制工程基礎(chǔ)PPT課件(王積偉)第一章_控制系統(tǒng)的基本概念

1、6/30/20221第一章 控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成二、控制系統(tǒng)的基本類型三、對控制系統(tǒng)的基本要求四、小結(jié)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20222一、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成l 自動控制自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置控制裝置或控制器控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對象被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念對對象施加某種操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。如：鋼鐵軋制:軋出厚度一致的高精度鐵板l 控制控制6/30/20223例.控制實例-液面控制如：數(shù)控機床、室內(nèi)

2、溫度控制、機車、船舶 及飛機自動駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。6/30/20224l 工作原理工作原理加熱電阻絲220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱 溫度計第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20225人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程： 觀測恒溫箱內(nèi)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(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過程的實質(zhì)：檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20226大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20227加

3、熱電阻絲220V調(diào)壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1+u恒溫箱自動控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20228恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)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uu1 u2溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動 執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)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u0，電機停止轉(zhuǎn)動。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20229給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調(diào)壓器恒溫箱

4、(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202210從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見： 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(chǎn)生偏 差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。系統(tǒng)的輸出不斷地、直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，即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。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202211綜上所述，控制系統(tǒng)的

5、工作原理：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(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202212由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)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(chǔ)上，其控制方式是“檢測偏差并糾正偏差檢測偏差并糾正偏差”。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202213這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系

6、統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。 注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現(xiàn)自動控制最基本的方法。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202214自動控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟(重點掌握)：（1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對象。 （2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量。 （3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個環(huán)節(jié)。（4）按信息流動的方向?qū)⒏鱾€環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來6/30/202215節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動機減速器例 分析圖示液位自動控制系統(tǒng)工作原理并繪 制系統(tǒng)功能框圖6/30/2

7、02216解解： 1、電位器滑動觸點位于中間位置，電動機停轉(zhuǎn)，閥門保持原有開度，水箱中流入水量與流出水量相等，液面保持在希望的高度。 2、若系統(tǒng)收到擾動使液面升高，則浮子相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器滑動觸點下移，給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動觸點回到中間位置，液面恢復(fù)給定高度；6/30/202217 3、若系統(tǒng)收到擾動使液面下降，則系統(tǒng)會自動加大閥門開度，使輸入流量增加，液面恢復(fù)到給定高度。給定液位杠桿電位器放大器電動機減速器閥門水箱實際液位浮子6/30/202218l 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可

8、分為三類： 開環(huán)控制系統(tǒng)：如步進驅(qū)動的數(shù)控機床、普通洗衣機、家用電烤箱、微波爐等 閉環(huán)控制系統(tǒng)：如伺服驅(qū)動的數(shù)控機床、恒溫箱（冰箱、空調(diào)）等 半閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202219 開環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；輸出端 和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量 在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生 任何影響。 輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動裝置工作臺工作臺 位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202220優(yōu)點優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件 特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較 小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度

9、。缺點缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202221 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸 出量對控制過程有直接影響。 閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。 優(yōu)點優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不 敏感 缺點缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性 能分析和設(shè)計麻煩。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202222控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量 半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點特點：反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202223l 閉環(huán)控制

10、系統(tǒng)的組成給定元件 +串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對象_ +_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號 xi偏差信號 e主反饋信號 xb擾動信號輸出 xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202224 給定元件 產(chǎn)生給定信號或輸入信號。 反饋元件 測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。 為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。 注意：在機械、液壓、氣動、機電等系統(tǒng)中 存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門 的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互 作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之 間形成的直接反饋。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202225 比較元件 對

11、給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差 信號； 放大元件 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū) 動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。 執(zhí)行元件 直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、 液壓馬達等； 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202226 校正元件 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動，但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/20222

12、7二、控制系統(tǒng)的基本類型l 按輸入量的特征分類按輸入量的特征分類 恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。 程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202228 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。 如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/3

13、0/202229l 按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類 連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202230 線性系統(tǒng)由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來表述。 非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。l 按系統(tǒng)原件性質(zhì)分類按系統(tǒng)原件性質(zhì)分類 6/30/202231l 其它分類方法其它分類方法 定常系

14、統(tǒng)和時變系統(tǒng) 機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控 制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202232三、對控制系統(tǒng)的基本要求l 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素無關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部儲能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202233l 準確性準確性 控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)輸出量的實際值與給定量之間的差值。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202234l 快速性快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動態(tài)性能。注意： 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側(cè)重。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng) 根據(jù)實際需求合理選擇。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念6/30/202235本章作業(yè)：P8 1-3、1-4四、小結(jié)本章主要內(nèi)容：掌握反饋控制工作原理及相關(guān)概念了解控制