控制工程基礎(chǔ)(第一章)課件

1、控制工程基礎(chǔ)機(jī)電學(xué)院控制工程教研組北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第一章 緒論控制理論控制理論在機(jī)械制造中的作用自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理反饋控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1-1 概述 控制工程基礎(chǔ)課程：闡述有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院自動(dòng)控制： 沒有人直接參與的情況下，使生產(chǎn)過(guò)程或被控制對(duì)象的某些物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)律變化。 例如：數(shù)控機(jī)床、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng) 給定量：系統(tǒng)的輸入量，可以是物理量、也可以是數(shù)字量； 被控量：系統(tǒng)的輸出量。 若被控量是恒定的，為恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如穩(wěn)壓電源，恒溫控制系統(tǒng)； 若被控量隨給定量的變化而變化，則為調(diào)節(jié)系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)

2、，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)等。 1-1 概述北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 特點(diǎn)：一個(gè)或多個(gè)被控制的物理量按照給定量的變化而變化。 控制系統(tǒng)的任務(wù)：使被控制量按照給定量的變化規(guī)律而變化。 學(xué)習(xí)自動(dòng)控制，解決兩個(gè)問題： 1-1 概述北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 1）系統(tǒng)分析對(duì)給定的控制系統(tǒng)，分析其工作原理，元部件組成，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、對(duì)輸入的快速響應(yīng)能力、誤差、品質(zhì)等； 2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并研究如何用機(jī)、電、光、液壓部件或設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)。 控制論是自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科相互滲透的產(chǎn)物： 20世紀(jì)40年代醞釀形成，1948年，維納（Wiener）控制論出版，標(biāo)志

3、著該學(xué)科的誕生； 50年代蓬勃發(fā)展，一方面，火藥、導(dǎo)彈的控制技術(shù)，以及數(shù)控、電力、冶金自動(dòng)化技術(shù)得到極大發(fā)展，另一方面，控制理論也逐漸成熟； 54年，錢學(xué)森出版工程控制論，把控制論推廣應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域； 接著又出現(xiàn)了生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論等。1-1 概述北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“古典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論” 。 1-1 概述北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高性能的控制系統(tǒng)。 最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、人工智能控制等。 古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究

4、單輸入、單輸出的控制系統(tǒng)；1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用一. 研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題 例：質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 廣義地說(shuō)，機(jī)械設(shè)備、加工過(guò)程都可看成是如圖1所示的動(dòng)力系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸入圖1 系統(tǒng)模型1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系而言，機(jī)械控制工程的內(nèi)容可歸納為5類： 1. 系統(tǒng)分析系統(tǒng)已確定，已知輸入，求系統(tǒng)的輸出，并通過(guò)輸出研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題； 2.最優(yōu)控制系統(tǒng)已確定，確定系統(tǒng)的輸入，已使輸出盡可能符合給定的最佳要求； 3. 最優(yōu)設(shè)計(jì)輸入已知，確定系統(tǒng)，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求； 4.

5、 濾波與預(yù)測(cè)輸出已知，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸出中的有關(guān)信息； 5. 系統(tǒng)辨識(shí)輸入、輸出均已知，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院二. 研究反饋控制系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì) 1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 反饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將輸出信號(hào)全部或部分返回到輸入端，并與系統(tǒng)的輸入進(jìn)行比較。 如數(shù)控機(jī)床，自動(dòng)生產(chǎn)線，精密工作臺(tái)等。三. 研究生產(chǎn)過(guò)程的組織和管理 生產(chǎn)過(guò)程的組織管理生產(chǎn)過(guò)程制造系統(tǒng) 生產(chǎn)過(guò)程的組織、管理以及生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是整個(gè)制造系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)其后面的環(huán)節(jié)產(chǎn)生影

6、響，而后面的環(huán)節(jié)可能又反過(guò)來(lái)影響前面的環(huán)節(jié)。這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 控制理論在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用最為活躍的幾個(gè)方面： 1機(jī)械制造過(guò)程正在向“自動(dòng)化”與“最優(yōu)化”結(jié)合的方向，以及機(jī)電一體化的方向發(fā)展。 2制造和加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)研究。 由于制造和加工過(guò)程的高速、高精度要求，需要把整個(gè)過(guò)程作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來(lái)研究。 3產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì) 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮產(chǎn)品與設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 4動(dòng)態(tài)過(guò)程或參數(shù)測(cè)試，向著動(dòng)態(tài)測(cè)試方向發(fā)展。 比如動(dòng)態(tài)精度，動(dòng)態(tài)位移，振動(dòng)，噪聲，動(dòng)態(tài)力與動(dòng)態(tài)溫度等的測(cè)量，從基本概念，測(cè)試手段到測(cè)試數(shù)據(jù)的處理方法都與控制

7、理論相關(guān)。1-2 控制理論在機(jī)械制造中的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一.自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理 （1）人工控制系統(tǒng)：如圖，人工控制恒溫箱。 圖2 人工控制恒溫箱 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院人工觀察溫度計(jì)測(cè)得的恒溫箱溫度，與要求的溫度進(jìn)行比較，若恒溫箱溫度高于要求的溫度，移動(dòng)調(diào)壓器使電阻絲電流減小以降低恒溫箱溫度；若恒溫箱溫度低于要求的溫度，移動(dòng)調(diào)壓器使電阻絲電流增加以升高恒溫箱溫度。1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 “檢測(cè)偏差并用以糾正偏差”。（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)：如圖，自動(dòng)控制恒溫箱。圖3 自動(dòng)控制恒溫箱 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院

8、由熱電偶將測(cè)量到的恒溫箱的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)u2，并與給定信號(hào)u1進(jìn)行比較得到溫度偏差u，u經(jīng)電壓放大器和功率放大器放大后，改變執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，并通過(guò)傳動(dòng)裝置移動(dòng)調(diào)壓器的觸頭，使電阻絲的電流改變，進(jìn)而改變恒溫箱的溫度，直到溫度偏差u=0，電機(jī)停止。 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院“檢測(cè)偏差并用以糾正偏差”，通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)。圖4 自動(dòng)控制恒溫箱方塊圖u1系統(tǒng)輸入恒溫箱溫度系統(tǒng)輸出熱電偶反饋元件1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱（控制對(duì)象）熱電偶溫度（被調(diào)量）+ -北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 反饋輸出量經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將信號(hào)全部或部分

9、返回到輸入端，使其與輸入量進(jìn)行比較。 比較的結(jié)果叫偏差。 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 反饋控制原理基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差并用以糾正偏差”的原理。 反饋控制系統(tǒng)利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)。 反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本的方法。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置可能不同，但反饋控制的原理是相同的。二. 開環(huán)控制與閉環(huán)控制圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1.開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響。2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有直接影響. 圖6 閉環(huán)

10、調(diào)速系統(tǒng) 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院閉環(huán)的作用是應(yīng)用反饋來(lái)減少偏差。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：精度高 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易構(gòu)建 缺點(diǎn)：精度低 閉環(huán)系統(tǒng)的精度高、穩(wěn)定性差是其主要矛盾，當(dāng)控制系統(tǒng)的性能要求較高時(shí)，可采用閉環(huán)與開環(huán)相結(jié)合的復(fù)合控制。1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院三. 反饋控制系統(tǒng)的基本組成比較元件給定元件串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象輸出xo反饋元件并聯(lián)校正元件局部反饋主反饋擾動(dòng)主反饋信號(hào)xb輸入信號(hào)xi偏差信號(hào)e 圖7 典型的反饋控制系統(tǒng)方塊圖1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1-3 自

11、動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1. 給定元件：用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)，也就是產(chǎn)生系統(tǒng)的輸入。2. 反饋元件：測(cè)量系統(tǒng)的輸出，產(chǎn)生主反饋信號(hào)，該信號(hào)與系統(tǒng)的輸出之間存在確定的函數(shù)關(guān)系（通常為比例關(guān)系）。北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念3. 比較元件：比較輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之間的偏差。可以是物理的比較元件，也可以是一個(gè)差接電路，此時(shí)可稱做比較環(huán)節(jié)。4. 放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件5. 執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作。6. 控制對(duì)象：控制系統(tǒng)所操縱的對(duì)象，其輸出就是系統(tǒng)的輸出，或稱為被調(diào)量，被控量。7. 校正元件：也稱校正裝置，用以穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性能。北京工

12、業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院四自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型1按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)分： （1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如穩(wěn)壓電源，恒溫箱。（2）程序控制系統(tǒng)，輸入量為已知給定的時(shí)間函數(shù)，如數(shù)控機(jī)床。（3）隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的給定量（或輸入量）是時(shí)間的未知函數(shù)，即給定量的變化規(guī)律事先無(wú)法確定，要求輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)給定量。如火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)敵機(jī)的控制系統(tǒng)，仿形加工中的液壓仿形刀架隨動(dòng)系統(tǒng)。1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院仿形機(jī)床：按照樣板或靠模控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行切削加工的半自動(dòng)機(jī)床 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2按系統(tǒng)反應(yīng)特性來(lái)分：（1）連續(xù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個(gè)參量的變化都是連續(xù)的。 線性系統(tǒng)：可以用線性微

13、分方程描述 非線性系統(tǒng)：不能用線性微分方程描述，存在非線性部件（2）數(shù)字控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的給定量、反饋量、偏差量都是數(shù)字量，數(shù)值上不連續(xù)，時(shí)間上也是離散的。1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院五對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3準(zhǔn)確性：消除偏差過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間殘存的偏差，或稱為靜態(tài)精度。 1穩(wěn)定性：指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間收斂并且最終回到初始的平衡狀態(tài)。2快速性：指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。例如，數(shù)控機(jī)床，其精度越高，加工精度也越高。而恒值系統(tǒng)，如恒溫系統(tǒng)、恒速系統(tǒng)，其精度都在給定值的1%以內(nèi)。不同的系統(tǒng)，其性能要求不一樣，如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速