控制工程基礎(chǔ) 第章 控制工程基礎(chǔ)

武漢理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

教材及參考書教材：[1]容一鳴·控制工程基礎(chǔ)·北京理工大學(xué)出版社，2010、2參考書：[2]楊振中，張和平·控制工程基礎(chǔ)·北京大學(xué)出版社，2007、8[3]楊叔子·機(jī)械工程控制基礎(chǔ)·華中科技大學(xué)出版社，2002、8[4]胡壽松·自動(dòng)控制原理·國(guó)防工業(yè)出版社，2001、3[5]HuangAnyi·FundamentalsofMechanicalControlSystems·武漢理工大學(xué)出版社，2004、7[6]黃忠霖·控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真·國(guó)防工業(yè)出版社，2001、11本章主要內(nèi)容:

1.1緒論1.2控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.3控制系統(tǒng)的分類1.4控制系統(tǒng)的基本要求1.5課程基本內(nèi)容第一章控制系統(tǒng)的基本概念重點(diǎn)：控制系統(tǒng)的工作原理及基本組成。難點(diǎn)：確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量，尋找反饋通道。第一章控制系統(tǒng)的基本概念§1.1緒論控制理論是研究各種控制系統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)。它是一門方法論學(xué)科?？刂评碚撌亲詣?dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科相互滲透的產(chǎn)物。1948年，N.維納發(fā)表了著名的《控制論》，它基本形成了經(jīng)典控制理論。1954年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森在美國(guó)運(yùn)用控制論的思想和方法，首創(chuàng)了工程控制論，把控制理論推廣到工程領(lǐng)域，奠定了工程控制論這一技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)。一、系統(tǒng)（System）的定義:

系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依賴（聯(lián)系）的事物組合而成的具有特定功能的整體（集合）。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)一般可以定義為任何一組存在某種因果關(guān)系的物理元件。系統(tǒng)x1x2…x3y1y2…y3原因稱為激勵(lì)或輸入；效果叫做響應(yīng)或輸出。通常，輸入和輸出都是物理變量，例如，溫度、壓力、液位、電壓、位移、速度等。系統(tǒng)構(gòu)成的三要素物質(zhì)能量信息構(gòu)成系統(tǒng)的形體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)離不開能量信息則是系統(tǒng)的靈魂LCRu0(t)ui(t)tu0(t)二、控制及自動(dòng)控制控制的本意:按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的操作或方法。

〇人工控制：

控制的任務(wù)由人來(lái)完成，稱為人工控制。〇自動(dòng)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（稱控制裝置或控制器）,使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。§1.2

控制系統(tǒng)的工作原理及其組成一、恒溫箱的人工控制1[動(dòng)態(tài)過(guò)程]1.觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）22.與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向33.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。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差再糾正偏差。實(shí)際溫度希望溫度大腦調(diào)壓器恒溫箱溫度計(jì)手眼睛人參入控制：（1）眼睛觀測(cè)溫度；（2）大腦比較；（3）手操作調(diào)壓器。二、繭恒溫倆箱的歡自動(dòng)克控制給定信號(hào)電壓功率放大態(tài)器電動(dòng)機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫陵箱(控制對(duì)象)熱電愿偶u1u2uuanvu溫度t(被控伍量)擾動(dòng)恒溫叼箱自謊動(dòng)控凈制系懂統(tǒng)功體能框幫圖（1）恒短溫箱皺實(shí)際裹溫度刃由熱汗電偶羽轉(zhuǎn)換雖為對(duì)傘應(yīng)的忽電壓u2（2）恒曾溫箱箭期望革溫度義由電憲壓u1給定股，并京與實(shí)救際溫是度u2比較醉得到得溫度滋偏差器信號(hào)u=趴u1-u2（3）溫背度偏購(gòu)差信娛號(hào)經(jīng)繼電壓腫、功很率放眨大后桃，用妖以驅(qū)摘?jiǎng)訄?zhí)嫂行電咸動(dòng)機(jī)婚，并雨通過(guò)辜傳動(dòng)山機(jī)構(gòu)坡拖動(dòng)衰調(diào)壓劉器動(dòng)涌觸頭社。當(dāng)議溫度畝偏高紡時(shí)，嶄動(dòng)觸脊頭向條減小歡電流嫩的方散向運(yùn)儀動(dòng)，者反之炮加大擴(kuò)電流誼，直所到溫滅度達(dá)像到給淚定值鋼為止頃，此愉時(shí)，質(zhì)偏差u=婦0,電機(jī)烘停止首轉(zhuǎn)動(dòng)佛。三、茶控制郵系統(tǒng)黎的工視作原香理（1）檢繼測(cè)輸味出量修（被囑控制幣量）盲的實(shí)取際值凈；（2）將扮輸出熄量的凍實(shí)際攻值與炭給定器值（課輸入車量）然進(jìn)行挨比較膝得到澇偏差打信號(hào)框；（3）用委偏差挽值產(chǎn)肚生控狠制調(diào)漁節(jié)作騙用去院消除館偏差況，使摸得輸鮮出量?jī)S維持盤期望監(jiān)的輸悉出。四、害反饋張的概閉念反饋屆（Fe幕ed多ba賺ck)：取具出輸錘出量膠送回西到輸嘉入端扯，且么與輸郊入信灘號(hào)相俊比較恨產(chǎn)生琴偏差盤的過(guò)辨程。正反縮慧饋：營(yíng)送回兼到輸伙入端炸的信襲號(hào)與湊輸入語(yǔ)信號(hào)同號(hào)；負(fù)反詠饋：敞送回謠到輸款入端濁的信訴號(hào)與欠輸入村信號(hào)異號(hào)；基于位負(fù)反動(dòng)饋（Ne躁ga蓬ti昏ve挖F叼ee脾db咸ac內(nèi)k)。h杠桿引平衡祝時(shí)，五控制湊進(jìn)水慶閥閥文門位腰于某戲位置擴(kuò)而具籃有一升定開順度，煌使水貍箱中創(chuàng)輸入吊水量藥與流建出水銅量相決等，傍從而耽使液哭位保車持在蠟希望果高度h上。栗當(dāng)液戴位降繩低時(shí)耳，浮異球位貞置也膀隨之城降低楊，這箏時(shí)，勇通過(guò)括杠桿縣機(jī)構(gòu)顯使水散閥閥轉(zhuǎn)門開鵲度增蹤蝶大，邀進(jìn)入囑水箱哄的水框流量蹤蝶增大活，水克箱中判液面貨隨之扭上升棕，浮榜球位闊置又化隨之年上升灑，使隨水閥傲閥門秋開度今減小喜，進(jìn)勵(lì)水增爪加量捐減小喇，直敗至系揚(yáng)統(tǒng)處縣于新期的平墻衡狀輔態(tài)。桌反之成，若緞水箱謙液位傷上升遮，系山統(tǒng)會(huì)太自動(dòng)蘇減小意閥門撇開度斑，從躍而減浩少流表入的瞧水量亭，使宏液位嶄降低梨，直靠至達(dá)搏到新等的平宇衡位粗置。例：豆水箱捏液位先控制該系費(fèi)統(tǒng)的院控制紹任務(wù)毯是將吃水箱陜的液睬面維饑持在貫一定養(yǎng)高度味。水箱齡是被理控對(duì)尺象，匯水箱凈液位蜓是被緒控制口量，更浮球歪頂桿庸（杠勞桿）澆的長(zhǎng)班度（釣表征待液位秋的期豎望值工）是如給定銜量。實(shí)際水位希望水位杠桿朱機(jī)構(gòu)水箱進(jìn)水販閥浮球例[鋼鐵尿軋制]:軋出為厚度夾一致哀的高河精度符鋼板溫度棟控制,生鐵慕成分蔽控制,厚度擠控制,張力牽控制,等等券。比較環(huán)節(jié)1.給定面環(huán)節(jié):根據(jù)觀系統(tǒng)歷輸出廢量的配期望叫值，熟產(chǎn)生描系統(tǒng)掘的給赴定輸器入信屯號(hào)。鵲如：罵將期挎望恒菠定的嘩溫度息轉(zhuǎn)換戲?yàn)橄嗨?yīng)電翠壓。五、廉控制窩系統(tǒng)剝的組迎成輸出給定環(huán)節(jié)被控對(duì)象執(zhí)行環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)五、吐控制負(fù)系統(tǒng)殲的組繭成2.反饋?zhàn)姝h(huán)節(jié):測(cè)量邪并轉(zhuǎn)畏換輸姜出信煎號(hào)。主要塘是各隙種傳漆感器念。該禿環(huán)節(jié)爹的功蘆能是親，對(duì)問(wèn)系統(tǒng)欺輸出拌量的眉實(shí)際浴值進(jìn)鴿行量矮測(cè)，懲將它歡轉(zhuǎn)換狹成反乳饋信抹號(hào)并抗使反煙饋信休號(hào)成閃為與凍給定艷輸入滿信號(hào)筍同類嫩型、險(xiǎn)同數(shù)擋量級(jí)芒的物跡理量第。3.比較訓(xùn)環(huán)節(jié)惹（器購(gòu)）:將參觀考輸劣入信多號(hào)和湊反饋侮信號(hào)需進(jìn)行爸比較洋，產(chǎn)笛生偏絡(luò)差信兄號(hào)。扭如：呢電壓厲比較帥電路仁、平噴衡電慚橋等劍。4.放大衣環(huán)節(jié):對(duì)較因弱的梁偏差產(chǎn)信號(hào)掠進(jìn)行涉放大柱并驅(qū)蟲動(dòng)執(zhí)槳行件龜動(dòng)作拍。如炎：電毒壓放擺大器雪等。五、欠控制錫系統(tǒng)朗的組作成5.執(zhí)行奸環(huán)節(jié):直接語(yǔ)對(duì)被匪控對(duì)跌象進(jìn)誦行操冷作的凳環(huán)節(jié)詞。如：魂晶閘標(biāo)管整竄流裝劃置、棚液壓晴缸、惱馬達(dá)昆、電騰動(dòng)機(jī)統(tǒng)等。6.校正趟環(huán)節(jié):為改渴善控痕制性門能而新加入幻玉的元夢(mèng)件或該裝置逃。它闊不是寶反饋得控制乏系統(tǒng)辟所必豎須的伯。根據(jù)鄉(xiāng)豐其構(gòu)軋建的疊不同訂，有洞串聯(lián)供、并忽聯(lián)?；驼葞?。7.被控相對(duì)象:控制輛系統(tǒng)茄所要形控制絕的設(shè)凡備或柳生產(chǎn)掀過(guò)程涉，它喝的輸貍出量股就是司被控爽制量猶。控制歉過(guò)程舍的物聚理本附質(zhì)在機(jī)銜器系字統(tǒng)、每生命叢系統(tǒng)貓甚至辜社會(huì)他與經(jīng)輸濟(jì)系怠統(tǒng)中色，都郊存在再一個(gè)賽共同膨的本板質(zhì)的枯特點(diǎn)傍，它遮們都倍通過(guò)敵信息惜的傳耳遞、家變換崗、處概理與奴交換(反饋)來(lái)進(jìn)臉行控?zé)o制的廚。從物飛理本恒質(zhì)上鬧看，墳控制侄過(guò)程敲是一哥種信擇息處寬理及響能量鋪轉(zhuǎn)移復(fù)的過(guò)有程。抵因此責(zé)，提頸高信哀息處帖理能俊力，嘴以最適短的首時(shí)間艦和(或)最小鴨的代刷價(jià)(能量拜消耗孔最小)實(shí)現(xiàn)系系統(tǒng)愧按預(yù)雷定的銹規(guī)律魯進(jìn)行宿能量傻轉(zhuǎn)移腸，就錫是控貍制系就統(tǒng)設(shè)份計(jì)所歪要解陪決的咱中心層問(wèn)題他。一、衰按控讀制策睡略來(lái)痰分1.開環(huán)眉控制輸出扮端與閘輸入課端不怕存在婚反饋碧回路嗽，即科輸出斗量在炭整個(gè)凈控制側(cè)過(guò)程范中對(duì)倘系統(tǒng)軍的控備制不古產(chǎn)生敞任何屆影響遲。2.閉環(huán)盒控制輸出涼端與漸輸入下端存橡在反棉饋回閥路，囑即輸爸出量鼓對(duì)控國(guó)制過(guò)暫程產(chǎn)慰生直啊接影稻響?！?.強(qiáng)3控制仙系統(tǒng)受的基根本類坐型3.半閉腫環(huán)控違制反饋唐信號(hào)鍬不是攔直接橋從系瓶統(tǒng)的記輸出吹端引憑出，羨而是竄間接布取自繪中間聰?shù)臏y(cè)溉量元蟲件。二、梢按輸伯入信該號(hào)的怒性質(zhì)知（特?cái)痴鳎┏鰜?lái)分1.恒值范控制輸入慰是已倒知的武恒定玩值，障控制泄任務(wù)雷是保脈證在競(jìng)?cè)魏尉磾_動(dòng)森作用診下系默統(tǒng)的雜輸出殺量為沾恒值廳。2.程序遇控制輸入橫量的居變化江規(guī)律貫預(yù)先救確知渡，輸腔入裝甩置根趙據(jù)輸育入的貌變化痕規(guī)律課，發(fā)疼出控廢制指踐令，賓使被序控對(duì)粥象按戰(zhàn)照指爹令程紛序的鋸要求籌而運(yùn)痛動(dòng)。3.伺服餐控制輸入吉量的寫變化并規(guī)律刃不能揀預(yù)先被確知寨，其門控制哭要求蘿是輸呼出量廳迅速冠、平箏穩(wěn)地近跟隨非輸入蝴量的以變化居，并諷能排教除各宜種干兇擾因脖素的粉影響肉，準(zhǔn)波確地播復(fù)現(xiàn)近輸入墓信號(hào)殊的變貫化規(guī)旱律。三、害按系算統(tǒng)中挨傳遞皮信號(hào)巷的性杯質(zhì)來(lái)曾分1.連續(xù)英控制系統(tǒng)擋中各虛部分量傳遞駝的信謠號(hào)為釘隨時(shí)甩間連塔續(xù)變遞化的絕信號(hào)涼。連貪續(xù)控閉制系戒統(tǒng)通承常采升用微贈(zèng)分方毫程描商述。2.離散猴控制系統(tǒng)濾中某應(yīng)一處型或多屈處的風(fēng)信號(hào)雖為脈嗚沖序獻(xiàn)列或更數(shù)字蹄量傳仔遞的潮系統(tǒng)鉛。離位散控做制系疼統(tǒng)通頭常采駝?dòng)貌罱址讲爻堂璐攀?。四、僚按?gòu)俘成系腿統(tǒng)的曾部件鏟的物陸理性凍質(zhì)來(lái)凳分機(jī)械抬、電蠢氣、陜機(jī)電縱、液磁壓、宣氣動(dòng)培、熱疲力等掉。一、奧穩(wěn)定粒性系統(tǒng)板動(dòng)態(tài)培過(guò)程諷的振顧蕩傾忽向及步其恢截復(fù)平格衡狀歷態(tài)的蕉能力芒。穩(wěn)婆定的器系統(tǒng)蔬當(dāng)輸晝出量廁偏離竄平衡捧狀態(tài)尿時(shí)，去其輸爸出能酬隨時(shí)慈間的煩增長(zhǎng)顆收斂東并回哪到初劇始平桌衡狀狗態(tài)?！?.朽4對(duì)控?zé)糁葡底娼y(tǒng)的鍬基本水要求A倒立擺BAC單擺控制眼精度