控制工程基礎(chǔ)1章

控制工程基礎(chǔ)教材：董景新<控制工程根底>參考：胡壽松<自動控制原理>緒芳勝彥<現(xiàn)代控制工程>MATLAB在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中的運(yùn)用類的書籍1

第一章緒論

一、概述

1、自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，使消費(fèi)過程或被控對象的某些物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律變化，使其具有希望的形狀和功能。自動控制系統(tǒng)：可以實現(xiàn)自動控制義務(wù)的系統(tǒng)。22、自動控制規(guī)律恒值調(diào)理：系統(tǒng)的輸入量為一恒值，或者隨時間緩慢地變化，要求系統(tǒng)的輸出量堅持為希望的恒定值。例如：穩(wěn)壓電源，恒溫系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)：又稱伺服跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入量隨時間恣意變化，系統(tǒng)的根本義務(wù)是控制輸出量以要求的精度及時平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)輸入量。如轉(zhuǎn)速調(diào)理，位置隨動等程序控制：系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按照預(yù)定的程序進(jìn)展。如消費(fèi)線的消費(fèi)過程。33、經(jīng)典控制實際及經(jīng)典控制實際控制實際分為經(jīng)典控制實際和現(xiàn)代控制實際。經(jīng)典控制實際：以傳送函數(shù)為根底，研討單輸入單輸出的線性延續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題?，F(xiàn)代控制實際：以形狀空間法為根底，研討多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。最優(yōu)控制、最正確濾波、系統(tǒng)辯識、自順應(yīng)控制等實際都是這一領(lǐng)域的主要研討課題。其根底是計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代運(yùn)用數(shù)學(xué)。4

經(jīng)典控制可以利用硬件電路實現(xiàn)，也可以用計算機(jī)來實現(xiàn)，但現(xiàn)代控制是無論如何離不開計算機(jī)的。自動控制實際的開展：它的開展初期，是以反響實際為根底的自動調(diào)理原理，并主要用于工業(yè)控制。如二戰(zhàn)時期的飛機(jī)及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等。60年代開場向以控制論、信息論和仿生學(xué)為根底的智能控制實際開展。54、本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法本課程主要講述以機(jī)械設(shè)備和機(jī)械制造過程為對象的經(jīng)典控制實際。包括：1〕控制系統(tǒng)分析：對知的系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能〔普通概括為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性〕進(jìn)展分析，看它們能否滿足要求，并提出改良措施。2〕控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)所要求的系統(tǒng)性能目的來設(shè)計控制系統(tǒng)。也稱控制系統(tǒng)的綜合。67二、控制實際在機(jī)械制造中的運(yùn)用

1、研討機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題分析問題：系統(tǒng)已定，輸入知，求系統(tǒng)的輸出最優(yōu)控制：系統(tǒng)知，確定輸入，使系統(tǒng)盡能夠符合給定的最正確要求最優(yōu)設(shè)計：輸入知，確定系統(tǒng)，使輸出盡能夠符合給定的最正確要求濾波與預(yù)測：輸出知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入輸出中的有關(guān)信息系統(tǒng)辯識：輸入輸出均知，求出系統(tǒng)的結(jié)論和參數(shù)-數(shù)學(xué)模型8三、自動控制系統(tǒng)的根本概念1、名詞解釋對象：是一個設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一同，其作用是完成一個特定的動作。如加熱爐，調(diào)速器等。過程：一種自然的逐漸進(jìn)展的運(yùn)轉(zhuǎn)或開展，其特征是，有一系列逐漸的變化以相對固定的方式相繼發(fā)生在運(yùn)轉(zhuǎn)或開展形狀中，并且最后導(dǎo)致一個特定的結(jié)果或形狀。簡單地稱任何被控制的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀為過程。如化學(xué)過程，經(jīng)濟(jì)學(xué)過程和生物學(xué)過程。系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，它們組合在一同完成一定的義務(wù)。系統(tǒng)不限于物理系統(tǒng)。如包含了物理學(xué)，生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等景象的系統(tǒng)。9

擾動：是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信號。假設(shè)擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。反響控制：反響控制是這樣一種控制過程，它可以在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏向，而且其任務(wù)原理也正是基于這一偏向根底之上的。反響控制系統(tǒng)：反響控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進(jìn)展比較，并力圖堅持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與參考輸入量的偏向進(jìn)展控制。102、自動控制系統(tǒng)任務(wù)原理

(反響控制是自動控制的最根本方式〕113、開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1〕開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)控制造用沒有影響。例如洗衣機(jī)，浸濕、洗滌、漂洗和甩干，在洗衣機(jī)中是依次完成的。采用時基信號的交通訊號燈，那么是另一個例子。2〕閉環(huán)控制：凡是系統(tǒng)輸出信號對控制造用有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)系統(tǒng)。例如：熱力系統(tǒng)的人工〔或自動〕反響控制，一切的隨動系統(tǒng)，大多數(shù)的程序控制系統(tǒng)，室內(nèi)冷藏設(shè)備，自動熱水器。12

控制器被控對象控制量被控量給定值r(t)u(t)y(t)k

udn~ug例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

開環(huán)系統(tǒng)13優(yōu)點：構(gòu)造簡單、維護(hù)容易、本錢低、不存在穩(wěn)定性問題。缺陷：對元器件要求較高、抗干擾才干差。適用范圍：輸入量知、控制精度要求不高、擾動作用不大。14

反映了控制量與被控制量相互間的矛盾，動靜性能得到提高。閉環(huán)系統(tǒng)：負(fù)反響：構(gòu)成按偏向調(diào)理的閉環(huán)系統(tǒng)控制器被控對象控制量被控量給定值r(t)u(t)y(t)丈量元件偏向e(t)＋－15這是一個手動控制的電加熱爐的表示圖。從圖中可以看出，控制的過程主要有三個部分：一是丈量爐溫，用眼察看溫度計，將讀數(shù)送到大腦；二是在大腦中將讀數(shù)與給定溫度〔7000C〕比較，并根據(jù)比較的結(jié)果指揮手臂的動作；三是添加或減小加熱電阻絲兩端的電壓，以使?fàn)t溫盡能夠接近給定值。16任務(wù)過程－－從受控對象〔電加熱爐〕獲取輸出量〔實踐爐溫〕，并回送到輸入端〔即反響〕，與輸入量〔給定爐溫〕進(jìn)展比較產(chǎn)生偏向信號〔溫度差〕，利用偏向信號經(jīng)過控制器〔手臂〕產(chǎn)生控制量〔電阻絲兩端的電壓〕，從而跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差。1718

ugkudn~ub例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)按偏向調(diào)理：n↑→ub↑→(ug-ub)↓→ud↓→n↓控制量：ud=K(ug-ub)偏向信號：ug-ub19

3〕、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)比較 優(yōu)點缺點開環(huán)控制簡單，沒有振蕩抗干擾能力差閉環(huán)控制對外部擾動和內(nèi)部參數(shù)變化不敏感系統(tǒng)復(fù)雜，會有振蕩、不穩(wěn)定問題204、反響控制系統(tǒng)的根本組成21

給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。反響元件：它丈量被調(diào)理量或輸出量，產(chǎn)生主反響信號，該信號與輸出量存在固定的函數(shù)關(guān)系。比較元件：用來比較輸入信號與反響信號之間的偏向。放大元件：對偏向信號進(jìn)展放大。執(zhí)行元件：直接對控制對象進(jìn)展操作的元件。如執(zhí)行電機(jī)?？刂茖ο螅嚎刂葡到y(tǒng)所要支配的元件。如機(jī)床，任務(wù)臺。校正元件：用于穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性能。22開環(huán)控制閉環(huán)控制(反響控制)復(fù)合控制按控制方式分5、自動控制系統(tǒng)的根本類型23按元件類型分機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機(jī)，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)24按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)25線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)延續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)26恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分276、對控制系統(tǒng)的根本要求可以歸結(jié)為：穩(wěn)定性〔長期穩(wěn)定性〕準(zhǔn)確性〔精度〕快速性〔相對穩(wěn)定性〕穩(wěn)準(zhǔn)快281〕穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常任務(wù)的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控制量偏離期望值的初始偏向應(yīng)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法實現(xiàn)預(yù)定的控制義務(wù)。只需閉環(huán)系統(tǒng)才有穩(wěn)定性問題。這是根本要求。2〕快速性：指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸出量之間產(chǎn)生偏向時，消除這種偏向的快速程度。普通稱為動態(tài)性能。如穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目的，但假設(shè)目的變動迅速，而炮身行動緩慢，依然抓不住目的。3〕準(zhǔn)確性：調(diào)整過程終了后輸出量與給定的輸入量之間的偏向，稱為穩(wěn)態(tài)偏向。普通用靜態(tài)性能目的來描畫。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。297、典型輸入信號階