控制工程基础(主编_彭珍瑞_董海棠)课件(精)
第一章 绪论 1第一章 绪论 内容提要 一、基本概念 1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。 2.输入信号：人为给定的，又称给定量。 3.输出信号：就是被控制量。它表征对象或过程的状态和性能。 4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。 5.偏差信号：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。 6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。 7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。 二、控制的基本方式 1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。 2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。 三、反馈控制系统的基本组成 1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值（或称给定值）。 2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。 3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。 5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。 6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。 四、控制系统的分类 第一章 绪论 2（一）按给定信号的特征分类 1. 恒值控制系统 2. 随动控制系统 3. 程序控制系统 （二）按系统的数学描述分类 1. 线性系统 2. 非线性系统 （三）按系统传递信号的性质分类 1. 连续系统 2. 离散系统 （四）按系统的输入与输出信号的数量分类 1. 单输入单输出系统 2. 多输入多输出系统 （五）按微分方程的性质分类 1. 集中参数系统 2. 分布参数系统 五、对控制系统的性能要求 1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。稳定是控制系统正常工作的先决条件。 2. 快速性：指稳定系统响应的动态过程的时间长短。 3. 准确性：指控制系统进入稳态后，跟踪给定信号或纠正扰动信号影响的准确度。 第一章 绪论
31-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 答：优点：开环控制系统无反馈回路，结构简单，成本较低。 缺点：控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补偿。 1-2 说明负反馈的工作原理及其在自动控制系统中的应用。 答：测量元件检测被控物理量，并将其反馈回来，通过给比较元件与给定信号进行比较，产生偏差信号。再通过放大元件将偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象，从而调节和控制系统，使被控量以一定的精度符合或等于期望值。 1-3 控制系统有哪些基本组成元件？这些元件的功能是什么？ 答：反馈控制系统是由各种结构不同的元件组成的。一个系统必然包含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元件却可以具有相同的职能，因此，将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几种： 给定元件：用于给出输入信号的环节以确定被控对象的目标值（或称给定值）。 测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。 比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，参数可灵活调整，以改善系统的性能。 1-4 对自动控制系统基本的性能要求是什么？最首要的要求是什么？ 答：基本性能要求：稳、快、准。最首要的要求是稳。 1-5 日常生活中有许多闭环和开环控制系统，试举几个具体例子，并说明它们的工作原理。 答：开环控制系统：例如传统的洗衣机，它按洗衣、清水、去水、干衣的顺序进行工作，无须对输出信号即衣服的清洁程度进行测量；又如简易数控机床的进给控制，输入指令，通过控制装置和驱动装置推动工作台运动到指定位置，而位置信号不再反馈。这些都是典型的开环系统。 闭环控制系统：以数控机床工作台的驱动系统为例。一种简单的控制方案是根据控制 装置发出的一定频率和数量的指令脉冲驱动步进电机，以控制工作台或刀架的移动量，而对 第一章 绪论 4工作台或刀架的实际移动量不作检测。这种控制方式简单，但问题是从驱动电路到工作台这整个“传递链”中的任一环的误差均会影响工作台的移动精度或定位精度。为了提高控制精度，采用反馈控制，以检测装置随时测定工作台的实际位置（即其输出信息）；然后反馈送回输人端，与控制指令比较，再根据工作台实际位置与目的位置之间的误差，决定控制动作，达到消除误差的目的，检测装置即为反馈环节。 1-6 试说明如题图1-6(a)所示液面自动控制系统的工作原理。若将系统的结构改为如题图1-6(b)所示，将对系统工作有何影响？
答：（a）图所示系统，当出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门开启，水流进水槽，浮子上升。 （b）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门会随着水的流出而逐渐关闭，直至水槽中的水全部流出。 1-7 某仓库大门自动控制系统的原理如题图1-7所示，试说明自动控制大门开启和关闭的工作原理，并画出系统方框图。
(a) (b) 题图1-6 液面自动控制系统 第一章 绪论
5 答：系统的方块图如题图1-7(a)所示。 如果希望开门，则将门当前状态对应的电压取出，与开门状态参考电位比较（相减），然后送放大器，驱动伺服电机，带动绞盘使门打开，直到门的状态所对应的电压与开门状态参考电位相等时，放大器比较（相减）的结果为零，执行元件不工作，门保持打开状态不再变化。 如果希望关门，则将门当前状态对应的电压取出，与关门状态参考电位比较（相减），然后送放大器，驱动伺服电机，带动绞盘使门关闭，直到门的状态所对应的电压与关门状态参考电位相等时，放大器比较（相减）的结果为零，执行元件不工作，门保持关闭状态不再变化。 1-8 题图1-8表示角速度控制系统原理图。离心调速的轴由内燃发动机通过减速齿轮获得角速度为ω的转动，旋转的飞锤产生的离心力被弹簧力抵消，所要求的速度ω由弹簧预紧力
调准。当ω突然变化时，试说明控制系统的作用情况。
题图1-7 仓库大门自动开闭控制系统开门/关门状态参考电位 放大器 门
绞盘
门实际状态
电位器式电阻传感器 伺服电机
题图1-7(a) 系统的方框图 第一章 绪论
6 答：工作原理：当发动机带动负载转动时，通过齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滚动时通过连杆调节燃料供给阀门的开度。当发电机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使发电机转速下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过连杆增大燃料供给阀门的开度，从而使发电机的转速回升。同理，如果由于负载减小使发电机转速增大，则飞锤因离心力增加而使套筒向上滑动，并通过连杆减小燃料供给阀门的开度，迫使发电机的转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使发电机的转速保持在期望值附近。 1-9 角位置随动系统原理图如题图1-9所示，系统的任务是控制工作机械角位置c
θ
，随时跟
踪手柄转角r
θ。试分析其工作原理，并画出系统方框图。
题图1-8 角速度控制系统
题图1-9 角位置随动系统 电位计工作机械 第一章 绪论
7答：（1）工作原理：闭环控制。 只要工作机械转角cθ与手柄转角r
θ一致，两环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态，
无电压输出。此时表示跟踪无偏差，电动机不动，系统静止。 如果手柄转角rθ变化了，则电桥输出偏差电压，经放大器驱动电动机转动。通过减速器拖动工作机械向rθ要求的方向偏转。当cr
θθ=
时，系统达到新的平衡状态，电动机停转，
从而实现角位置跟踪目的。 （2）系统的被控对象是工作机械，被控量是工作机械的角位移。给定量是手柄的角位移。控制装置的各部分功能元件分别是：手柄完成给定，电桥完成检测与比较，电动机和减速器完成执行功能。 系统方框图如题图1-9（2）所示。
1-10 题图1-10是电炉温度控制系统原理示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程，指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统方块图。
（1）工作原理：闭环控制。 只要热电偶测量电炉温度输出的电压与给定电压一致，则无偏差电压产生，电压放大器和功率放大器无电压输出，电动机不动，电阻丝发热不变，系统静止。
手柄 rθ电桥su放大器au电动机mθ减速器工作机械 cθ题图1-9（a）位置随动系统方框图
题图1-10 电炉温度控制系统原理图 －＋-＋
220V～
SM
电炉 热电偶 电阻丝
＋－ ＋－
给定电压电压放大功率放大
控制工程基础总复习课件
05 控制系统性能评 估与优化
控制系统性能评估方法
阶跃响应法
脉冲响应法
通过分析系统的阶跃响应曲线，评估系统 的稳定性和性能。阶跃响应曲线可以反映 系统的动态特性和稳态误差。
通过分析系统的脉冲响应曲线，评估系统 的动态特性和稳态误差。脉冲响应曲线可 以反映系统对单位脉冲输入的响应过程。
根据系统性能指标和控制器要求，对校正装置的参数进行设计，以 达到最优的控制效果。
校正装置稳定性分析
对校正装置进行稳定性分析，确保校正装置在各种工况下都能保持 稳定。
04 控制系统稳定性 分析
李雅普诺夫稳定性理论
定义
如果一个动态系统在初始条 件扰动下，其状态变量或输 出变量在无限时间范围内趋 于零或保持有限值，则称该
02 根据系统性能指标和被控对象特性，对控制器的参数
进行整定，以达到最优的控制效果。
控制器稳定性分析
03
对控制器进行稳定性分析，确保控制器在各种工况下
都能保持稳定。
校正装置设计
确定校正装置类型
根据系统性能指标和控制器要求，选择合适的校正装置类型，如 反馈控制器、超前校正器、滞后校正器等。
设计校正装置参数
系统是稳定的。
类型
根据初始条件扰动的大小， 李雅普诺夫将稳定性分为小
扰动稳定和大扰动稳定。
方法
李雅普诺夫第一方法和第二 方法，分别通过构造李雅普 诺夫函数来证明系统的稳定 性。
线性系统的稳定性分析
定义
线性控制系统是指系统的动态方程可表示为线性微分 方程或差分方程的形式。
类型
根据线性控制系统的特点，系统的稳定性可以分为平 凡稳定、指数稳定和非平凡稳定。
控制工程基础要点ppt
在机器人控制中，控制工程利用先进的控制算法和传感器技术，实现对机器人运动的精确控制。这包括对机器人的运动轨 迹、姿态、速度等参数的实时监测和控制，以确保机器人在执行任务时表词
描述
公式解释
高精尖、复杂系统、国家战略
航空航天控制是控制工程中最为高精 尖的领域之一，涉及到复杂的系统设 计和控制问题。在航空航天领域，控 制工程的应用涵盖了飞机、火箭、卫 星等多个方面。
控制工程在工业控制中的应用十分重 要，它利用各种数学模型和方法，对 工业生产过程中的各种参数进行监测 、控制和优化，以实现提高生产效率 、降低能源消耗和保证产品质量的目 标。
机器人控制中的应用
总结词
前沿、高科技、未来趋势
描述
随着机器人技术的不断发展，控制工程在机器人控制中的应用也日益广泛。机器人控制需要精确地控制机器人的运动轨迹 、姿态、速度等参数，这需要借助先进的控制算法和传感器技术。
电机控制系统
总结词
电机控制系统是一种常见的控制工程实例 ，用于控制电机的旋转速度和方向。
详细描述
电机控制系统包括一个或多个传感器，用 于监测电机的旋转速度和方向，以及一个 或多个执行器，用于控制电机的电源供应 。当需要改变电机的旋转速度时，传感器 会触发执行器改变电源供应的频率；当需 要改变电机的旋转方向时，传感器会触发 执行器改变电源供应的相序。
在航空航天控制中，控制工程利用先 进的数学模型和方法，对飞行器的飞 行轨迹、姿态、速度等参数进行精确 控制。这需要考虑到空气动力学、动 力学等多个方面的因素，以确保飞行 器在各种复杂的环境条件下安全、准 确地执行任务。
06
控制工程的发展趋势和未来展望
控制工程的发展趋势
自动化技术不断发展
控制工程基础讲义
i 1 d
L 1 e
比例环节 一阶微分环节 二阶微分环节 积分环节 惯性环节 振荡环节 延迟环节
K
s 1 2 s 2 2 s 1
1/ s 1 1 s 1 T 2 s 2 2Ts 1 e s
b0 s m b1 s m 1 bm 1 s bm G ( s) (n m)(有理多项式) n n 1 a 0 s a1 s a n 1 s a n
二、传递函数说明 1.传递函数只适于线性定常系统； 2.表示系统在复数域中的动态数学模型； 3.只适于单输入单输出系统； 4.不能反映系统在非零初始条件下的运动状态； 5.可相乘归并。
§1.1 控制系统的微分方程
一、一般步骤
1.分析系统原理和信号，确定输入、输出量 2.按信号传递过程和物理定律，列出微分方程组 3.消除中间变量 4.写成标准形式
二、解析建模实例 1.机械平移系统
d2 f i (t ) f B (t ) f K (t ) m 2 x0 (t ) dt
dx0 (t ) f B (t ) B dt
§2.2 拉氏变换和反变换
线性微分方程微积分运算 拉氏变换 代数运算
一、拉氏变换定义
象函数 F (s) [ f (t )]def s复变函数
0
f (t )e dt
st
原函数 t实变函数
二、典型函数的拉氏变换 指数函数 正弦函数 余弦函数
e
at
1 sa
sin t cost
s2 2 s s2 2
• 三、闭环控制系统的组成
• 控制对象、给定元件、反馈元件、比较元件、 • 放大元件、校正元件（控制器）、执行元件
控制工程基础清华大学版(课堂PPT)
[12] John Van De Vegte， Feedback Control System (3rd ed)， Prentice-Hall， Inc.， Englewood：Cliffs,New Jersey， 1994 「13」Ernest O. Doebelin， Control System Principles and Design，Prentice-Hall， Inc.， Englewood：Cliffs,New Jersey， 1985
2020/4/11
7
公元235年
，中国马钧研 制出用齿轮传 动的自动指示 方向的指南车( 司南车）
另有发明击 鼓记里
2020/4/11
8
公元1637 年，中国明 代宋应星所 著《天工开 物》记载有 程序控制思 想的提花织 机结构图。
2020/4/11
9
公元1788年，英国人J.Watt用离心
式调速器控制蒸汽机的速度，由此产 生了第一次工业革命。
2020/4/11
27
2020/4/11
28
2020/4/11
29
2020/4/11
30
2020/4/11
31
1.4 课程主要内容及学时安排
控制工程基础课程主要阐述的是有 关反馈自动控制技术的基础理论。
本课程是一门非常重要的技术基础 课，是机械学院平台课程。它是适应机电 一体化的技术需要，针对机械对象的控制 ，结合经典控制理论形成的一门课程。本 课程主要涉及经典控制理论的主要内容及 应用, 更加突出了机电控制的特点。