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1、控制工程基础控制工程基础武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 教材及参考书教材及参考书 教材：教材：11容一鸣容一鸣控制工程基础控制工程基础北京理工大学出版社，北京理工大学出版社，20102010、2 2参考书：参考书：22王积伟，吴振顺王积伟，吴振顺控制工程基础控制工程基础高等教育高等教育出版社，出版社，33杨振中，张和平杨振中，张和平控制工程基础控制工程基础北京大学出版社，北京大学出版社，20072007、8 844杨叔子杨叔子机械工程控制基础机械工程控制基础华中科技大学出版社，华中科技大学出版社，20022002、8 855黄黄忠忠霖霖控控制制系系统统MATLABMATLAB
2、计计算算及及仿仿真真国国防防工工业业出出版版社社，20012001、1111本章主要内容本章主要内容:1.1 1.1 1.1 1.1 绪论绪论绪论绪论1.2 1.2 1.2 1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成1.3 1.3 1.3 1.3 控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类1.4 1.4 1.4 1.4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求控制系统的基本要求控制系统的基本要求1.5 1.5 1.5 1.5 课程基本内容课程基本内容课程基本内容课程基本内容第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的
3、基本概念重点：重点：控制系统的工作原理及基本组成。控制系统的工作原理及基本组成。难点：难点：确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道。确定系统的输入量和输出量，寻找反馈通道。19541954年年，我我国国科科学学家家钱钱学学森森在在美美国国运运用用控控制制论论的的思思想想和和方方法法，首首创创了了工工程程控控制制论论，把把控控制制理理论论推推广广到到工工程领域，奠定了工程控制论这一技术科学的基础。程领域，奠定了工程控制论这一技术科学的基础。控控制制理理论论是是研研究究各各种种控控制制系系统统共共同同存存在在的的控控制制规规律律的的一门一门技术科学技术科学。它是一门方法论学科。它是一门方法论学科。
4、控控制制理理论论是是自自动动控控制制、电电子子技技术术、计计算算机机科科学学等等多多种种学学科科相相互互渗渗透透的的产产物物。19481948年年，N.N.维维纳纳发发表表了了著著名名的的控制论控制论，它基本形成了经典控制理论。，它基本形成了经典控制理论。1.1 绪论绪论 维维纳纳的的控控制制论论是是思思思思想想想想，是是是是哲哲哲哲学学学学，是是是是世世世世界界界界观观观观，是是是是认认认认识识识识论论论论和和和和方方方方法法法法论论论论，而而而而钱钱钱钱学学学学森森森森的的的的工工工工程程程程控控控控制制制制论论论论是是是是这这这这种种种种思想和方法论在工程领域的具体实践思想和方法论在工程
5、领域的具体实践思想和方法论在工程领域的具体实践思想和方法论在工程领域的具体实践。一、系统（System）的定义:系系统统是是由由若若干干相相互互作作用用和和相相互互依依赖赖（联联系系）的的事事物物组合而成的具有特定功能的整体（集合）。组合而成的具有特定功能的整体（集合）。对对于于实实际际应应用用来来说说，系系统统一一般般可可以以定定义义为为任任何何一一组组存在某种因果关系的物理元件。存在某种因果关系的物理元件。LCRu0(t)ui(t)h 原原因因称称为为激激励励或或输输入入,效效果果叫叫做做响响应应或或输输出出。通通常常，输输入入和和输输出出都都是是物物理理变变量量，例例如如，温温度度、压压
6、力力、液液位位、电压、位移、速度等。电压、位移、速度等。LCRu0(t)ui(t)tu0(t)tA表达方式：表达方式：系统系统x1y1xixoA0二、控制及自动控制控制控制的本意:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的操作或方法。人工控制：人工控制：控制的任务由人来完成，称为人工控制。自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成一、恒温箱的人工控制1 动态过程动态过程动态过程动态过程 1.观测恒温
7、箱内的温观测恒温箱内的温度（被控制量）度（被控制量）22.与要求的温度（给定与要求的温度（给定值）进行比较得到温度值）进行比较得到温度偏差的大小和方向。偏差的大小和方向。33.根据偏差大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。度回复到要求值。实质 检测偏差再纠正偏差。检测偏差再纠正偏差。恒温箱恒温箱希望希望温度温度温度计温度计调压器调压器手手眼睛眼睛大脑大脑人参与控制：人参与控制：（1 1）眼睛观测温度；）眼睛观测温度；（2 2）大脑比较；）大脑比较；（3 3）手操作调压器。）手操作调压器。如果将该系统改用自动控
8、制，需如何改变？如果将该系统改用自动控制，需如何改变？实际实际温度温度二、恒温箱的自动控制热电偶给定信号u1u2u电压功率放大器ua电动机n减速器v调压器u恒温箱(控制对象)温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图（3 3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差 u=0,u=0,电
9、电机停止转动。机停止转动。（1 1）恒温箱实际温）恒温箱实际温度由热电偶转换为度由热电偶转换为对应的电压对应的电压u u2 2。（2 2）恒温箱期望温度）恒温箱期望温度由电压由电压u u1 1给定，并与给定，并与实际温度实际温度u u2 2比较得到比较得到温度偏差信号：温度偏差信号：h例：水箱液位控制控制任务：液面维持在一定高度。控制任务：液面维持在一定高度。水箱是被控对象，水箱液位是被控制量，浮球顶杆（杠杆）的长度（表征液位的期望值）是给定量。实际实际水位水位希望希望水位水位杠杆机构杠杆机构水箱水箱进水阀进水阀浮球浮球hh（1）杠杆平衡时，控制进水阀阀门位于某位置而具有一定开度，使水箱中输入
10、水量与流出水量相等，从而使液位保持在希望高度 h上。（2）当液位降低时，浮球位置也随之降低，这时通过杠杆机构使水阀阀门开度增大，进入水箱的水流量增大，水箱中液面随之上升，浮球位置又随之上升，使水阀阀门开度减小，进水增加量减小，直至系统处于新的平衡状态。（3）反之，若水箱液位上升，系统会自动减小阀门开度，从而减少流入的水量，使液位降低，直至达到新的平衡位置。三、控制系统的工作原理三、控制系统的工作原理（1 1）检测输出量（被控制量）的实际值；）检测输出量（被控制量）的实际值；（2 2）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到偏）将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得到偏差信号；差信号
11、；（3 3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。持期望的输出。四、反馈的概念四、反馈的概念反馈（反馈（Feedback)：取出输出量送回到输入端，且与输入信：取出输出量送回到输入端，且与输入信号相比较产生偏差的过程。号相比较产生偏差的过程。正反馈：送回到输入端的信号与输入信号正反馈：送回到输入端的信号与输入信号同同号；号；负反馈负反馈（Negative Feedback)：送回到输入端的信号与输入：送回到输入端的信号与输入信号信号异异号；号；比较比较环节环节1.给给定定环环节节:根根据据系系统统输输出出量量的的期期望望
12、值值，产产生生系系统统的的给给定定输输入入信信号号。如如：将将期期望望恒恒定定的的温温度度转转换换为为相相应电压。应电压。五、控制系统的组成五、控制系统的组成输出输出给定给定环节环节被控被控对象对象执行执行环节环节放大放大环节环节反馈反馈环节环节校正校正环节环节校正校正环节环节五、控制系统的组成五、控制系统的组成2.反馈环节反馈环节:量测并转换输出信号。量测并转换输出信号。主主要要是是各各种种传传感感器器。该该环环节节的的功功能能是是，对对系系统统输输出出量量的的实实际际值值进进行行量量测测，将将它它转转换换成成反反馈馈信信号号并并使使反反馈馈信信号号成成为为与与给给定定输输入入信信号号同同类
13、类型型、同同数数量量级级的物理量。的物理量。3.比比较较环环节节（器器）:将将参参考考输输入入信信号号和和反反馈馈信信号号进进行行比比较较，产产生生偏偏差差信信号号。如如：电电压压比比较较电电路路、平平衡衡电桥等。电桥等。4.放放大大环环节节:对对较较弱弱的的偏偏差差信信号号进进行行放放大大并并驱驱动动执执行件动作。如：电压放大器等。行件动作。如：电压放大器等。五、控制系统的组成五、控制系统的组成5.执行环节执行环节:直接对被控对象进行操作的环节。直接对被控对象进行操作的环节。如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等。如：晶闸管整流装置、液压缸、马达、电动机等。6.校校正正环环节节:为为改改
14、善善控控制制性性能能而而加加入入的的元元件件或或装装置置。它不是反馈控制系统所必须的。它不是反馈控制系统所必须的。根据其构建的不同，有串联、并联校正等。根据其构建的不同，有串联、并联校正等。7.被被控控对对象象:控控制制系系统统所所要要控控制制的的设设备备或或生生产产过过程程，它的输出量就是被控制量。它的输出量就是被控制量。控制过程的物理本质控制过程的物理本质 在在机机器器系系统统、生生命命系系统统甚甚至至社社会会与与经经济济系系统统中中，都都存存在在一一个个共共同同的的本本质质的的特特点点，它它们们都都通通过过信信息息的的传递、处理与交换传递、处理与交换(反馈反馈)来进行控制的。来进行控制的
15、。从从物物理理本本质质上上看看，控控制制过过程程是是一一种种信信息息处处理理及及能能量量转转移移的的过过程程。因因此此，提提高高信信息息处处理理能能力力，以以最最短短的的时时间间和和(或或)最最小小的的代代价价(能能量量消消耗耗最最小小)实实现现系系统统按按预预定定的的规规律律进进行行能能量量转转移移，就就是是控控制制系系统统设设计计所要解决的中心问题。所要解决的中心问题。一、按控制策略来分一、按控制策略来分1.开环控制系统开环控制系统 输输出出端端与与输输入入端端不不存存在在反反馈馈回回路路，即即输输出出量量在在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。整个控制过程中对系统的控制不产生任何影
16、响。1.3 控制系统的基本类型控制系统的基本类型工作台控制指令一定输入量一定输出量驱动电路无自动纠偏能力。无自动纠偏能力。系统组成简单，当系统元件特性和参数稳定、外界干扰小时，可保证需要的精度。一、按控制策略来分一、按控制策略来分2.闭环控制系统闭环控制系统 输输出出端端与与输输入入端端存存在在反反馈馈回回路路，即即输输出出量量对对控控制过程产生直接影响。制过程产生直接影响。工作台控制指令3.复合控制系统复合控制系统 同时采用闭环控制和开环控制的控制方式。同时采用闭环控制和开环控制的控制方式。实际为校正方式。实际为校正方式。二、按输入信号的性质（特征）来分二、按输入信号的性质（特征）来分1.恒
17、值控制系统恒值控制系统 输输入入量量预预先先确确知知，为为恒恒定定值值。系系统统的的任任务务是是保保证证在任何扰动信号的作用下，输出量恒定不变。在任何扰动信号的作用下，输出量恒定不变。恒恒温温控控制制系系系系、水水箱箱液液位位控控制制系系统统、UPSUPS稳稳压压控控制系统等属于该类控制系统。制系统等属于该类控制系统。2.伺服控制（随动控制）系统伺服控制（随动控制）系统 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。
18、干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。导弹跟踪系统导弹跟踪系统 液压仿形机床伺服系统等。液压仿形机床伺服系统等。二、按输入信号的性质（特征）来分二、按输入信号的性质（特征）来分3.程序控制系统程序控制系统 输输入入量量的的变变化化规规律律预预先先确确知知，输输入入装装置置根根据据输输入入的的变变化化规规律律，发发出出控控制制指指令令，使使被被控控对对象象按按照照指指令令程程序的要求而运动。序的要求而运动。输入装置动力执行机构被控对象输出测量变换控制器变换放大工作台指令程序图形信息工艺信息伺服电机传动机构三、按系统中传递信号的性质来分三、按系统中传递信号的性质来分1.连续控制系统连续控制
19、系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。号。连续控制系统通常采用微分方程描述。2.离散控制系统离散控制系统 系系统统中中某某一一处处或或多多处处的的信信号号为为脉脉冲冲序序列列或或数数字字量量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。四、按描述系统的数学模型来分四、按描述系统的数学模型来分1.线性控制系统线性控制系统 线性控制系统是指可用线性微分方程描述的系统。线性控制系统是指可用线性微分方程描述的系统。机械、电气、机电、液压、气动、热力等。机械、电气、机电
20、、液压、气动、热力等。五、按构成系统的部件的物理性质来分五、按构成系统的部件的物理性质来分2.非线性控制系统非线性控制系统 非线性控制系统是指非线性控制系统是指不能不能用线性微分方程描述的用线性微分方程描述的系统。系统。此种系统包含着变量中具有非线性关系的元器件。此种系统包含着变量中具有非线性关系的元器件。实际上真实的物理系统大都是非线性系统，但因非线实际上真实的物理系统大都是非线性系统，但因非线性系统的数学描述及求解非常复杂，所以在工程允许性系统的数学描述及求解非常复杂，所以在工程允许的情况下，可将非线性系统化为线性系统。的情况下，可将非线性系统化为线性系统。本课程研究的控制系统：本课程研究
21、的控制系统：线性、连续、闭环线性、连续、闭环一、稳定性一、稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求A倒立摆倒立摆BAC单摆单摆控制精度问题，用稳态误差衡量。控制精度问题，用稳态误差衡量。二、准确性二、准确性稳态误差稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间
22、的差值。时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。ts给定值实际输出fo(t)t误差三、快速性三、快速性 输出量和输入量产生输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。征系统的动态性能。由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、准确、快速这三方面的要求是各有侧重的。准确、快速这三方面的要求是各有侧重的。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。据实际需求合理选择。所谓所谓“鲁棒性鲁棒性”，是指控制系统在一定（结
23、构，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。广泛存在。四、健壮性（四、健壮性（鲁棒性）鲁棒性）控制系统控制系统的概念控制系统的概念对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求设设计计与与综合综合控控制制系系统统的组成的组成工工作作原理原理控控制制系系统统的分类的分类准确性准确性快速性快速性稳定性稳定性频域分析法频域分析法时域分析法时域分析法系统的校正概念系统的校正概念常用校正方式常用校正方式PID校正校正校正装置及实质校正装置及实质1.5 本课程的基本内容本课程的基本内容第第1 1章思考题：章思考题：P13 1.3P13 1.3