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1、第一章 控制系统的基本概念 主讲:杨仁明自动化的发展历史2023/3/7公元132年张衡研制的候风地动仪2023/3/71788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 2023/3/7月球车2023/3/7经典控制理论现代控制理论智能控制理论传递函数单输入-单输出定常系统的分析与设计问题。二战以前。状态空间多输入-多输出、时变、非线性控制系统。具有高精度和高效能的特点。学习控制、模糊控制、神经元网络控制、专家控制等方法,fangsheng主要内容1-1 自动控制的任务1-自动控制的基本方式1-对控制系统的性能要求1-4 系统的分类1-5 典型外作用1-1 自动控制的任务水位自动控制系
2、统水位自动控制系统控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H控制任务：水箱内水位；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；控制装置,受控对象自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由 控制装置控制装置和和被控对象被控对象组成。组成。自动控制的定义：所谓自动控制，是指在没有人的直接参自动控制的定义：所谓自动控制，是指在没有人的直接参与的情况下，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
3、（统称被控制对象）的某器），使机器、设备或生产过程（统称被控制对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。运行。1-自动控制的基本方式比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干扰干扰测量测量开环控制：是控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而 无反向联系。其特点是输出量不对控制起作用。-按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制2023/3/7按给定值操纵的开环控制流程图执行执行受控对象受控对象给定值给定值被控量被控量一个例子2023/3/7被控制对象：炉子被控制对象：炉子被控制量（输出量）：被控制量（输出量）：
4、炉温炉温控制装置：控制装置：调压器和电热丝，对被控调压器和电热丝，对被控制量起控制作用。制量起控制作用。2023/3/7电压变大2023/3/7电压变大2023/3/7电压变大2023/3/7优点：控制系统结构简单，成本低。优点：控制系统结构简单，成本低。缺点：没有修正能力，抗干扰能力差，控制精度不缺点：没有修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。高。2023/3/72023/3/7按干扰补偿的开环控制q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。(手机干扰手机干扰)测量测量干干扰扰执行执行受控对象受控对象被
5、控量被控量2023/3/7按干扰补偿的开环控制特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。2023/3/7闭环控制闭环控制闭环控制（反馈控制）：按偏差调节（主要反馈闭环控制（反馈控制）：按偏差调节（主要反馈形式）；形式）；比较比较E执行执行被控对象被控对象被控量被控量测量测量输入量输入量2023/3/7如上图所示，反馈回来的信号与给定值相
6、如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。反之称为正反馈。2023/3/7q特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。q优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。2023/3/7n这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。复合控制复合控制：即按偏差和扰动相结合的控制。特点：结合两种控制方式的优点。控制装置被控对象 CR补偿装置按输入作用补
7、偿n控制装置被控对象 CR补偿装置按扰动作用补偿2023/3/7开环控制系统与闭环控制系统的主要区别开环控制系统与闭环控制系统的主要区别1、信号传输通道的差别信号传输通道的差别：开环控制系统：只有正向传输通道，开环控制系统：只有正向传输通道，闭环控制系统：有正向通道和反馈通道。闭环控制系统：有正向通道和反馈通道。2、系统结构的差别：系统结构的差别：开环控制系统：有给定环节开环控制系统：有给定环节 闭环控制系统：有给定环节、比较环节、检闭环控制系统：有给定环节、比较环节、检 测环节。测环节。3、控制方式的差别控制方式的差别:开环控制系统：有偏差开环控制系统：有偏差,靠人工控制靠人工控制 闭环控制
8、系统：对被控对象进行自动控制。闭环控制系统：对被控对象进行自动控制。闭环控制系统的组成和基本环节2023/3/7二、闭环控制系统的组成和基本环节二、闭环控制系统的组成和基本环节（1）被控对象）被控对象：指要进行控制的设备或过程。指要进行控制的设备或过程。（2）检测装置：）检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与用来检测被控量，并将其转换成与 给定量同一物理量。给定量同一物理量。（3）给定环节：）给定环节：是设定被控量给定值的装置。是设定被控量给定值的装置。2023/3/72023/3/7（4）比较环节）比较环节：将检测的被控量和给定值进行比较，确定两者之间的偏将检测的被控量和给定值进行比较，确
9、定两者之间的偏差。差。（5）控制装置）控制装置：根据得到的误差信号，发出相应的控制信号根据得到的误差信号，发出相应的控制信号（6）执）执 行行 器：器：直接作用于被控对象，使被控量达到所要求的数值。直接作用于被控对象，使被控量达到所要求的数值。2023/3/71-对控制系统的性能要求工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：指动态过程的平稳性。快：指动态过程的快速性。准：指动态过程的最终精度（常用稳态误差衡量）。2023/3/7四、自动控制系统的性能指标四、自动控制系统的性能指标2023/3/72023/3/72023/3/72023/3/71-4 系统的分类1 线性连续控制系统2023
10、/3/7式中r(t)系统输入量；c(t)系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。时变，时不变2023/3/71-4 系统的分类2.线性定常离散控制系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。线性差分方程的一般形式为：式中：mn，n为差分方程的次数；a0、a1 an；b0、b1、bm是常系数；r(k)、c(k)为输入和输出采样序列。2023/3/71-4 系统的分类2023/3/71-4 系统的分类3.非线性控制系统：系统中只要存在一个非线性特性的元件。注注：非线性系统不满足叠加原理。：非线性系统不满足叠加原理。2023/3/71-5 典型外作用1.阶跃信号（Step Func
11、tion）幅值幅值R=1R=1的阶跃函数，称为单位阶跃函数，的阶跃函数，称为单位阶跃函数，用用1(t)1(t)表示。幅值为表示。幅值为R R可表示为可表示为在任意时刻在任意时刻t0t0出现的阶跃函数可表示为出现的阶跃函数可表示为：2023/3/71-5 典型外作用2.斜坡信号（Ramp Function）2023/3/71-5 典型外作用3.脉冲信号（Pulse Function）当宽度t0趋于零时，脉动函数的极限便是脉冲函数。面积A=1的脉冲函数称为单位脉冲函数或函数；强度为A的脉冲函数可表示为f(t)=A(t)。在t0时刻出现的单位脉冲函数表示为(t-t0)2023/3/71-5 典型外作用4.正弦信号（Sine Function）注注:上述几种典型信号的函数关系：上述几种典型信号的函数关系：斜坡函数的导数阶跃函数阶跃函数的导数斜坡函数的导数阶跃函数阶跃函数的导数脉冲函数在线性电路中，只要知道电路对某一脉冲函数在线性电路中，只要知道电路对某一种输入的响应，则可通过求导或积分的方法，求出种输入的响应，则可通过求导或积分的方法，求出其他输入的响应。其他输入的响应。