1、控制工程基礎(chǔ) 第一章第1頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四自動控制原理在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)第2頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四自動控制原理在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用航空航天軍事技術(shù)第3頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四自動控制原理在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用工業(yè)控制第4頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四自動控制原理在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用交通運(yùn)輸日常生活第5頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四第一章 緒論 控制工程 應(yīng)用控制論(Cybernetics)的原理和方法，研究工程技術(shù)領(lǐng)域 中有關(guān)問題的一門技

2、術(shù)科學(xué)。1765年，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)；1788年，瓦特采用離心式飛錘調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速，這引發(fā)了 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的討論；1868年，麥克斯威爾發(fā)表了對離心調(diào)速器進(jìn)行理論分析的論文，從 理論上分析了飛錘調(diào)速器的動態(tài)特性；其后，羅斯、奈魁斯特、伯德等人建立了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論， 經(jīng)典控制理論逐漸形成；第6頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四 1948年，維納發(fā)表了“控制論關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和 通訊的科學(xué)”，提出了控制論的三個要素：信息反饋控制維納把控制論推廣到機(jī)器系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。 控制論的研究對象是系統(tǒng)，研究系統(tǒng)如何才能實現(xiàn)穩(wěn)定的、有目的的運(yùn)動。 控制論

3、深刻地揭示了： 系統(tǒng)存在著信息的轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋，并且可以利用反饋進(jìn)行控制的客觀規(guī)律。第7頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四發(fā)動機(jī)高壓供油路噴油泵離心式飛錘調(diào)速器第8頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四自動控制理論的發(fā)展過程第9頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四1-1 控制系統(tǒng)的 基本工作原理一 反饋控制原理例：恒溫爐自動控制系統(tǒng)ubui 熱電偶加熱電阻絲給定信號電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機(jī)減速器調(diào)壓器u220V比較恒溫爐自動控制系統(tǒng)T第10頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四 在恒溫爐自動控制系統(tǒng)中：恒溫爐

4、被控對象；實際爐溫被控量，是表示恒溫爐狀態(tài)的信息，稱為系統(tǒng)的輸出 信號，簡稱輸出；期望爐溫是控制信息，稱為系統(tǒng)的輸入信號，簡稱輸入； 實際爐溫由熱電偶測出，并轉(zhuǎn)化為電壓 ub， ub 返回到給定電位器（輸入端），再輸入到系統(tǒng)中去。第11頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四恒溫爐自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方塊圖信息由輸出端返回到輸入端的傳遞方式，稱為信息的反饋。反饋到輸入端的信息，稱為反饋信號，簡稱反饋。 與輸入信號相比較（即相減）的反饋信號，稱為負(fù)反饋。反饋信號與輸入信號相比較的結(jié)果，稱為偏差信號，簡稱偏差。偏差 輸入 反饋第12頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星

5、期四二 名詞術(shù)語控制 根據(jù)某種原理或方法，使被控對象的被控量，按預(yù)期規(guī)律 變化的操縱過程；系統(tǒng) 由相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體；控制系統(tǒng) 為了實現(xiàn)某種控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)，使受控對象的狀 態(tài)按照預(yù)期規(guī)律變化的系統(tǒng)；輸入 系統(tǒng)接受到的、對其狀態(tài)（或被控量）有影響（或有控 制作用）的信息； 輸入是期望輸出的函數(shù)。輸出 系統(tǒng)表現(xiàn)出來的、受輸入影響（或控制的）的狀態(tài)； 輸出也是信息，常稱為響應(yīng)。 對控制系統(tǒng)而言，輸出就是被控量。第13頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四擾動 對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信息；內(nèi)擾 系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化引起的擾動；外擾 由系統(tǒng)外部環(huán)境、負(fù)載或

6、能源變化產(chǎn)生的擾動； 反饋 輸出的全部或一部分，直接或經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，返回傳遞 到輸入端，再向系統(tǒng)輸入的信息；反饋是輸出的函數(shù)，并與輸入的量綱相同。負(fù)反饋 與輸入保持相比較（或相減）關(guān)系的反饋，稱為 負(fù)反饋，反之稱為正反饋；主反饋 由系統(tǒng)的輸出端返回到系統(tǒng)的輸入端的反饋，稱 為主反饋，否則稱為局部反饋；第14頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四固有反饋（內(nèi)在反饋） 由于系統(tǒng)本身固有的、內(nèi)在相互作用而形成的反饋；第15頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四1-2. 自動控制系統(tǒng)的基本類型一 按反饋的情況分類1 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 具有為控制目的而特意設(shè)置的

7、主反饋（負(fù)反饋）的 控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。 第16頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四給定元件接受指令并將其轉(zhuǎn)換為輸入的元件；指令是表示期望輸出的信息。反饋元件檢測輸出并將其轉(zhuǎn)化為反饋的元件；比較元件將輸入與反饋進(jìn)行比較，并得出偏差的元件； 從廣義上講，比較元件是對信息進(jìn)行合成的元件。放大及運(yùn)算元件 將比較元件傳遞來的偏差，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大的元件；執(zhí)行元件 接受放大及運(yùn)算元件傳遞來的信息，直接操縱被控對象的 元件；被控對象 控制系統(tǒng)中需要被控制的某種設(shè)備或過程，其輸出就是被 控量；第17頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四 除了上述組成元件外，閉環(huán)控

8、制系統(tǒng)中往往還有校正元件，其作用是改善控制系統(tǒng)的性能。 通常，把放大及運(yùn)算元件和執(zhí)行元件合稱為控制元件。第18頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四 也可以把被控對象以外的所有元件總稱為控制器。第19頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四前向通路 從輸入端到輸出端的通路；反饋通路 從系統(tǒng)（或系統(tǒng)的某些組成元件）的輸出端返回到它的輸入端 的通路；回路 閉合的通路；主回路局部回路閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 閉環(huán)控制系統(tǒng)有自行糾偏的能力，因此，可以采用精度不太高、價格較低的元件構(gòu)成精確的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成較復(fù)雜，當(dāng)參數(shù)調(diào)配不當(dāng)時，存在信息

9、傳遞的主回路就會引起輸出持續(xù)振蕩、甚至發(fā)散的不穩(wěn)定現(xiàn)象。第20頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四2 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 不具有為控制目的而特意設(shè)置的主反饋（負(fù)反饋）的 控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 開環(huán)控制系統(tǒng)的組成簡單，而且不存在復(fù)雜的穩(wěn)定性問題。開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋回路，也就沒有自行糾偏的能力，因此必須使用精度較高、價格較高的元件。第21頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用： 開環(huán)控制系統(tǒng)常用于，預(yù)知期望輸出且擾動很小，或擾動雖大，但預(yù)知其變化規(guī)律，從而能夠加以補(bǔ)償?shù)膱龊稀?第22頁，共28頁，20

10、22年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四二 按期望輸出的類型分類1 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 若期望輸出是常量，系統(tǒng)在有干擾的情況下，能使實際輸出相當(dāng)精確地保持等于期望輸出，則稱該系統(tǒng)為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（或恒值控制系統(tǒng)）。 自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)該是閉環(huán)控制系統(tǒng)。2 隨動系統(tǒng) 若期望輸出經(jīng)常發(fā)生變化，且不能預(yù)知其變化規(guī)律，系統(tǒng)能使實際輸出以一定的精度，及時跟隨期望輸出，則該系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)的輸出一般是機(jī)械量：位移、速度、加速度，此時又稱其為伺服系統(tǒng)，如：雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)艦船操縱系統(tǒng)第23頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四3 程序控制系統(tǒng) 若期望輸出經(jīng)常發(fā)生變化，但能預(yù)知其變化規(guī)律，系統(tǒng)能使實際輸出準(zhǔn)確、可靠地復(fù)現(xiàn)期望輸出，則稱其為程序控制系統(tǒng)。 典型的程序控制系統(tǒng) ： 數(shù)控機(jī)床第24頁，共28頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)39分，星期四控制系統(tǒng)的基本要求是穩(wěn)、準(zhǔn)、快。穩(wěn)定性：系統(tǒng)受到擾動偏離平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動消失后，系統(tǒng)恢復(fù)到平 衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的首要條件。準(zhǔn)確性： 輸出量與給定量之間的偏差；動態(tài)精度偏差 偏差隨時間變化的程度；靜態(tài)精度偏差 調(diào)整過程結(jié)束后的偏差。快速性： 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，系統(tǒng)消除偏差的快慢程度。1-3 控制系統(tǒng)的基本要求第25頁，共28頁，2022年，5月20日，