控制工程基础第一章概论.ppt

* 控制工程基础 Introduction to Control Engineering 陈原 山东大学威海分校 机电与信息工程学院 第一章 概论 第二章 控制系统的动态数学模型 第三章 时域瞬态响应分析 第四章 控制系统的频率特性 第五章 控制系统的稳定性分析 第六章 控制系统的误差分析和计算 第七章 控制系统的综合与校正 第八章 根轨迹法 第九章 控制系统的非线性问题 第十章 计算机控制系统 课程主要内容 第1章 概论 1.1 自动控制系统的基本概念 1.2 控制理论在工程中的应用和发展 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用 1.4 课程主要内容及学时安排 1.1 自动控制系统的基本概念 自动控制定义:在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称为控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(通称被控对象)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.如:数控机床、室内温度控制、飞机自动驾驶等. 自动控制系统的工作原理 人工控制的恒温箱 人工控制恒温箱调节过程: (1)观测恒温箱内的温度(被控制量) (2)与要求的温度(给定值)进行比较,得到温度偏差的大小和方向 (3)根据偏差大小和方向调节调压器,控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值. 人工控制过程的实质:检测偏差再纠正偏差. 人工控制恒温箱系统功能框图 恒温箱自动控制系统 恒温箱自动控制系统工作原理: (1)恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 (2)恒温箱期望温度由电压u1给定,并与实际温度u2比较得到温度偏差信号Δu＝u1? u2 (3)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Δu＝0,电机停止转动. 恒温箱自动控制系统功能框图 从恒温箱控制系统功能框图可见: (1)给定量位于系统的输入端,称为系统输入量.也称为参考输入量(信号) (2)被控制量位于系统的输出端,称为系统输出量. (3)输出量(全部或一部分)通过测量装置返回系统的输入端,使之与输入量进行比较,产生偏差(给定信号与返回的输出信号之差)信号.输出量的返回过程称为反馈.返回的全部或部分输出信号称为反馈信号. 综上所述,控制系统的工作原理: (1)检测输出量(被控制量)的实际值 (2)将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较得出偏差; (3)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. 由于存在输出量反馈,上述系统能在存在无法预计扰动的情况下,自动减少系统的输出量与参考输入量(或者任意变化的希望的状态)之间的偏差,故称之为反馈控制. 显然:反馈控制建立在偏差基础上,其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”. 这种基于反馈原理,能对输出量与参考输入量进行比较,并力图保持两者之间既定关系的系统.称为反馈控制系统.反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能.注意:反馈控制系统中,反馈信号是与给定信号相减,使偏差越来越小,称为负反馈.负反馈控制是实现自动控制最基本的方法. 1.2.2 开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类:开环控制系统,闭环控制系统,半闭环控制系统. 开环控制系统:系统仅受输入量和扰动量控制;输出端和输入端之间不存在反馈回路;输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响. 优点:结构简单、价格便宜、容易维修 缺点:精度通常较低、容易受环境变化的干扰(无自动纠偏能力). 开环控制系统框图 闭环控制系统:输出端和输入端之间存在反馈回路,输出量对控制过程有直接影响. 闭环的作用:应用反馈,减少偏差. 优点:精度高,动态性能好、抗干扰能力强 缺点:结构比较复杂,价格比较贵,维修麻烦. 闭环控制系统框图 半闭环伺服系统结构原理图 半闭环控制系统:反馈信号通过系统内部的中间信号获得. 闭环伺服系统结构原理图 1.2.3 反馈控制系统的基本组成 给定元件:产生给定信号或输入信号. 反馈元件:测量被控制量(输出量),产生反馈信号.为便于传输,反馈信号通常为电信号. 比较元件:对给定信号和反馈信号进行比较,产生偏差信号. 放大元件:对偏差信号进行放大,使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能. 执行元件:直接对受控对象进行操纵的元件.如电动机、液压马达. 校正元件:用以改善系统控制质量的装置. 1.2.4 自动控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 (1)恒值控制系统:系统输入量为恒定值.控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值.如:恒温箱控制、电网电压、频率控制等. (2)程序控制系统:输入量的变化规律预先确知,输入装置根据输入的变化规律,发出控制指令,使被控对象按照指令程序的要求而运动.如数控加工系