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控制工程基础课件第六章说课材料

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控制工程基础ppt

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第一章 概论
50年代末60年代初：现代控制理论形 成；现代控制理论以状态空间法为基础， 主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、 时变、非线性等系统的最优控制、最优 滤波、系统辨识、自适应控制、智能控 制等问题；控制理论研究的重点开始由 频域移到从本质上说是时域的状态空间 方法。
第一章 概论
闭环控制系统框图
第一章 概论 闭环控制系统的组成
第一章 概论
二、控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 ➢ 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。 ➢随动系统（伺服系统） 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，并能排除各种干扰因素的影响，准 确地复现输入信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。
“工程控制论是关于工程技术领域各个 系统自动控制和自动调节的理论。维纳博 士40年代提示了控制论的基本思想后，不 少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座 理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师 偏重于实践，解决具体问题，不善于上升 到理论高度；数学家则擅长于理论分析， 却不善于从一般到个别去解决实际问题。 钱学森则集中两者优势于一身，高超地将 两只轮子装到一辆车上，碾出了工程控制 论研究的一条新途径。”
第一章 概论
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。 注意： ➢ 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性 和快速性要求各有侧重。 ➢ 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。
第一章 概论
1.2 控制工程的发展 公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比 伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期 的控制思想。

工程控制第六章资料

工程控制第六章资料

arctan
如果
ts
3
n
tsc
6
tan
2 1 4 4 2 2
6.1 系统的性能指标
arctan
γ 80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0.2
2 1 4 4 2 2
0.4
0.6
0.8
ξ ，γ ； ξ ，γ
在ξ≤0.7的范围内，γ与ξ之间的关系近 似于线性关系，即
0.01
通常取30°＜γ＜60°，对应的ξ约为 0.3～0.6。
根据校正装置在系统中的安装位置，及其和系统不可变部分的连接方式的不同， 通常可分成三种基本的校正方式：
1.串联校正
Xi (s)
Gc (s) Go (s) X o (s)
H (s)
2.反馈校正
Xi (s)
G1(s)
H (s)
Go (s) X o (s) Gc (s)
3. 顺馈校正
Xi (s)
Gc (s)
6.2 系统的校正
例：如图所示开环系统的频率特性曲线，其P=0，由于Nyquist曲线包围(-1,j0)点， 故闭环系统不稳定。
为使系统稳定进行校正
方法一：减小系统的开环放大倍数K
问题：尽管使系统稳定，但减小K会使系统的稳态误差 1
增大，不希望，甚至不允许
Im
Re
方法二：在原系统中增加新的环节 结果：使系统开环频率特性在某个频率范围发生变化，不影响系统准确性的同时提 高了系统的稳定性。
分类
2）相位超前校正 3）相位滞后校正
4）相位滞后-超前校正
6.3 串联校正
一、相位超前校正

控制工程基础课件PPT学习教案

控制工程基础课件PPT学习教案

解 根据电路理论中的基尔霍夫定律，可以写出
图2-2 两级RC滤波网络
第7页/共135页
控制工程基础 高职高专 ppt 课件
解 根据电路理论中的基尔霍夫定律，可以写出
第8页/共135页
控制工程基础 高职高专 ppt 课件
解 根据基尔霍夫定律，可以写出下列方程组
第9页/共135页
例3〕
2 3所示，当外力作用于系统
第62页/共135页
第63页/共135页
3)按信号流向依此连接，就得到图2-22c所示的系统结构图。
第64页/共135页
2)根据上述四式，作出它们对应的框图，如图2-23a所示。
图2-22 图2-1所示系统的结构图
第65页/共135页
2.3.3 系统结构图的等效变换 1.串联等效变换 2.并联等效变换 当系统中有两个或两个以上环节并联时，其等 效传递函数为各环节传递函数的代数和。 3.反馈联结等效变换 图2-26a所示为反馈联结的一般形式，其等 效变换的结构如图2-26b所示。 4.引出点和比较点的移动 引出点和比较点的等效移动见表2-1所 示。
图说
第39页/共135页
解 输入ω或dθ/dt，输出是u，在零初始条件下对上式进行拉氏变 换，得
图2-12 积分环节
第40页/共135页
4.惯性环节 式中 T——
解 由电压关系知
惯性环节框图如图2 13
第41页/共135页
图2-13 惯性环节框图 图2-14 比例微分环节框图
第42页/共135页
2.2.3 典型环节的传递函数
1.比例环节 2.积分环节 3.理想微分环节 4.惯性环节 5.比例微分环节 6.振荡环节 7.延迟环节 延迟环节又称纯滞后环节，其输出量与输入量变化 形式相同，但要延迟一段时间。 8.运算放大器 图2-18为运算放大器的线路图。

控制工程基础PPT课件

控制工程基础PPT课件
控制工程基础
教师：都东（清华大学机械系） 教材： 董景新《控制工程基础》 参考：胡寿松《自动控制原理》
绪芳胜彦《现代控制工程》
任课教师介绍
1962年出生。1980年进入清华大学本科学习，1985年以 本专业第一名的成绩取得学士学位，1991年取得博士学 位，并获清华大学优秀博士论文奖。
现受聘担任清华大学机械工程系教授和博士生导师，材 料加工工程与自动化研究所副所长，材料加工过程控制 学科方向责任教授，清华汽车工程开发研究院技术委员 会成员。还是中国机械工程学会高级会员，中国焊接学 会机器人及自动化专业委员会学术主任，美国IEEE会员 和SPIE会员等。
自动控制理论概述
自适应控制 • 当系统特性或元件参数变化或扰动作用很剧烈 时，能自动测量这些变化并自动改变系统结构 和参数，使系统适应环境的变化并始终保持最 优的性能指标。 • 自适应功能：自动辨识、自动判断、自动修正。 • 系统：输入信号的自适应、参数与特性的自适 应、最优自适应、自整定、自学习、自组织、 自修理……
快速性：在系统稳定的前提下，输出量与给定输入量之间 产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。
准确性：亦称静态精度，是指在调整过程结束后输出量与 给定的输入量之间的偏差，即稳态误差。
自动控制理论概述
最优控制 • 要求控制系统实现对某种性能标准为最好的控制， 这种性能标准称为性能指标（目标函数）。如时 间最优控制(快速最优控制)。 • 最优控制的一般理论包括极大(小)值原理和动态 规划法。
课程学习要求
按时上课，认真听讲 亲笔手书，完成作业 参与实验，撰写报告 闭卷考试，成绩叠加
自动控制理论概述
自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控 对象的某一物理量自动地按照预定的规律运行。

控制工程基础课件_王益群_孔祥东_第三版第六章

控制工程基础课件_王益群_孔祥东_第三版第六章
L( ) / dB
2.伯德图 由于 1 ，所以校正网络输出
信号的相位迟后于输入信号。
最大滞后角 m 位于1 / ( )与 1 / 的几何中心 m 1/ 处。 该网络实际是一低通滤波器， 它对低频信号基本没有衰减作
1
0 10 20

m
1

20lg
1


c
0
m

0.1 较为有利。
第六章 控制系统的综合与校正
§6.2 串联校正装置的形式及其特性
相位超前校正装置
3.超前校正装置的作用
主要是通过校正装置产生的超前相角，补偿原有系统过大的相 角滞后，即补偿系统开环频率特性在幅值穿越频率处的相角滞后， 以增加系统的相角稳定裕度，从而提高系统的稳定性，改善系统 的动态品质。
设计步骤大致如下：
(1) 根据给定的系统稳态性能指标，确定系统的开环增益 K； (2) 绘制确定K值下的系统伯德图，并计算相角裕度 0 ；
第六章 控制系统的综合与校正
§6.3 用频率特性法确定串联校正装置
串联相位超前校正装置的确定
(3) 根据给定的希望相角裕度，计算所需增加的相角超前 量 0 0 ，上式中， 5 ~ 20 ，这是考虑到加入 相位超前校正装置会使c 右移，从而造成 Go ( j ) 的相角 滞后增加，为补偿这一因素的影响而留出的裕量；
4.超前校正装置的网络实现 C1
R2
R3
C
R4
U i (s)
R1
R2
U o (s)
U i (s)
R1
R0
无源超前校正网络

U o (s)
有源超前校正网络
第六章 控制系统的综合与校正

机械工程控制基础课件-第六章

机械工程控制基础课件-第六章

3、广义误差平方积分性能指标
给取定：的加权I 系0数e2
t
e2
'
t
dt
所以最优系统就是使此性能指标取极小的系统
此指标的特点是既不允许大的动态误差 e长t期存在，又不 '
允许大的误差变化率 e长t期 存在。
所以按此准则设计的系统，不仅过渡过程结束得快，且过
渡过程的变化也较平稳。
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另一方面，几个性能指标的要求也经常互相矛盾。例 如，减小系统的稳态误差往往会降低系统的相对稳定性， 甚至导致系统不稳定。在这种情况下，就要考虑哪个性能 时主要的，首先加以满足；有时，在另一些情况下就要采 取折中的方案，并加上必要的校正，使两方面的性能都能 得到部分满足。
t
c
0
t
d
阶跃响应及误差、误差平方、误差平方积分曲线
误差平方积分性能指标的 特点：
重视大的误差，忽略 小的误差。因为误差大时 ，其平方更大，对的影响 大，所以根据这种指标设 计的系统，能使大的误差 迅速减小，但系统易产生 振荡。
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xi
s
s
s
k
.1 s
s
1
k
s
I et dt lim E s 1
0
s0
k
k ，I 从减少I的角度看，k值越大越好。 金品质•高追求 我们让你更放心！
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当系统的过渡过程有超调时，由于误差有正有负， 积分后不能反映整个过程误差的大小，所以若不能预先 知道系统的过渡过程有无超调，就不能应用上式计算I值 ，以评价所有时间里面误差总和的大小。

【控制工程基础-清华课件】第六章误差分析

【控制工程基础-清华课件】第六章误差分析

控制工程基础(第六章)精仪系 李冬梅第六章 控制系统的误差分析6.1 稳态误差的基本概念 6.2 输入引起的稳态误差 6.3 干扰引起的稳态误差 6.4 减小系统误差的途径 6.5 动态误差系数－2－6.1 误差和偏差的概念Xi (s) +ε (s) G1 (s)−Y (s)μ (s) Xoi (s) +N (s)+ +G2 (s)H (s)E(s)−Xo (s)Xi (s)－系统输入 Xo (s)－实际的系统输出 Xoi (s)－希望的系统输出N (s) －干扰 E(s) = X oi (s) − X o (s) －误差 ε (s) = Xi (s) − Y (s) －偏差－3－6.1 误差和偏差的概念误差 e(t) ：E(s) = X oi (s) − X o (s) 系统希望的输出量和实际的输出量之差。

误差信号的稳态分量称为稳态误差 (或静态误差)，记作 ess 。

ess=lim e(t)t→∞偏差 ε (t) ：ε (s) = Xi (s) − Y (s)输入信号与反馈信号之差。

系统的误差和偏差一般情况下并不相同。

－4－误差和偏差的关系Xo Xi(s) (s)=1+G1 (s)G2 (s) G1 (s)G2 (s) H(s)当 G1 (s)G2 (s) H (s)  1,Xo (s) Xi (s)≈1H (s)=μ (s)E(s) = Xi (s)μ(s)− Xo (s)=Xi (s) H (s)−Xo(s)E(s)=ε (s) H (s)ε (s) = Xi (s)− Xo (s)H (s)(假设反馈通道不存在干扰)－5－误差和偏差的关系E(s)=ε (s) H (s)对于实际的系统，H(s) 往往是一个常数。

求出了稳态偏差，也就得到了稳态误差。

对于单位反馈系统，偏差与误差相同，直接求 稳态偏差即可。

注意：上述结论成立的条件是反馈通道不存在 干扰。

－6－6.2 输入引起的稳态误差偏差传递函数：εX(s) i (s)=1+G1(s)H(s)Xi (s) + ε (s)−G (s) Xo (s) H (s)稳态偏差：ε ss=lim εt→∞(t)=lim sεs→0(s)=lim s ⋅ s→0 1+1G(s)H(s)Xi(s)由E(s)=ε (s) H (s)稳态误差：ess=ε ssH (0)稳态误差取决于系统结构参数和输入信号的性质。

控制工程基础(第六章)

控制工程基础(第六章)
控制工程基础(第六章)
contents
目录
• 引言 • 控制工程基础概述 • 控制系统分析和设计 • 控制系统的稳定性分析 • 控制系统的鲁棒性分析 • 控制系统的仿真与实现
01 引言
主题概述
01
控制工程基础是自动化和控制系统领域的重要基础课程，主要 涉及控制系统的基本概念、原理、分析和设计方法。
鲁棒性条件
满足一定条件的系统才能具有较好的 鲁棒性，如系统的稳定性和性能指标 等。
控制系统鲁棒性的改善方法
设计方法
通过优化控制器参数或设计新的控制器来提 高系统的鲁棒性。
反馈策略
采用负反馈、前馈等方法来减小外部输入和 内部干扰对系统的影响。
状态估计
利用状态估计技术对系统状态进行估计，以 减小状态变化对系统的影响。
测试实验设计
设计测试实验，包括不同工况下的系统性能测试。
3
性能评估方法
采用合适的性能评估方法，如根轨迹法、频率响 应法等，对控制系统性能进行分析和评估。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
线性系统设计
自适应控制设计
通过线性变换和线性化方法，将非线 性系统转化为线性系统进行设计。
根据系统参数和状态的变化，自适应 地调整控制器参数，以适应系统变化。
鲁棒控制设计
考虑系统的不确定性和干扰，设计鲁 棒控制器，提高系统的稳定性和性能。
控制系统优化设计
最优控制设计
通过优化方法，寻找最优的控制策略，使得系统 性能达到最优。
02
本章将介绍控制工程的基本概念、发展历程、应用领域以及与
其他学科的关系。
通过学习本章，学生将建立起对控制工程的基本认识，为后续
03

控制工程基础ch6

控制工程基础ch6

1
Gc s
Xos Xi s

R2 Cs
R1

R2

1 Cs

R2Cs1
R1 R2Cs1
1
1
令R 2 ： CT ，R 1R 2R 2 1
0
T
T
20

则
： Gcs
Ts1
Ts1
0

90
滞后校正的作用
Xi s×
-
Ts 1 Ts 1
--根据系统在典型输入下输出响应的某些特点统一规定的
1瞬 态 指t标 r t p
2 稳态指标ess
ts M p
频域性能指标
c开环截止频率

相位裕量
Kg幅值裕量

K K
p v
K a
6.1 控制系统校正的概念
所谓校正（或称补偿）就是给系统附加一些具有 某种典型环节特性的电网络，运算部件或测量装置 等，靠这些装置的配置来有效地改善整个系统的控 制性能。
G s
K1s
K
Gs

T2s2 2Ts1
1
T2s2
KK1s
2Ts1

T2s2
K
2T
KK1
s
1

T2s2

K
2'Ts1
振荡环节 →振荡环节(ς↑)
二、利用反馈校正取代局部结构
× G1s
-
H1s
1
H 1s
常改造不希望有的某 些环节，或消除非线 性、变参量的影响。
控制系统的综合与校正
第6章 控制系统的综合与校正
性能分析
一个系统，元部件参数已定，分析它能达到什么 指标，能否满足所要求的各项性能指标；

《控制工程基础》课件

《控制工程基础》课件

控制器
控制器是控制系统的核心，用 于接收输入信号，并根据控制 算法产生输出信号，以控制执
行器的动作。
控制器的种类繁多，常见的 有比例控制器、积分控制器
、微分控制器等。
控制器的设计需根据被控对象 的特性和控制要求进行选择和
调整。Leabharlann 执行器01执行器是控制系统的输出环节，用于将控制器的输出信号转换 为实际的控制动作。
《控制工程基础》ppt 课件
CONTENTS 目录
• 控制工程基础概述 • 控制系统的基本组成 • 控制系统的基本性能 • 控制系统的分析与设计 • 控制系统的实现与应用 • 控制工程的前沿技术与发展趋势
CHAPTER 01
控制工程基础概述
定义与特点
定义
控制工程基础是一门研究控制系统的学科，主要涉及控制系 统的基本原理、设计方法、分析技术以及实际应用。
现代控制理论
20世纪60年代末至70年代，现代控制理论开始兴起，它不仅研究 线性系统，还扩展到非线性系统、最优控制、自适应控制等领域。
智能控制
20世纪80年代以来，随着人工智能技术的发展，智能控制在控制工程 领域的应用越来越广泛，涉及模糊控制、神经网络控制等多个方面。
CHAPTER 02
控制系统的基本组成
时间常数以及优化控制算法来减小动态响应时间。
CHAPTER 04
控制系统的分析与设计
数学模型的建立
总结词
描述数学模型在控制系统分析与设计中的重要性。
详细描述
数学模型是描述系统输入与输出之间关系的数学表达式，是控制系统分析与设计的基石。通过建立数学模型，可 以深入了解系统的动态行为，为后续的分析和设计提供依据。
传感器的种类繁多，常见的有热电阻 、热电偶、压力传感器、流量传感器 等。
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第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
校正方式
根据校正装置在系统中的位置，可分为三种。
➢ 反馈校正 从系统中某一环节引出反馈信号，通过校正装 置 构成局部反馈回路，则称这种形式的校正为(局 部)反馈校正，又称并联校正。采用此种校正方 式时，信号是从高功率点流向低功率点，所以一 R(s般) 采用无源网络。原有部分Go(s) C(s)
校正装置Gc(s)
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
校正方式
根据校正装置在系统中的位置，可分为三种。
➢ 复合校正 包括按给定量顺馈补偿的复合校正(图a)和按扰 动量前馈补偿的复合校正(图b)。这种复合校正 控制既能改善系统的稳态性能，又能改善系统
的动态性能。
校正装置Gc2(s)
R( s)
校正装置
Gc1(s)
校正装置Gc2(s)
Gf(s)
C(s) 原有部分 Go(s)
R(s)
校正装置 Gc1(s)
原有部分Go(s)
C(s)
(图a)
(图b)
第六章 控制系统的综合与校正
6.2 串联校正装置的形式及特性
串联校正指校正环节Gc(s)串联在原传递函 数方框图的前向通道中，如下图所示。为了减少
零、极点分布，从而改变系统的频率特性，使系统频率
特性的低、中、高频段满足希望的性能或使系统的根轨迹穿越希望的闭
环主导极点，即使得系统满足希望的动、静态性能指标要求。
第六章 控制系统的综合与校正
§6-1 概 述
控制系统的性能指标
静态指标 用系统的稳态误差或开环放大倍数 K 来描述。
动态指标
t 一种是时域指标，通常用调节时间 s 和超调量 M p (或 p % )来描述； 另一种是频域指标，一般用开环系统的相角裕度 和幅值穿越频率
功率消耗，串联校正环节一般都放在前向通道的
前端，即低功率部分。
Xi(s) + -
Gc(s) G(s) Xo(s)
串联校正
Xi(s) + -
Gc(s) G(s) Xo(s)
串联校正
串联校正按校正环节Gc(s)的性质可分为：
(1)增益调整； (2)相位超前校正； (3)相位滞后校正； (4)相位滞后——超前校正。
在这几种串联校正中，增益调整的实现比较简 单。例如，在液压随动系统，提高供油压力，即可
实现增益调整。但是，仅仅调整增益，难以同时
满足静态和动态性能指标，其校正作用有限，如
加大开环增益虽可使系统的稳态误差变小，但却使 系统的相对稳定性随之下降。因此，当增益调整不 能满足系统的性能要求时，需要采用其他的校正方 法。
一、相位超前校正
系统的开环增益K↑可以提高系统的响应速度。这是
因为，开环增益的提高会使系统的开环频率特性Gk(j) 的穿越频率c(或称剪切频率)变大，其结果是加大了系 统的带宽b ，而带宽大的系统，响应速度就高。然而，
仅仅增加增益又会使相角裕度(或幅值裕度)减小，从而 使系统的稳定性下降。所以要预先在剪切频率的附近和
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
频率特性法设计校正装置主要通过伯德图进 行，分为分析法和期望频率特性法。
2.期望频率特性法
先由给定的性能指标确定出期望的对数幅频特性，再由 期望的对数幅频特性减去原系统固有的对数幅频特性，从而 得出需增加的校正装置的对数幅频特性，然后校验校正后系 统的性能，若满足要求，则可确定校正装置的结构和参数， 否则取一裕度更大的期望对数幅频特性，重复上述过程，直 到满足设计要求为止。
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
校正方式
根据校正装置在系统中的位置，可分为三种。
➢ 串联校正 校正装置串联在前向通道中，这种联接方式简
单易现。为避免功率损失，串联校正装置通常 放
在前向通道中能量较低的部位，多采用有源校 正
R(s)
网络校构正装成置。 G c(s)
C (s ) 原有部分 G o(s )
§6.1 概 述
本章从控制的观点讨论系统的综合 与校正问题。主要考虑的是，当给定的 被控对象不能满足所要求的性能指标时， 如何对原已选定的系统增加必要的元件 或环节，使系统具有满意的性能指标， 即满足稳定、准确、快速性的要求，这
就是系统的综合与校正。
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
概念：
(剪
c
切频率)
截止频率
K
、幅值裕度
b
和谐振频率
g
来表示，或用闭环系统的谐振峰值 r 来描述。
M
r
、
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
校正方法
根轨迹法
一般适用于给定性能指标为p%，tp，ts 等时域指
标的情况。
频率特性法 一般适用于给定性能指标为 ,Kg,c,(Mr,b)等频
域指标的情况。
工程上习惯用频率特性法进行校正。
第六章 控制系统的综合与校正
§6.1 概 述
频率特性法设计校正装置主要通过伯德图进 行，分为分析法和期望频率特性法。
1.分析法
根据设计要求和原有系统特性，依靠分析和经验，首先 选择一种校正装置加入到系统中，然后计算校正后系统的品 质指标，如能满足要求，则可确定校正装置的结构和参数， 否则，重选校正装置进行计算，直到满足设计指标满足瞬态和稳态性能时，就必须在系统中 引
入附加校正装置，用来改善系统瞬态和稳态性能。这些为改善系统性
能 而有目的地引入的装置称为校正装置。校正装置是控制器的一部 分。控制系统的校正，就是按给定的系统原有部分和性能指标设计
校正装置。
实质：
校正实质就是通过引入校正装置的零、极点，来改变整个系统的
比它还要高的频率范围内使相位提前一些，这样相位裕
度增大了，再增加增益就不会损害稳定性。基于这种考
虑，为了既能提高系统的响应速度，又能保证系统的其
他特性不变坏，就需对系统进行相位超前校正。
§6.2 串联校正装置的形式及其特性
相位超前校正装置
控制工程基础课件第六章
第六章 控制系统的综合与校正
系统稳定是系统能正常工作的必要条件。但是， 只有稳定性还不能确保系统正常工作，例如，对于 数字控制仿形铣床的进给系统，超调量过大是不允 许的，因为它既影响工件表面粗糙度，又影响刀具 寿命。因此，系统既要稳定，又要能满足所要求的 性能指标，则可考虑对原已选定的系统增加些必要 的元件或环节，使系统能够全面地满足所要求的性 能指标，这就是系统的综合与校正。