控制工程1

唐中燕
• 例如电机转速开环控制
10V
U1
Uo
if= 常数
扰 动 速度给定 放大 u1 u0
电机 速度 n

• 特点：输出是否随输入变化系统不予以理会，由于外 界干扰或内部变化，使输出偏离输入时，系统无法纠正。 优点：结构简单、设计容易。 缺点：精度低，易受环境变化的干扰。
课件制作 唐中燕
P6 图 1-7 电 机 转速 控 制 系统
控制工程基础
多媒体辅助课件
课件制作
唐中燕
课堂授课时间分配: (32学时) 第1章 绪论 第2章 系统数学模型与传函 第3章 瞬态响应与误差分析 习题课 第4章 频率特性分析 第5章 系统的稳定性 习题课 总复习 ——2 ——6 ——6 ——2 ——6 ——6 ——2 ——2
课件制作
唐中燕
第一章 绪 论
课件制作 唐中燕
有关名词术语： ①输入信号（输入量、控制量、给定量）：控制输出 量变化规律的信号，人为的激励或输入信号。 ②输出信号（输出量、被控量、被调节量）：表征被 控对象运动规律或状态的物理量，它的变化规律通过 控制应与输入信号之间保持确定的关系。 ③反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输入端 的信号。 ④偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。 ⑤误差信号：输出量实际值与希望值之差，希望值一 般是输入量。 ⑥扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号，它也 是一种输入，但对输出会产生不利影响，分内扰与外 扰。
课件制作 唐中燕

给定信 号
自动控制系统可用方框图描述（表示）
u1 +u2 热 电偶
干扰
u 电 压 功 率
放大器
ua
控 制 电机
n
减速 器

调压器
u
恒温 箱 （控 制 对 象）
to温 度 （被 调 量 ）
恒温箱自动控制系统方框图 职 P5 图 1-6 恒温 箱温 度 自 动 控 制 系统 能 方 块 图
课件制作 唐中燕
在机械工程中，有许多机械动力学系统，如书５页。 从它们的系统构成方框图看，有与自动控制系统相同、 相似的地方与概念，所以同样可以用控制理论分析、 研究此类系统。
课件制作
唐中燕
课件制作 唐中燕
• 例如电机转速闭环控制
+ 给定电 位计 ur 电 动机
if=常数
e uo

速度给定
测速 机 +
e 放大 r 原 理图 P6 图 1-8 闭 环调 速u系统f 反馈 u 测速
偏差
uo
扰 动 输出 电机 n
• 特点：输出是否随输入变化及时反映到系统，由于外 界干扰或内部变化，使输出偏离输入时，系统可以纠正。 优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等。 缺点：易引起振荡、不稳定；结构复杂，设计较难。
课件制作 唐中燕
§1-2 自动控制系统的概念
自动控制 定义：在没有人直接参与的情况下，利用控 制装置（控制器）使被控对象的某一或某些物 理量（被控量）自动地按照预定的规律运行。
控制器 控制 ① 被控对象 ② 运行 被控量 按要求变化 ③
例如：电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定、 水箱自动地控制液面的高度恒定等。
课件制作 唐中燕
• 典型反馈控制系统方框图
给定 元件 输 入 xi 比较 元件 串 联校 正 + 元 件 偏 差 e 主 反 馈 信 号 xb 扰动 + 放 大变 换 元 件
反馈校正 并 联校 正 元 件 元件
执行 元件
控制 对 象
输出 xo
局 部反馈 主 反馈
反 馈元 件
P7 图 1-9 典 型 的 反 馈 系统中各种功能不同的元件： 控 制 系 统 方 块 图 ①给定元件、②反馈元件、③比较元件、④放大元件、 ⑤执行元件、⑥校正元件、⑦被控对象。 有关名词术语： ①输入信号、②输出信号、③反馈信号、④偏差信号、 ⑤误差信号、⑥扰动信号。 课件制作 唐中燕
课件制作
唐中燕
§1-3 控制理论在机械制造中的应用
自动调节系统：1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器 就是一个自动调节系统，是控制理论应用的典型代表。 伺服系统：伺服系统就是将指令信号精确、快速地转换 为相应的物理实现。例如，飞机和船舶的舵角操纵由于所 需的力很大，不可能由人力直接操纵，需由伺服系统来完 成，伺服系统的作用就是使舵面的转角精确地跟随驾驶员 的操纵动作。各种数控机床进给系统、机器人各关节运动 都是伺服系统控制的。它们还能依靠多轴伺服系统的配合， 完成复杂的空间曲线运动的控制。
2、闭环控制 • 控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联 系的控制过程（输入、输出之间有反馈回路），其输出 量对系统的控制作用产生影响。 • 其基本结构为
输入
偏差 控制器 反 馈 扰 动 被控对象 反馈
输出
输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程 称为反馈。 反馈信号与输入信号相减而使偏差值越来越小， 则称为负反馈；反之，为正反馈。
课件制作 唐中燕
在实际中由于受控对象的具体情况不同，各种系 统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对 快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出较严格的 要求。 同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好， 可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过 于迟缓，精度也可能变坏。 分析和解决这些矛盾，是本课程讨论的重要内容。
u2
调压器 加 热 电阻 丝 ~220V
u
热 电 偶 加 热 电阻丝
调压器
P4人工控制的恒温箱 恒温 箱 图 1-4 人 工控 制 的
自动控制的恒温箱 课件制作
~220V
唐中燕
自动控制系统 定义：能够对被控制对象工作状态进行自动控制的整 体。包括被控对象和控制装置。 被控制对象是指要求实现自动控制的机器、设备或 生产过程。 控制装置则是指对被控对象起控制作用的设备总体。 控制系统可以是只控制一个物理量的小系统，也 可以是包括一个企业、机构全部过程的大系统，可以 是一个具体的工程系统，也可以是抽象的社会系统、 生态系统或经济系统等。
§1-1 §1-2 机械控制工程的主要内容 自动控制系统的概念
§1-3
控制理论在机械制造中的应用
课件制作
唐中燕
§1-1 机械控制工程的主要内容
机械控制工程是研究工程控制论应用于机 械工程的一门技术科学。 机械控制工程研究的对象是机械工程技术 中广义系统的动力学问题。 即本课程的主要内容概括为： 运用工程控制论的基本原理、方法分析研究机 电自动控制系统。
课件制作 唐中燕

按照输入信号特点分为：
1、恒值控制系统：输入量为一恒值。 如：温度、压力、液位等参数的控制，调速、机床的位置控制等。 任务是排除各种内外干扰因素的影响，维持输出量不变。 2、程序控制系统：输入量不为恒值，但其变化规律预先可知 （按预定程序变化）。 如：数控机床工作台的移动控制。 3、随动控制系统：输入量 变化规律预先不能确定。 如：雷达自动跟踪系统、火炮自动瞄准系统、机床随动系统等。 任务是排除各种内外干扰因素的影响，使输出迅速、准确跟踪 输入。具有机械量输出的随动系统，又称为伺服系统。
课件制作 唐中燕
自动控制系统分类

按系统结构分为：
1、开环控制 • 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向 联系的控制过程（输入、输出之间无反馈回路）， 其输出量不对系统的控制作用发生影响。 例如：自动洗衣机、交通信号灯 …… • 其基本结构为:
输入 控制器 扰 动 被控对象 输出
课件制作
•系统工作原理：检测被控量（输出量），将输出量与给 定量（输入量）比较得到偏差，用偏差产生控制指令（调 节作用），并通过执行机构去控制被控对象，进而消除或 减少偏差，使输出量随输入量变化。 •偏差是通过反馈（将输出回送到输入）建立起来的，该 原理称为反馈控制原理，反馈控制是实现自动控制的最基 本方法。
若用一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。 自动调节过程：同前，但无人参与。

给定信 号 给定信号 比较
比较
u1 + +
电压 放大器
功 率 放大器
执行电机 减速器 执行 电机
u2 热 电 偶 加 热 电阻丝
u
调压器
~220V
自动控制的恒温箱
u u 时 u 0 调压器不动 u 0 调压器右移 u u u u 0 调压器左移 u u u 课件制作
课件制作
唐中燕
控制理论即控制科学技术，源于机械自动调节与控 制技术。它抓住了二战期间通信系统与控制系统的共 同特点，形成了控制理论的中心思想：通过信息的传 递、加工处理和反馈来进行控制。 48年N.维纳发表《控制论》标志经典控制理论正式 诞生。 54年钱学森将控制理论推广到工程技术领域，首创 了工程控制论。工程控制论主要研究自动控制系统中 信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用。 之后出现了生物控制论、社会控制论和经济控制论 等。
1 2
2
1
2
2
1
2
唐中燕
二者的比较： 人工控制 人眼、温度计 人脑 人手、调压器

自动控制 测量装置（热电偶） 控制器（电路仪表） 执行机构（电机、减速器、调压器）
二者的共同特点：检测偏差用以纠正偏差。
给定信 号 给定信号 比较
比较
u1 + +
电压 放大器
功 率 放大器
执行电机 减速器 执行 电机

例如：恒值控制系统。
Xo(t)
Xi(t)
课件制作
t 唐中燕
• 过渡过程长，则快速性差，响应迟钝，跟踪、 调节速度慢，反之则说明能复现快速变化的输 入信号。若这一过程过长则系统就不能满足使 用要求。 • 过渡过程中振荡小（振幅与频率小），则过 程平稳。 • 当调节过程趋于结束时（稳定时），输出量 与输入量之差（称为稳态误差）反映了控制精 度。