控制工程基础-1.ppt

控制工程基础 谭跃刚等：《控制工程基础》，电子工业出版社 课程内容 1. 绪论：基本概念、控制思想和方法等 2. 系统的数学模型：传递函数、方框图、状态方程等 3. 时域分析：系统的输出响应计算和分析、稳定性及判 别法、可控性和可观性等 4. 根轨迹法：基本概念、根轨迹绘制和分析等 5. 频域分析：频率特性函数、频率特性图绘制、相对 稳定性及分析 6. 系统校正与PID控制：基本概念、校正方法及设计、 PID控制、状态反馈与极点配置设计等 7. 离散控制系统：概念、数学模型、性能分析与校正 1.绪 论 1. 绪论 1.1 控制的基本概念 控制——对系统或对象施加作用或限制，使其达到或保持规定的或要求的运动状态。 “施加作用或限制”的本质就是对系统的调节，其依据是给定任务目标和系统变化。因此，控制就是为了实现任务目标给系统或对象的调节作用。人不直接参与这种调节作用，而是利用控制器自动实施调节时，就是自动控制。 1. 绪论 水箱液位控制 控制的基本要素： （1）控制对象或系统。需了解对象的性质 （2）控制方法。确定适当的调节作用 （3）反馈。检验和补偿作用 1. 绪论 控制理论：基于这三个要素的控制系统的分析与综合原理和方法 被控对象 控制器 反馈器 - 给定输入 输出(被控制量) 偏差 控制量 1. 绪论 1.2 控制系统的分类 ●开环控制：系统的输出与输入之间不存在反馈的控制 ●闭环控制：系统的输出与输入之间存在反馈的控制 特点: (1) 结构简单 (2) 一般情况下工作稳定 (3) 没有纠偏能力 特点: (1) 有纠偏能力 (2) 抗干扰 (3) 存在稳定性问题 （1）按控制方式分类：开环控制和闭环控制 1. 绪论 （2）其他分类 ●按分析设计方法分：线性控制和非线性控制 输入输出呈线性关系的是线性控制系统，否则是非线性控制系统 ●按给定输入信号分：常值控制和随动控制 给定输入是常量的为常值控制；给定输入是变量的为随动控制 ●按控制信号种类分：连续控制和离散控制 系统中所有信号都是时间连续函数的为连续控制；系统中存在离散信号的为离散控制 1. 绪论 （1）稳定性：稳定性是指系统保持平衡状态的性能，这 是控制系统正常工作的必要条件 （2）响应特性：这是指系统在输入作用下的输出特性， 包括动态响应特性和静态响应特性 （3）鲁棒性：这是指控制系统对各种变化的适应能力 （4）可控性和可观性：反映控制系统内部状态与外部状 态的关系，是反馈控制的充要条件 （5）可靠性：这是控制系统在正常工作条件下不出现故 障的概率要求 1.3 控制的基本要求 1. 绪论 控制理论分为经典控制理论和现代控制理论，我们学习的主要是经典控制理论。其基本思想和方法是： 1.4 控制系统的分析设计方法 1. 绪论 控制理论的主要特点： 经典控制理论 现代控制理论 研究对象 单输入/单输出系统(SISO) 多输入/多数出系统(MIMO) 描述方式 传递函数（频率特性函数） 状态方程（动态方程） 数学工具 积分变换(拉普拉斯变换) 线性代数、矩阵论 分析方法 频域法、根轨迹法 时域法（状态空间法） 设计方法 图形法、试凑法 (PID控制和校正装置) 解析法 (状态反馈和输出反馈) 共同点 基于对象模型的分析设计 (1) 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统 中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数 判据。 (2) 1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔 的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出 了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本 上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。 (3) 1932年尼奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频 率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用 控制系统提供了所需的分析工具。 1. 绪论 1.5 控制系统的发展历程 (4) 1942年H.Harris引入了传递函数概念，1948年伊万斯 （W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。 (5) 1948年美国数学家维纳（N.Weiner）出版了《控制论— 关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，为控制理论这 门学科奠定了基础。 (6) 我国