控制模型及仿真技术1PPT文档格式.ppt

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（4）经典控制理论的基本内容包括时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何判据以及校正网络的设计等，研究的主要问题是控制系统的稳定性、动态性能和稳态精度，以及改善系统性能的方法。

控制与仿真的基础知识控制与仿真的基础知识2.现代控制理论现代控制理论以线性代数为数学工具，用状态空间法来描述系统的内部性能，用零极点配置、最优控制、状态方程等理论来研究和设计控制系统。

主要处理多输入/多输出（MIMO）系统的稳定性、能控性、能观测性等问题。

控制与仿真的基础知识控制与仿真的基础知识现代控制理论特点：

现代控制理论特点：

（1）本质上是一种时域方法，建立在状态变量的基础上以多变量、线性及非线性系统为研究对象。

（2）以状态空间法对系统进行数学描述，并在此基础上进行各种定性和定量的分析以及期望特性的控制规律设计。

（3）以现代数学方法为主要分析手段。

（4）以计算机为主要计算及分析工具。

（5）能够处理复杂非线性、多输入/多输出、参数时变等复杂控制对象。

控制与仿真的基础知识控制与仿真的基础知识1.1.2自动控制的概念及其应用自动控制的概念及其应用1系统的定义系统的定义在控制工程中，系系统统的定义为：

按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和例如：

一个大型钢铁联合企业可以看作是一个系统，它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼钢、轧钢、制品等工厂有机的组合在一起。

又如：

一个工厂管理系统，它可由生产管理部门、原材料仓库、生产加工车间、销售服务部门等组成，各部门是相互联系和相互作用的。

系系统统边边界界：

为了限制所研究问题涉及的范围,用系统边界把所研究的系统与影响系统的环境区分开来.控制与仿真的基础知识控制与仿真的基础知识图1-1温度控制系统22系统的三要素系统的三要素构成一个系统应具备以下三大要素：

（1）实体：

系统是由一些相互联系的实际物体组合而成的，这些物体称为实体。

如图1-1所示的温度控制系统，它就是由比较器、调节器、加热炉、温度传感器等装置组合而成的。

（2）属性：

组成系统的每个实体都具备一定的特征，也即系统的属性，可以是文字型、数字型或逻辑型。

例如图1-1温度控制系统中的温度、偏差值、干扰量、燃料量等就是实体的属性。

（3）活动：

作为系统三大要素之一的是系统内部状态（指在某一时刻实体及其属性值的集合）发生的变化过程，称之为活动。

在温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入量作为主要的活动。

3.系统的特性

（1）整体性：

系统作为一个整体存在，各组成部分不可分割。

（2）结构性：

各类系统均按照一定的内部特性或外部结构组合而成。

（3）相关性：

系统内部各物体之间以一定的规律进行相互联系和作用。

（4）历时性：

在控制过程中会随着时间的推移，使系统的状态和效果发生变化。

（5）有序性：

各实体在变化过程中按照一定的操作顺序进行动作。

1.1.3自动控制的任务自动控制的任务1.基本概念

（1）控制：

对被控对象进行主动干预、管理和操纵的过程。

（2）自动控制：

采用控制装置有目的地对机器设备或生产过程进行控制并达到预期状态或性能的过程。

（3）自动控制系统：

能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的有机整体。

2自动控制的任务自动控制的任务就是利用控制装置自动地操纵控制对象，使被控量等于系统所应保持的给定值。

如果系统的输入量以时间函数来表示，输出量以时间函数来表示，则自动控制的任务可以表示为：

1.1.4自动控制的基本方式自动控制的基本方式按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制方式分为开环控制和闭环控制两大类，开环控制又有按给定值操纵和按干扰值补偿两种方式。

1.按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制该方式是按照系统的给定值来控制输出量，两者之间一一对应。

控制过程如图1-2所示。

图1-2按给定值操纵的开环控制系统按给定值操纵的开环控制具备以下特点：

信号单向传递。

给定一个输入与之对应一个输出。

控制精度比较低，自身无法纠正内部和外部的干扰影响。

结构简单，成本低，容易实现。

多用于精度要求不高，内外部干扰影响比较小的场合。

例如，自动化流水线、自动售货机、全自动洗衣机等都是采用给定值操纵的开环控制方式。

2.按干扰值补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制该方式中，系统的输入量是外部干扰信号，经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消其对系统产生的影响。

其控制过程如图1-3所示。

图1-3按干扰补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：

外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递。

在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。

该方式通常用于系统内外部干扰信号较大且可以测量的场合。

例如，机械加工恒速控制装置，电源稳压控制装置等都是按干扰值补偿的开环控制方式。

3.按偏差调节的闭环控制（反馈控制）按偏差调节的闭环控制（反馈控制）4.系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的系统叫做闭环控制系统。

反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端以增强或减弱输入信号的效应。

起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负反馈。

正反馈会使系统的偏差越来越大；

只有负反馈控制才能完成自动控制的任务。

闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的实际输出值，反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，再按照偏差的大小自动地加以修正。

其控制过程如图1-4所示。

图1-4按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程：

（1）输入量测量反馈比较环节产生测量偏差；

（2）放大环节执行机构消除偏差。

闭环控制系统特点：

信号既可单向传递又有反馈传递，形成闭合回路。

为了得到偏差信号必须采用负反馈。

可自动修正输出量的偏差，并对系统内外部干扰进行补偿。

控制精度较高，使用场合比较广。

4.开环控制与闭环控制系统的比较开环控制系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干扰能力差，控制精度较低，一般多用于控制过程比较简单、精度要求不高的场合。

闭环控制系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号进行补偿，控制精度高，但组成的系统包含元件多、结构复杂，价格也较高，多用于控制精度要求较高，系统结构较复杂的场合。

1.1.5对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求对控制系统的总体性能要求是：

系统稳定程度高动态过程平稳性好动态响应时间短最终控制精度高工程上把它归结为稳、快、准三个方面。

控制原理需要解决的问题和方法：

（1）分析系统稳定性与结构、参量之间的对应关系，给出判断系统稳定性的方法。

（2）分析参量与暂态响应的对应关系以及控制规律，提供计算暂态响应性能指标的方法。

（3）指出系统的控制规律、参量与稳态响应之间的关系，给出计算系统稳态误差的方法。

（4）当原有性能不能达到规定的性能指标时，根据需求适当加入校正装置，提供改善系统整体性能的方法和手段。

1.2控制系统的组成及分类控制系统的组成及分类1.2.1控制系统的组成典型的闭环控制系统如图1-5所示，图中相应控制信号和各类装置、名词术语讨论如下。

图1-5典型的闭环控制系统结构图1.典型装置及其含义

（1）控制装置G1：

能够对被控对象起控制作用的设备总称。

（2）被控对象G2：

系统中的控制对象。

（3）反馈环节H：

用于检测系统输出状况的测量装置。

（4）比较环节：

也称比较元件，系统中进行信号叠加的作用点，以产生偏差信号。

2.各类信号及其含义

（1）输入信号r：

系统给定值。

（2）输出信号c：

系统的输出量。

（3）主反馈信号b：

主反馈环节的输出信号。

（4）偏差信号e：

输入信号与主反馈信号之差，erb。

（5）控制信号m：

控制装置的输出量。

（6）干扰信号n：

系统内部和外部的干扰量。

3.有关名词术语

（1）前向通道：

从输入端到输出端的正向传输通道。

（2）主反馈通道：

从输出量到主反馈信号之间的通道。

（3）主反馈回路：

前向通道与主反馈通道所形成的连续传输的闭合回路。

（4）局部反馈回路：

信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭合回路。

（5）单位反馈系统：

当主反馈环节的H=1时，主反馈信号等于输出量的系统。

（6）非单位反馈系统：

主反馈信号不等于输出量的系统，此时主反馈环节H1。

1.2.2控制系统的分类控制系统的分类1.按系统的物理特征分类

（1）工程系统

（2）非工程系统2.按系统的输出特征分类

（1）随动系统

（2）自动稳定系统（3）程序控制系统（4）数字控制系统3.按系统的数学模型分类

（1）线性系统

（2）非线性系统4.按系统中信号的变化规律分类

（1）线性连续系统

（2）采样系统（3）离散事件系统5.按系统的复杂程度分类

（1）简单系统

（2）复杂系统1.3计算机仿真的概述1.3.1系统仿真的概念和仿真过程1.仿真的定义:

所谓仿真是指利用模型对实际系统进行实验研究的过程，或者说，仿真是一种通过模型实验揭示系统原型的运动规律的方法。

这里的原型是指现实世界中某一待研究的对象，模型是指与原型的某一特征相似的另一客观对象，是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。

通过模型来对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。

1.3计算机仿真的概述实际系统的模型通常分为物理模型和数学模型两种。

系统仿真就是以系统数学模型为基础，以计算机为工具，对实际系统进行实验研究的一种方法。

2.2.数据相似原理数据相似原理为了研究实际系统的动态性能，常常要采用数据相似的原理。

数据相似原理的主要表现在：