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1、第五章 控制系统理论基础,重点：反馈、开环控制系统、闭环控制系统的概念；控制系统的基本要求；闭环控制系统的基本组成；控制系统的分类。,开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 社会学：社会控制论,第一节 自动控制系统的发展历史,引言,工 业 控 制,电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制.,控制技术的应用,家 用 电 器,冰箱、洗衣机家庭影院微波炉.,楼 宇 电 梯 的

2、 控 制,信号检测,供电系统,电机(执行机构),可编程序控制器,ProgrammableLogicController,电机控制器,电 子,机械,控制,口语汽车导航系统使用情景示意图,汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信,瑞典沃尔沃汽车公司计划推出新型车沃尔沃S60，能在交通堵塞时自动驾驶。该车车载雷达感应器可以感知车前物体并测算彼此的距离，摄像机则能辨别出是何种物体。如果车前是行人或车辆，在雷达和摄像机均确认无误，而司机没有及时采取措施的情况下，汽车的全自动急刹车系统便会启动。,灯光的控制,社会生活中的控制,教学过程方框图,控制理论发展简况,1788年，英国James Watt利用反馈原理

3、发明蒸汽机用的离心调速机。是自动控制领域的第一项重大成果。1875年，1895年，英国Routh和德国Hurwitz先后提出判别系统稳定性的代数方法。1892年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。1945年，美国Bode在网络分析和反馈放大器设计中提出频率响应分析法Bode图。1948年，美国Wiener在控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。标志控制学科的诞生,水运仪像台：具备观测天象、演示天象、报时的功能。它的一套动力装置“是欧洲中世纪天文钟的

4、直接祖先”,一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针,胚胎萌芽期（1945年以前）十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭

5、起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。,自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：,经典控制理论,控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮

6、定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,a.特点研究对象：单输入、单输出线性定常系统。解决方法：频率法、传递函数。数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z变换。b.局限性不能应用于时变系统、多变量系统。不能揭示系统更为深刻的内部特性。,现代控制理论,由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。特点研究对象：多输入、多输出系统，线

7、性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。解决方法：状态空间法（时域方法）。数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。,大系统理论,随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。,智能控制,是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控

8、制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。,智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。,控制技术在机械制造领域中的应用,1.控制技

9、术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。,2.控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,控制论的研究对象系统,2、动力学问题:,系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。,例.弹簧

10、质量阻尼单自由度系统。,分析：这是同一个系统，不同的外界作用,对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：,1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系。,2)系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应。,3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应。,工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：,（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；,（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；,（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；,（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；

11、,（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。,自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）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。一般地说如何使被控量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,控制是对对象施加某种操作,使其产生所期望的行为,控制论基本概念,控制三要素：被控对象 控制目标 控制装置控制论：是关于控制原理和控制方法的学科 研究事物变化和发展的一般规律可控和能控：多种可能性和一定的方式,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位控制系统

12、,水位控制系统,30,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,控制直流电动机转速示意图如下所示:,激磁回路,激磁电流,电枢电压,人所起的三个作用:(1)观察电机的转速;(2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较;(3)根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压.,自动控制直流电动机转速示意图如下所示:,1开环系统 当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈

13、回路时，称之为开环系统。,直流电动机转速控制系统（开环系统）,电压放大器,功率放大器,直流电动机,Ur,Ua,Mc,给定量,控制装置,被控对象,被控量,自动控制系统的工作原理,反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈外反馈：由附加的反馈控制装置引起的信息交互内反馈：系统内部的信息交互负反馈：输入信号反馈信号（输出信号）正反馈：输入信号+反馈信号,反馈控制原理：,没有反馈回路,有反馈回路,反馈通路输出信号被送回到输入回路的通路。,注意电路中信号的流向,内反馈与外反馈,外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。,内反馈：在系

14、统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。,显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。,例：m-c-k系统,直流电动机转速自动控制系统可画成如下方框图：,方框：表示系统中的一个元件或几个元件组合而成的一个装置带箭头的直线：表示系统中信号流通的方向小圆圈符号：表示比较器,正负号表示信号在比较器中是被相加还是被相减,方框图中信号的常用名称:r(t):系统的输入信号,其中使系统具有预定性能或预定输出的,又

15、可称为给定输入信号或参考输入信号,如电位器的输出电压.c(t):系统的输出信号（输出量），又常叫做系统对输入的响应,如电动机的转速.b(t):叫反馈信号.而把系统中输出信号转换成反馈信号的元件或装置,称为反馈元件或反馈装置,如测速发电机.e(t):叫偏差信号.是r(t)与b(t)比较的结果.u(t):是控制器的输出信号,叫控制信号.,：干扰信号，它的作用是破坏系统具有预定性能或预定输出.干扰信号根据具体情况,在系统中可有不同的作用点.,一些基本概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反

16、馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律扰动：系统外部扰动、系统内部扰动,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。闭环系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。,直流电动机转速控制系统（闭环系统）,2闭环系统,检测偏差纠正偏差,例 1 炉温控制系统,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,例：,人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行

17、车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：,控制系统的工作原理及其组成,人工控制恒温箱调节过程：,观测恒温箱内的温度（被控制量）,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,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。,恒温箱自动控制系统工作原理：,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2,恒温箱期望温度由电压u

18、1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2,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u0，电机停止转动。,系统功能框图如下所示：,综上所述，闭环控制系统的工作原理：,检测输出量（被控制量）的实际值,将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；,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

19、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。,在反馈控制系统中,如果反馈信号的作用是加强输入信号的作用,则称为正反馈控制系统;如果反馈信号的作用是减弱输入信号的作用,则称为负反馈控制系统.控制理论中主要研究的是负反馈控制系统.负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。,看看谁“点睛”更准确？,乐乐和华华一起玩“点睛”小游戏。黑板上画出一张缺眼睛小孩的脸：乐乐走到黑板附近，背着黑板画出小孩的眼睛；华华

20、走到黑板附近，朝着黑板画出小孩的眼睛。,开环和闭环系统 框图,比较器,+,-,输入量（眼睛给定位置）,控制量（粉笔位移）,输出量眼睛实际位置,控制量（粉笔位移）,输出量眼睛实际位置,输入量（眼睛给定位置）,乐乐 开环控制框图,华华 闭环控制框图,复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。,3复合控制系统,补偿装置,控制器,被控对象,输入信号,_,+,干扰信号,被控信号,根据干扰信号进行补偿，提高系统的控制精度，减小干扰信号的影响,补偿装置,控制器,被控对象,输入信号,_,+,干扰信号,根据输入信号进行补偿，提高系统

21、的跟踪性能,水温调节系统,水温调节系统,水温调节系统方框图,闭环控制系统的组成,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、液压马达等；,校正元件 用以改善系统控制质量的装置。,控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。,实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰

22、动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。,对控制系统基本要求,产生过渡过程的原因：1.内部原因：系统有惯性，有储能元件2.外部原因：参数配置不当,对控制系统基本要求,控制系统的分类,按给定信号的形式 自动调节系统/随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性系统/非线性系统按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统按信号传递的形式 连续系统/离散系统按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统按被控量来分 温度控制系统/速度控制系统,按给定信号的形式：,自动调节系统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：

23、恒温箱控制、电网电压、频率控制等。,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。如数控加工系统。,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。,1、线性系统 同时满足叠加性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为线性系统。若以符号 来表示系统输入与输出之间的关系，则在输入信号r(t)作用下，系统的输出c(t)可表示为,设,叠加性：,齐次性,2、非线性系统 不满足满足叠加性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为非线性系统。其

24、特性要用非线性的微分或差分方程来表示。,也可以将上述两点统一表示为：,零输入响应：激励为零时，仅由系统的初始状态所引起的响应。,线性系统的响应可以分解为两个部分：,零状态响应：系统的初始条件为零时，仅由输入信号所引起的响应。,如果系统的初始状态不为零，在输入的作用下，线性定常系统的响应称为全响应。,1、时变系统 特性随时间变化的系统。其输出波形不仅与输入波形有关，还与输入信号加入的时刻有关。时变系统采用冻结系数法进行近似定常系统处理，这一方法实质是在系统工作的时间内，分段将时变系数冻结为常值。2、定常系统 特性不随时间变化的系统，又称为时不变系统。定常系统又分为定常线性系统和定常非线性系统。,

25、1、连续系统 系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统及电动机速度自动控制系统就属于这一类型。2、离散系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。,典型输入信号,一阶跃函数,二斜坡函数（匀速函数）,三抛物线函数（匀加速函数）,R=1时，称为单位阶跃函数，记为l(t)。,R=1时，称为单位斜坡函数。,R=1/2时，称为单位抛物线函数。,四脉冲函数,五正弦函数,当 时，则称为单位脉冲函数。,系统性能分析方法,时间响应可分为瞬

26、态响应与稳态响应。,1）、瞬态响应 系统在某一输入信号的作用下，系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程称为瞬态响应。,2）、稳态响应 在某一输入信号的作用后，时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态响应。,稳、快,准,系统在单位阶跃信号作用下的时间响应的形式,系统的输出量在ts（调整时间）时刻达到稳定状态，在t从0ts时间内的响应过程称为瞬态响应；当t时，系统的输出即为稳态响应。,当t时，c(t)收敛于某一稳定值，则系统是稳定的；若c(t)呈等幅振荡或发散，则系统不稳定。瞬态响应直接反应了系统的动态特性，稳态响应偏离希望输出值的程度可以衡量系统的精确程度。,控制系统的计算机辅助设计,20世纪

27、50年代，频域法在控制系统分析与设计中得到迅速的发展，而时域法相对处于停滞状态。这一时期，为了得到复杂系统在时域中的解，曾广泛采用模拟计算机仿真的方法；20世纪60年代，数字计算机开始应用于控制系统的计算机辅助设计，并取得了许多建设性的成果；20世纪70年代，开始出现了控制系统计算机辅助设计的软件包；20世纪80年代，美国的Mathwork公司推出了MATLAB软件系统，它具有模块化的计算方法，可视化与智能化的人机交互功能，丰富的矩阵运算,图形绘制,数据处理函数,基于模块化图形组态的动态系统仿真工具SIMULINK等优秀软件,而且Mathwork公司密切注意科技发展的最新成果,及时地与不同领域

28、的知名专家合作,推出了许多控制系统CAD的“工具箱”，被人们誉为“巨人肩上的工具”。,计算机仿真和辅助设计的基本概念1、计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。,2、计算机仿真的概念仿真的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则

29、是相似性原理。计算机仿真的定义计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。,3、系统及其模型,1）系统的特性:,a.系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；,b.系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；,c.系统往往具有表现出在时域、频域或复域等域内的动态特性。,2）机械系统:,实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。,3)系统模型:,模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模

30、型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型。,系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。而数学模型又包括静态模型和动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。,静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。,动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。,现代仿真模型指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以

31、实施的模型。4、计算机仿真的三要素及基本步骤1、三要素（1）系统：研究的对象（2）模型：系统的抽象（3）计算机：工具与手段,2、基本步骤包括三个基本的内容：建模仿真实验 结果分析,独轮自行车实物仿真问题,单一刚性铰链，两自由度动力学问题,问题的提出：独轮自行车，机器人行走过程中的平衡控制，火箭发射中的垂直度控制，卫星飞行中的姿态控制，海上钻井平台的稳定控制，飞机的安全着陆控制。,独轮自行车实物仿真问题,1)摆杆绕其中心的转动方程为,2)摆杆重心的水平运动可能描述为,3)摆杆中心在垂直方向上的运动可描述为,4)小车水平方向运动可描述为,独轮自行车实物仿真问题,精确模型：,在平衡点附近线性化：,对

32、上述微分方程模型通过上一节的变换可以得到一阶直线倒立摆系统的微分方程，传递函数和状态方程三种形式。,在起重机系统中，为使重物尽快地由A点移动至B点（同时，还要保证重物在抵达B点处时满足：条件），我们希望通过控制量u（t）适当控制小车的运行加速度来实现这一目标。显然这是一个最优控制问题。借助于Simulink封装技术（子系统），在模型验证的基础上，采用时间最优控制方案，实现起重机防摆控制的系统仿真实验。,系统建模,定摆长起重机系统模型,定摆长起重机系统精确模型为,系统在 条件下的简化模型为,模型验证,（一）模型封装,利用前面介绍的Simulink封装子系统功能，可使模型验证原理表示得更加简捷,如

33、下图所示:,模型验证,（二）模型验证,1 实验设计 假定使起重机在（）初始状态下，突加一有限恒定作用力，则依据经验知：小车位置将不断增大，而重物将在小车的一侧做往复摆动,如下图所示。利用仿真实验来验证正确数学模型应具有的这一必要性质。,模型验证,（二）模型验证,2 仿真实验 仿真结果如下图所示,从中可见：在1N恒定拖动力作用下，负载 不断的在 区间内摆动，小车位置逐渐增加。这一结果符合前述的实验设计，故可以在一定程度上确认：该起重机系统的数学模型是有效的。,应用仿真技术的意义,1、经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成

34、本的1/101/5，而且设备可以重复使用。2、安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。,3、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。,仿真技术的发展趋势,1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统

35、的速度，大大增强数字仿真的实时性。2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。,计算机仿真软件,一、仿真软件的发展1、程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。2、程序软件包阶段出现了“应用子程序库”。3、交互式语言阶段

36、（仿真语言）仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。,二、几种仿真软件1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。,小结控制理论的发展时期；反馈、自动控制的概念；控制的三要素是什么？控制系统的基本要求；

37、闭环控制系统的基本组成；控制系统的分类。能正确分析控制系统的原理，并画出方框图。,例1：设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明该系统工作原理并画出系统的方框图。,解：在电热水器系统中，水箱内的水温需要控制，即水箱为被控对象。,水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为To；输入量为用户希望的温度（给定值），设为Ti；由于放出热水并注入冷水或水箱散热等原因而使水箱内水温下降成为该系统的主要干扰。,练习,当To=Ti时，水箱的实际水温经测温元件检测，并将实际水温转化成相应的电信号，与温控开关预先设定的信号进

38、行比较而得到的偏差为零，此时电加热器不工作，水箱中的水温保持在希望的温度上。,当使用热水并注入冷水时，水温下降，此时ToTi，则偏差不为零而使温控开关工作。于是电源接通，电加热器开始对水箱内的水进行加热，使水温上升，直到To=Ti时为止。系统控制方框图如下图所示：,例2:分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图,解：1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。,2、若系统收到扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开,度，使输入流量

39、减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；,3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。,例3 分析大门自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图,解：当合上开门开关时，u1u2，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器滑动触头上移，直至桥路达到平衡（u1u2），电机停止转动，大门开启。反之，合上关门开关时，电机反向转动，带动绞盘使大门关闭；,例4 分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘 制系统功能框图,解：1、稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚

40、度；厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较得到偏差信号；,2、若系统处于稳态后由于扰动致厚度加大，则偏差小于零，偏差放大后控制电机通过减速器直线执行器减小轧棍间距离；反之，加大轧棍间距离，实现厚度的闭环调节。由于系统不是直接测量轧辊处厚度，而是相距 d 处的厚度，因此系统存在测量延迟，延迟时间=d/v。,控制系统的设计,实施控制系统所需的设备、元件等,系统的成本分析,控制系统调试、运行和评价,控制系统的方案选择,分析被控对象的主要特征,明确控制的目的,确定被控量、控制量,分析主要的干扰因素,设计分析：被控对象 电风扇、电热丝；被控量 风速和温度；控制量 电机和

41、电热元件的电压；干扰因素 元件的稳定性、房间温度、电源电压波动。给定量 给定挡位；控制执行 挡位开关。,电吹风控制系统的设计,设计要求：给定挡位 停止挡、冷风挡、热风挡,方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。,电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。,简易电吹风的电路图1,降压电阻,电源电压,电动机,电热元件,停止挡电路,简易电吹风的电路图2,电热元件,电动机,热风挡电路,电源电压,降压电阻,控制开关,简易电吹风的电路图3,冷风挡电路,降压电阻,电动机,电源电压,电热元件,电吹风控制系统方框图,电吹风的给定挡位,风速和温度,注：这里的挡位开关具有了控制、执行功能,完,