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1、聯(lián)系方式(彭彥卿)聯(lián)系方式(彭彥卿)聯(lián)系電話:聯(lián)系電話0592-6291166(O.)辦公地點(diǎn):實(shí)驗(yàn)樓辦公地點(diǎn):實(shí)驗(yàn)樓3-404Email:1 1、授課班級(jí):、授課班級(jí):1212自動(dòng)化自動(dòng)化1 1、2 2班(班(115115人)人)基本情況說明基本情況說明2 2、學(xué)時(shí)數(shù):、學(xué)時(shí)數(shù):5656學(xué)時(shí)(理論學(xué)時(shí)(理論4848學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)+ +實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)8 8學(xué)時(shí))學(xué)時(shí))3 3、教、教 材:胥布工主編,材:胥布工主編,自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理,電子,電子工業(yè)出版社工業(yè)出版社4 4、考試方式:平時(shí)、考試方式:平時(shí)30%+30%+期末成績(jī)期末成績(jī)70%70%5 5、作業(yè):每周二交一次、作
2、業(yè):每周二交一次學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)MATLABMATLAB(自學(xué)為主)(自學(xué)為主)參考書:參考書: 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理第五版,胡壽松,科學(xué)出版社第五版,胡壽松,科學(xué)出版社 自動(dòng)控制原理習(xí)題解析自動(dòng)控制原理習(xí)題解析,胡壽松,科學(xué)出版社,胡壽松,科學(xué)出版社 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理,孫亮、楊鵬,北京工業(yè)大學(xué)出版社,孫亮、楊鵬,北京工業(yè)大學(xué)出版社( (廈門大學(xué)考研教材廈門大學(xué)考研教材) ) 自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用,黃堅(jiān),高等教育出版社,黃堅(jiān),高等教育出版社 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理,王萬良,高等教育出版社,王萬良,高等教育出版社期刊期刊自動(dòng)化學(xué)報(bào)自動(dòng)化學(xué)報(bào)控制理論與應(yīng)用控制理論
3、與應(yīng)用 控制與決策控制與決策IEEE Transactions on Automatic Control Automatica學(xué)術(shù)團(tuán)體學(xué)術(shù)團(tuán)體國際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(國際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(International Federation of Automatic Control,IFAC )中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)積分變換積分變換自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程其它專業(yè)課程1 1、專業(yè)基礎(chǔ)課,自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程、專業(yè)基礎(chǔ)課,自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程2 2、理論實(shí)踐相結(jié)合、理論實(shí)踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng),概念多,內(nèi)容多,抽象;理論性非常
4、強(qiáng),概念多,內(nèi)容多,抽象;實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)3 3、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。核反應(yīng)堆等。1 1、打好基礎(chǔ)、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)(微積分)、積分變換(拉氏變換)高等數(shù)學(xué)(微積分)、積分變換(拉氏變換)2 2、做好預(yù)習(xí)、做好
5、預(yù)習(xí)3 3、聽好課、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法掌握基本理論和基本方法4 4、做好習(xí)題、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題本課程學(xué)習(xí)方法本課程學(xué)習(xí)方法第一章第一章 緒論緒論自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(定義見(定義見1.1節(jié)首段)節(jié)首段)Ch2:控制系統(tǒng)的:控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型Ch1:自動(dòng)控:自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本制系統(tǒng)的基本概念和要求概念和要求分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)的性能的性能Ch7:控制系控制系統(tǒng)的統(tǒng)的校正校正Ch8:線性離
6、線性離散控制散控制系統(tǒng)系統(tǒng)Ch9:非線性非線性控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)Ch4: 時(shí)域分析時(shí)域分析 Ch5:根軌跡分析根軌跡分析 Ch6:頻率特性分析頻率特性分析 Ch3:控制系統(tǒng)的:控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性穩(wěn)定性及特性第一章第一章 緒論緒論1.1 引言引言1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成1.4 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則1.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述1.7 本書內(nèi)容安排本書內(nèi)容安排1.8 小結(jié)小結(jié)自動(dòng)控制自動(dòng)控制 在人不直接參與的情況下,利用自動(dòng)控制裝置使在人不直接參與的情況下,利用自
7、動(dòng)控制裝置使工工作機(jī)械或生產(chǎn)過程自動(dòng)地作機(jī)械或生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行,或使按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行,或使被控量(工作機(jī)械或過程的某個(gè)物理參數(shù))被控量(工作機(jī)械或過程的某個(gè)物理參數(shù))按預(yù)定按預(yù)定的要求變化的要求變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 由由自動(dòng)控制裝置自動(dòng)控制裝置與與被控對(duì)象被控對(duì)象以一定結(jié)構(gòu)組成的、以一定結(jié)構(gòu)組成的、能能完成某種控制任務(wù)的有機(jī)整體完成某種控制任務(wù)的有機(jī)整體。兩個(gè)定義兩個(gè)定義1.1 引言引言刻漏刻漏:沈括于熙寧七年沈括于熙寧七年(1074) (1074) 制成玉壺浮制成玉壺浮漏。影響水流的兩個(gè)主要原因互相漏。影響水流的兩個(gè)主要原因互相補(bǔ)償:一是水的粘滯性。當(dāng)溫度升補(bǔ)償:一是
8、水的粘滯性。當(dāng)溫度升高時(shí),粘滯度便減小,水流變快;高時(shí),粘滯度便減小,水流變快;二是水面高度。當(dāng)溫度升高時(shí)表面二是水面高度。當(dāng)溫度升高時(shí)表面張力減小,漫溢水面便微微降低,張力減小,漫溢水面便微微降低,水壓隨之降低而水流變慢。適當(dāng)選水壓隨之降低而水流變慢。適當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)尺寸,就可以使兩個(gè)相反的擇結(jié)構(gòu)尺寸,就可以使兩個(gè)相反的變化近于完全抵消,達(dá)到最佳效果,變化近于完全抵消,達(dá)到最佳效果,即是水流受溫度變化的影響極小,即是水流受溫度變化的影響極小,刻漏更為準(zhǔn)確;可說是世界上最精刻漏更為準(zhǔn)確;可說是世界上最精密的漏水計(jì)時(shí)器。密的漏水計(jì)時(shí)器。 1.1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史 遠(yuǎn)古時(shí)期
9、的自動(dòng)裝置遠(yuǎn)古時(shí)期的自動(dòng)裝置 (來自互聯(lián)網(wǎng)來自互聯(lián)網(wǎng))1.1 引言引言指南車指南車采用差動(dòng)齒輪的機(jī)械原理:采用差動(dòng)齒輪的機(jī)械原理:車?yán)锩嫜b有多個(gè)大小不同的齒輪,直行,小輪懸空;轉(zhuǎn)彎時(shí),一邊的小輪在車?yán)锩嫜b有多個(gè)大小不同的齒輪,直行,小輪懸空;轉(zhuǎn)彎時(shí),一邊的小輪在轅、繩、滑輪的作用下降,與車輪和大輪發(fā)生轅、繩、滑輪的作用下降,與車輪和大輪發(fā)生嚙合嚙合傳動(dòng)。傳動(dòng)。若車子向左轉(zhuǎn)若車子向左轉(zhuǎn)9090度,度,左輪不動(dòng),右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周(即轉(zhuǎn)過左輪不動(dòng),右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周(即轉(zhuǎn)過1212個(gè)個(gè)齒),經(jīng)過小平輪傳動(dòng)到大平輪,則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)齒),經(jīng)過
10、小平輪傳動(dòng)到大平輪,則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)1212個(gè)齒,即個(gè)齒,即1/41/4周(周(9090度),仙人在和車一起左轉(zhuǎn)度),仙人在和車一起左轉(zhuǎn)9090度時(shí),又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了度時(shí),又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了9090度。其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類推。度。其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類推。仙人指向不變。仙人指向不變。(來自互聯(lián)網(wǎng)來自互聯(lián)網(wǎng))1.1 引言引言計(jì)里鼓車,計(jì)里鼓車,車中有一套減速齒輪系,車中有一套減速齒輪系,始終與車輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),其最末一只齒始終與車輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),其最末一只齒輪軸在車行一里時(shí)正好回轉(zhuǎn)一周,車輪軸在車行一里時(shí)正好回轉(zhuǎn)一周,車子上層的木人車上木人受凸輪牽動(dòng),子上層的木人車上木
11、人受凸輪牽動(dòng),由繩索拉起木人右臂擊鼓一次,以示由繩索拉起木人右臂擊鼓一次,以示里程。這一原理與現(xiàn)代汽車上的里程里程。這一原理與現(xiàn)代汽車上的里程表的原理相同。表的原理相同。候風(fēng)地動(dòng)儀候風(fēng)地動(dòng)儀的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),是一根稱為的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),是一根稱為“都柱都柱”的倒立擺,其重心高于擺動(dòng)的倒立擺,其重心高于擺動(dòng)中心。在受地震橫波襲擊時(shí),由于慣中心。在受地震橫波襲擊時(shí),由于慣性力作用,它將倒向震源方向,從而性力作用,它將倒向震源方向,從而帶動(dòng)該方向的傳動(dòng)部件,使相應(yīng)方向帶動(dòng)該方向的傳動(dòng)部件,使相應(yīng)方向的龍口上額起撓,龍口中的銅丸便掉的龍口上額起撓,龍口中的銅丸便掉落在蟾蜍口中。落在蟾蜍口中。 (來自互聯(lián)網(wǎng)來自互聯(lián)
12、網(wǎng))(來自互聯(lián)網(wǎng)來自互聯(lián)網(wǎng))1.1 引言引言古代的自動(dòng)裝置主要是基于相對(duì)直觀的古代的自動(dòng)裝置主要是基于相對(duì)直觀的“因果關(guān)系因果關(guān)系”而而發(fā)明的,因而并未產(chǎn)生自動(dòng)控制理論。發(fā)明的,因而并未產(chǎn)生自動(dòng)控制理論。這與這與1818世紀(jì)末開始逐漸發(fā)展起來的、基于反饋原理的自世紀(jì)末開始逐漸發(fā)展起來的、基于反饋原理的自動(dòng)裝置有著本質(zhì)的不同。動(dòng)裝置有著本質(zhì)的不同。反饋使反饋使“因果關(guān)系因果關(guān)系”進(jìn)一步發(fā)進(jìn)一步發(fā)展成為更加復(fù)雜的展成為更加復(fù)雜的“因果因果- -果因關(guān)系果因關(guān)系”。由于反饋形成的回路使由于反饋形成的回路使“因果因果”雙向相互作用,已不再雙向相互作用,已不再是簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系,因此,人們?yōu)樽龅街渌匀?/p>
13、地設(shè)是簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系,因此,人們?yōu)樽龅街渌匀坏卦O(shè)計(jì)好基于反饋原理的自動(dòng)裝置,必須對(duì)反饋控制理論加計(jì)好基于反饋原理的自動(dòng)裝置,必須對(duì)反饋控制理論加以研究,這也是反饋控制理論發(fā)展的初始推動(dòng)力。以研究,這也是反饋控制理論發(fā)展的初始推動(dòng)力。 近代控制理論的逐步形成和發(fā)展近代控制理論的逐步形成和發(fā)展1.1 引言引言1 1、用于工業(yè)過程的自動(dòng)反饋、用于工業(yè)過程的自動(dòng)反饋控制器控制器- -飛球調(diào)速器飛球調(diào)速器17881788年瓦特發(fā)明了年瓦特發(fā)明了飛球調(diào)速飛球調(diào)速器器,用來與蒸汽機(jī)的進(jìn)氣閥,用來與蒸汽機(jī)的進(jìn)氣閥連接構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)連接構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。2 2、動(dòng)態(tài)特性研
14、究的開始動(dòng)態(tài)特性研究的開始:英:英國劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)和天文學(xué)家國劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)和天文學(xué)家艾里在艾里在1829-18351829-1835系統(tǒng)研究了系統(tǒng)研究了天文望遠(yuǎn)鏡的速度控制,根據(jù)天文望遠(yuǎn)鏡的速度控制,根據(jù)倒立擺離心力的原理首次發(fā)現(xiàn)倒立擺離心力的原理首次發(fā)現(xiàn)了了反饋系統(tǒng)的不穩(wěn)定性反饋系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,并利,并利用微分方程分析了這種系統(tǒng)。用微分方程分析了這種系統(tǒng)。近代控制理論的逐步形成和發(fā)展近代控制理論的逐步形成和發(fā)展瓦特改良的蒸汽機(jī)瓦特改良的蒸汽機(jī)艾里艾里瓦特瓦特1.1 引言引言3 3、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究研究:18681868英國物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)英國物理學(xué)家麥
15、克斯韋發(fā)表了表了“論調(diào)速器論調(diào)速器”的論文,首的論文,首次論述該問題。次論述該問題。二三階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)二三階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)。18951895英國勞斯判據(jù)和德國數(shù)學(xué)英國勞斯判據(jù)和德國數(shù)學(xué)家赫爾維茨的家赫爾維茨的代數(shù)穩(wěn)定條件代數(shù)穩(wěn)定條件;18931893李雅普諾夫基于非線性運(yùn)李雅普諾夫基于非線性運(yùn)動(dòng)的一般動(dòng)的一般運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定問題運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定問題。4 4、反饋控制系統(tǒng)的頻率特性研究反饋控制系統(tǒng)的頻率特性研究:2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代,電子管年代,電子管放大器以及遠(yuǎn)距離通話的實(shí)現(xiàn),研究如何減少放大倍數(shù)增大放大器以及遠(yuǎn)距離通話的實(shí)現(xiàn),研究如何減少放大倍數(shù)增大而導(dǎo)致信號(hào)失真的問題。美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師
16、和科而導(dǎo)致信號(hào)失真的問題。美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師和科學(xué)家們逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。學(xué)家們逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。李雅普諾夫李雅普諾夫1.1 引言引言5 5、積分和微分控制的思想積分和微分控制的思想:19221922年俄裔年俄裔美國工程師米諾斯基在分析船舶駕駛控美國工程師米諾斯基在分析船舶駕駛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)首次提出。制系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)首次提出。6 6、19341934年美國麻省理工的赫曾教授創(chuàng)立年美國麻省理工的赫曾教授創(chuàng)立了了伺服控制理論伺服控制理論,首次提出軌跡跟蹤在,首次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性;反饋控制中的重要性;7 7、19361936年
17、英國工程師考倫德:溫度控制年英國工程師考倫德:溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)的PIDPID控制器控制器;8 8、19421942年美國工程師:年美國工程師:PIDPID參數(shù)整定準(zhǔn)參數(shù)整定準(zhǔn)則則,至今仍適用;,至今仍適用;9 9、二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后、二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后1010年:美國電信工程年:美國電信工程師伊萬斯給出師伊萬斯給出控制系統(tǒng)的圖解分析法和控制系統(tǒng)的圖解分析法和根軌跡綜合法根軌跡綜合法,創(chuàng)立,創(chuàng)立根軌跡法根軌跡法的完整理的完整理論。論。現(xiàn)代現(xiàn)代PID控制器控制器1.1 引言引言1010、19481948年美國數(shù)學(xué)家維納出版專年美國數(shù)學(xué)家維納出版專著著“控制論控制論”。19561956年我國科學(xué)家年我國科
18、學(xué)家錢學(xué)森出版錢學(xué)森出版“工程控制論工程控制論”。1111、2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代,年代,人造衛(wèi)星和空人造衛(wèi)星和空間技術(shù)的發(fā)展,成為自動(dòng)控制理論間技術(shù)的發(fā)展,成為自動(dòng)控制理論新的發(fā)展推動(dòng)力新的發(fā)展推動(dòng)力。極大值原理、動(dòng)。極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論、狀態(tài)空間方法、多變態(tài)規(guī)劃理論、狀態(tài)空間方法、多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。1212、2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代,隨著大規(guī)模集年代,隨著大規(guī)模集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展,成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展,推動(dòng)了推動(dòng)了控制器應(yīng)用高級(jí)控制算法的能力控制器應(yīng)用高級(jí)控制算法的能力。1313、出現(xiàn)若干控制理論分支:系統(tǒng)、出現(xiàn)若干控制理論分支:
19、系統(tǒng)辨識(shí)、魯棒控制、協(xié)調(diào)控制、智能辨識(shí)、魯棒控制、協(xié)調(diào)控制、智能控制等等??刂频鹊取?來自互聯(lián)網(wǎng)來自互聯(lián)網(wǎng))1.1 引言引言1.1.2 控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐自動(dòng)化的核心是自動(dòng)化的核心是控制與系統(tǒng)控制與系統(tǒng),控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手段。是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手段。自動(dòng)化最早出現(xiàn)在汽自動(dòng)化最早出現(xiàn)在汽車工業(yè),其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)(加工、車工業(yè),其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)(加工、制造等)過程中制造等)過程中采用自動(dòng)控制代替人工控制。采用自動(dòng)控制代替人工控制。1947年美國福特公司正式使用自動(dòng)化一詞,年美國福特公司正式使用自動(dòng)化一詞,其含義是指其含義是指加工采用連續(xù)方式加工采用連續(xù)方式,
20、生產(chǎn)過程流生產(chǎn)過程流水式的自動(dòng)進(jìn)行水式的自動(dòng)進(jìn)行。從從20世紀(jì)世紀(jì)70年代開始,我國通過陸續(xù)引進(jìn)國年代開始,我國通過陸續(xù)引進(jìn)國外成套自動(dòng)化生產(chǎn)線,我國工業(yè)生產(chǎn)逐步從外成套自動(dòng)化生產(chǎn)線,我國工業(yè)生產(chǎn)逐步從局部自動(dòng)化局部自動(dòng)化,發(fā)展成今天的全方位、全流程,發(fā)展成今天的全方位、全流程的的綜合自動(dòng)化綜合自動(dòng)化。我國的自動(dòng)化學(xué)術(shù)組織:中國自動(dòng)化學(xué)會(huì),我國的自動(dòng)化學(xué)術(shù)組織:中國自動(dòng)化學(xué)會(huì),1961年成立,第一屆理事長(zhǎng)錢學(xué)森院士。年成立,第一屆理事長(zhǎng)錢學(xué)森院士。1.2.1 人工控制與自動(dòng)控制人工控制與自動(dòng)控制 人工控制人工控制人工控制:人工控制:人工控制是人工操作實(shí)現(xiàn):測(cè)量、求誤差、人工控制是人工操作實(shí)現(xiàn):
21、測(cè)量、求誤差、控制、控制、再測(cè)量、再求誤差、再控制的循環(huán)過程。再測(cè)量、再求誤差、再控制的循環(huán)過程。1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1)1)操作員將期望的液位值操作員將期望的液位值( (即水即水 位高度位高度) )記在大腦中;記在大腦中;2)2)操作員用眼讀取實(shí)際液位值;操作員用眼讀取實(shí)際液位值;3)3)操作員將液位期望值與實(shí)際值操作員將液位期望值與實(shí)際值比較得出偏差值;比較得出偏差值;4)4)操作員根據(jù)偏差的大小和性質(zhì)操作員根據(jù)偏差的大小和性質(zhì)(正負(fù)性),決定如何通過用(正負(fù)性),決定如何通過用手打開或關(guān)閉閥門的方式來調(diào)手打開或關(guān)閉閥門的方式來調(diào)節(jié)經(jīng)過閥門的水量大小,達(dá)到節(jié)經(jīng)過閥門
22、的水量大小,達(dá)到維持液位恒定的控制目標(biāo)。維持液位恒定的控制目標(biāo)。 自動(dòng)控制:自動(dòng)控制:沒有人直接參與,利用自動(dòng)控制裝置,沒有人直接參與,利用自動(dòng)控制裝置,使使工作機(jī)械或生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行工作機(jī)械或生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或或使使某些物理量按預(yù)定要求變化某些物理量按預(yù)定要求變化。1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理連桿的長(zhǎng)度連桿的長(zhǎng)度 人的大腦人的大腦 記下期望液位記下期望液位浮子浮子 人的眼睛人的眼睛 實(shí)際液位實(shí)際液位 浮子和連桿浮子和連桿 人的大腦人的大腦 計(jì)算偏差計(jì)算偏差 杠桿機(jī)構(gòu)杠桿機(jī)構(gòu)的另一端的另一端 人的人的大腦和手大腦和手 判斷偏差大小判斷偏差大小和性質(zhì),
23、帶動(dòng)和性質(zhì),帶動(dòng)水閥動(dòng)作,調(diào)水閥動(dòng)作,調(diào)節(jié)水量大小節(jié)水量大小自動(dòng)控制自動(dòng)控制人工控制人工控制自動(dòng)控制與人工控制的工作原理十分相似自動(dòng)控制與人工控制的工作原理十分相似1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 自動(dòng)控制裝置與人的器官對(duì)應(yīng)的、能完成相應(yīng)功能的元件有:自動(dòng)控制裝置與人的器官對(duì)應(yīng)的、能完成相應(yīng)功能的元件有: 給定元件:給定元件:能根據(jù)液位期望值來調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度的環(huán)節(jié)代替人的大腦能根據(jù)液位期望值來調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度的環(huán)節(jié)代替人的大腦記下液位期望值;記下液位期望值; 測(cè)量元件:測(cè)量元件:浮子作為傳感器代替人的眼睛測(cè)取實(shí)際液位值;浮子作為傳感器代替人的眼睛測(cè)取實(shí)際液位值; 比較元件:比較元件:浮子
24、和連桿組合代替人的大腦計(jì)算出液位偏差值;浮子和連桿組合代替人的大腦計(jì)算出液位偏差值; 校正元件校正元件:杠桿機(jī)構(gòu)代替人的大腦對(duì)偏差的大小和性質(zhì)作出判斷:杠桿機(jī)構(gòu)代替人的大腦對(duì)偏差的大小和性質(zhì)作出判斷(作為決策機(jī)構(gòu)作出如何校正的決定);(作為決策機(jī)構(gòu)作出如何校正的決定); 執(zhí)行元件:執(zhí)行元件:帶動(dòng)進(jìn)水閥代替人手打開或關(guān)閉閥門調(diào)節(jié)經(jīng)過閥門的水帶動(dòng)進(jìn)水閥代替人手打開或關(guān)閉閥門調(diào)節(jié)經(jīng)過閥門的水量大小。量大小。 由此可見,組成自動(dòng)控制裝置的元件一般應(yīng)包括:由此可見,組成自動(dòng)控制裝置的元件一般應(yīng)包括:給定元件,測(cè)量給定元件,測(cè)量元件,比較元件,校正元件和執(zhí)行元件,元件,比較元件,校正元件和執(zhí)行元件,而上述
25、而上述液位自動(dòng)控制系統(tǒng)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)就就是由這些元件和被控對(duì)象(水池)組成的有機(jī)整體。是由這些元件和被控對(duì)象(水池)組成的有機(jī)整體。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 假設(shè)水池液位處于期望值。假設(shè)水池液位處于期望值。以用以用戶用水量突然增加為例,圖戶用水量突然增加為例,圖1-21-2所示所示的簡(jiǎn)單液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程的簡(jiǎn)單液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程如下:如下: 當(dāng)用戶用水量突然增加,出水量當(dāng)用戶用水量突然增加,出水量增加到一個(gè)新值,此時(shí)水池液位下降增加到一個(gè)新值,此時(shí)水池液位下降導(dǎo)致浮子下降,浮子、連桿與杠桿機(jī)導(dǎo)致浮子下降,浮子、連桿與杠桿機(jī)構(gòu)測(cè)出液位期望值與實(shí)際值之間的偏
26、構(gòu)測(cè)出液位期望值與實(shí)際值之間的偏差值,然后由杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥打差值,然后由杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥打開閥門增大進(jìn)水量。開閥門增大進(jìn)水量。 由于由于新的出水量增加了新的出水量增加了,為了使進(jìn)水量與出水量相等,浮,為了使進(jìn)水量與出水量相等,浮子必須維持在比液位期望值更低的位置,子必須維持在比液位期望值更低的位置,只有通過使實(shí)際液只有通過使實(shí)際液位值低于期望值形成的落差才能使杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥維持位值低于期望值形成的落差才能使杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥維持閥門在新的開度,以便增加進(jìn)水量達(dá)到進(jìn)水與出水的新平衡。閥門在新的開度,以便增加進(jìn)水量達(dá)到進(jìn)水與出水的新平衡??煽上`差消除誤差的液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的液位自動(dòng)控
27、制系統(tǒng)工作原理如下:工作原理如下:(1 1)用電位器和杠桿機(jī)構(gòu)記下液位期)用電位器和杠桿機(jī)構(gòu)記下液位期望值的電位器給定值(電位器中點(diǎn));望值的電位器給定值(電位器中點(diǎn));(2 2)浮子作為傳感器測(cè)量實(shí)際液位;)浮子作為傳感器測(cè)量實(shí)際液位;(3 3)電位器和杠桿機(jī)構(gòu)計(jì)算出電位器)電位器和杠桿機(jī)構(gòu)計(jì)算出電位器上對(duì)應(yīng)于期望值的給定值與對(duì)應(yīng)于實(shí)際上對(duì)應(yīng)于期望值的給定值與對(duì)應(yīng)于實(shí)際值的測(cè)量值之間的偏差值(電壓值);值的測(cè)量值之間的偏差值(電壓值);(4 4)放大器與電動(dòng)機(jī)組成的校正環(huán)節(jié))放大器與電動(dòng)機(jī)組成的校正環(huán)節(jié)對(duì)偏差的大小和性質(zhì)進(jìn)行判斷,并據(jù)此對(duì)偏差的大小和性質(zhì)進(jìn)行判斷,并據(jù)此決定電動(dòng)機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)
28、閥門(打開或決定電動(dòng)機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥門(打開或關(guān)閉閥門)去調(diào)節(jié)水量的大小。關(guān)閉閥門)去調(diào)節(jié)水量的大小。(5 5)只要電位器和杠桿機(jī)構(gòu)比較所得的偏差不為零,則放大器與電動(dòng)機(jī)組成的)只要電位器和杠桿機(jī)構(gòu)比較所得的偏差不為零,則放大器與電動(dòng)機(jī)組成的校正環(huán)節(jié)連續(xù)不斷地產(chǎn)生控制作用,即進(jìn)一步打開或關(guān)閉閥門,甚至使閥門達(dá)校正環(huán)節(jié)連續(xù)不斷地產(chǎn)生控制作用,即進(jìn)一步打開或關(guān)閉閥門,甚至使閥門達(dá)到全開或全閉狀態(tài),使液位上升或下降,直到液位恢復(fù)到期望值為止。到全開或全閉狀態(tài),使液位上升或下降,直到液位恢復(fù)到期望值為止。1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1.2.2
29、 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng):開環(huán)控制系統(tǒng):系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的輸入與輸出之間只有前向的信號(hào)傳遞,輸出之間只有前向的信號(hào)傳遞,而沒有反向的信號(hào)回傳。而沒有反向的信號(hào)回傳。缺點(diǎn)缺點(diǎn):開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精:開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度和抑制干擾能力較差。度和抑制干擾能力較差。Mc恒定:恒定:ur , ua , n ur , ua , n ur 恒定:恒定:Mc , n Mc , n 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理反饋反饋:系統(tǒng)從輸出到輸入:系統(tǒng)從輸出到輸入的反向信息傳遞,這種反的反向信息傳遞,這種反向信息傳遞稱為反饋。向信息傳遞稱為反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng):具有反
30、饋:具有反饋的系統(tǒng)因信息在系統(tǒng)內(nèi)的的系統(tǒng)因信息在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞形成了閉合環(huán)路,稱傳遞形成了閉合環(huán)路,稱為閉環(huán)系統(tǒng)。為閉環(huán)系統(tǒng)。Mc恒定:恒定:ur , ue u1 ua , n , uf , ue , u1 ua , n ur 恒定:恒定:Mc , n uf , ue , u1 ua , n 開環(huán):開環(huán):?jiǎn)蜗蚩刂?,輸入和輸出單向控制,輸入和輸出間沒有聯(lián)系,系統(tǒng)輸入與輸出間沒有聯(lián)系,系統(tǒng)輸入與輸出間沒有反饋回路。但受外界干間沒有反饋回路。但受外界干擾小時(shí),仍被大量使用。擾小時(shí),仍被大量使用。閉環(huán):閉環(huán):將輸出量返回到輸入端,將輸出量返回到輸入端,形成偏差,基于偏差產(chǎn)生控制形成偏差,基于偏差產(chǎn)生控制
31、以減少或消除偏差。相對(duì)來看,以減少或消除偏差。相對(duì)來看,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、存在穩(wěn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、存在穩(wěn)定性問題,但定性問題,但具有開環(huán)控制無具有開環(huán)控制無法替代的自動(dòng)糾偏功能和較高法替代的自動(dòng)糾偏功能和較高控制精度??刂凭?。1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理1.2.3 對(duì)反饋控制系統(tǒng)的對(duì)反饋控制系統(tǒng)的基本要求基本要求 1穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受擾穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受擾動(dòng)后重新恢復(fù)平衡的動(dòng)后重新恢復(fù)平衡的能力。能力。不穩(wěn)定的系統(tǒng)不穩(wěn)定的系統(tǒng)一旦失去平衡就無法一旦失去平衡就無法重新恢復(fù),由于實(shí)際重新恢復(fù),由于實(shí)際應(yīng)用中擾動(dòng)是不可避應(yīng)用
32、中擾動(dòng)是不可避免的,因此不穩(wěn)定的免的,因此不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。 穩(wěn)定衰穩(wěn)定衰減過程減過程臨界穩(wěn)定臨界穩(wěn)定(也稱為(也稱為臨界不穩(wěn)臨界不穩(wěn)定)振蕩定)振蕩過程過程不穩(wěn)定發(fā)不穩(wěn)定發(fā)散過程散過程1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理2快速性快速性 快速性主要是用時(shí)間衡量一個(gè)穩(wěn)快速性主要是用時(shí)間衡量一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)平衡狀態(tài)的恢復(fù)或跟定的系統(tǒng)對(duì)平衡狀態(tài)的恢復(fù)或跟隨的速度。隨的速度。影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素:影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素:擾動(dòng)使系統(tǒng)偏離平衡,擾動(dòng)使系統(tǒng)偏離平衡,因控制任務(wù)的需要而改變系因控制任務(wù)的需要而改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。統(tǒng)的平衡狀態(tài)。過渡過程越短,說明系統(tǒng)恢復(fù)平過渡
33、過程越短,說明系統(tǒng)恢復(fù)平衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越強(qiáng),快速性就越好。強(qiáng),快速性就越好。 3準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 過渡過程結(jié)束后系統(tǒng)就過渡過程結(jié)束后系統(tǒng)就進(jìn)入穩(wěn)態(tài),此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),此時(shí)系統(tǒng)輸系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值出量的期望值與實(shí)際值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)態(tài)誤差越小,控制系穩(wěn)態(tài)誤差越小,控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)、有差系統(tǒng)有差系統(tǒng)。1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 上述上述穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面往往是相互制約的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面往往是相互制約的。穩(wěn)定裕度過大可能引起系統(tǒng)的快速性變差、過渡過程變
34、長(zhǎng);穩(wěn)定裕度過大可能引起系統(tǒng)的快速性變差、過渡過程變長(zhǎng);而單純追求快速性,則可能加劇振蕩,甚至引起不穩(wěn)定。而單純追求快速性,則可能加劇振蕩,甚至引起不穩(wěn)定。1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 1.3.1 按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分 測(cè)量元件測(cè)量元件:測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,量綱轉(zhuǎn)換。:測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,量綱轉(zhuǎn)換。如:熱電偶、各種傳感器,對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。如:熱電偶、各種傳感器,對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。比較元件比較元件:形成參考輸入信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)的偏差。:形成參考輸入信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)的偏差。如:反向放大器、中位器連接電路等。如:反向放大器、中位器連接電路等。校正元件
35、校正元件:基于偏差信號(hào)按一定函數(shù)規(guī)律產(chǎn)生供執(zhí)行元件執(zhí)行的:基于偏差信號(hào)按一定函數(shù)規(guī)律產(chǎn)生供執(zhí)行元件執(zhí)行的 控制命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能控制命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能如:由放大器、電阻、電容組成的具有預(yù)定傳遞函數(shù)的電路。如:由放大器、電阻、電容組成的具有預(yù)定傳遞函數(shù)的電路。1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 放大元件放大元件:對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大或提供功率放大。:對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大或提供功率放大。如:電壓放大器等。如:電壓放大器等。執(zhí)行元件執(zhí)行元件:也稱執(zhí)行器。用來執(zhí)行校正元件產(chǎn)生的控制命令,以便:也稱執(zhí)行器。用來執(zhí)行校正元件產(chǎn)生的控制命令,以便使被
36、控對(duì)象的輸出按期望值變化。使被控對(duì)象的輸出按期望值變化。如:直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、氣缸、液壓缸等。如:直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、氣缸、液壓缸等。被控對(duì)象被控對(duì)象:也稱受控對(duì)象,簡(jiǎn)稱對(duì)象。需進(jìn)行控制的設(shè)備或裝置的:也稱受控對(duì)象,簡(jiǎn)稱對(duì)象。需進(jìn)行控制的設(shè)備或裝置的工作過程。工作過程。如:電動(dòng)機(jī)的控制,或反應(yīng)器、傳熱過程、燃燒過程的控制等。如:電動(dòng)機(jī)的控制,或反應(yīng)器、傳熱過程、燃燒過程的控制等。1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.2 按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分 傳感器傳感器:功能是感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信:功能是感受被測(cè)量并按
37、照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信號(hào)。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí),則稱其為變送器。號(hào)。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí),則稱其為變送器。控制器控制器:產(chǎn)生供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行的控制信號(hào);:產(chǎn)生供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行的控制信號(hào);執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu):根據(jù)控制器發(fā)出的命令去控制或調(diào)節(jié)被控過程;:根據(jù)控制器發(fā)出的命令去控制或調(diào)節(jié)被控過程;被控對(duì)象被控對(duì)象:描述系統(tǒng)從控制變量到被控變量之間的被控過程。:描述系統(tǒng)從控制變量到被控變量之間的被控過程。廣義被控對(duì)象:廣義被控對(duì)象:執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)+ +被控對(duì)象被控對(duì)象控制變量:控制變量:可以是任何描述被控過程控制輸入的物理量可以是任何描述被控過程控制輸入的物理量廣義被控對(duì)象的控制變
38、量:廣義被控對(duì)象的控制變量:控制信號(hào)常是電信號(hào),電壓或電流控制信號(hào)常是電信號(hào),電壓或電流1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.3 若干常用術(shù)語若干常用術(shù)語控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象和控由被控對(duì)象和控制器等內(nèi)部基本制器等內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)按一定功能環(huán)節(jié)按一定的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接,的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接,為完成某種控制為完成某種控制任務(wù)而組成的一任務(wù)而組成的一個(gè)有機(jī)整體個(gè)有機(jī)整體 輸入信號(hào)輸入信號(hào):系統(tǒng)外部輸入的信號(hào),也稱輸入量,如參考輸系統(tǒng)外部輸入的信號(hào),也稱輸入量,如參考輸入,外部干擾輸入,其中參考輸入也稱為給定量(值),它入,外部干擾輸入,其中參考輸入也稱為給定量(值),它是控制系統(tǒng)被控變量的
39、反饋信號(hào)需保持或跟隨的指令輸入。是控制系統(tǒng)被控變量的反饋信號(hào)需保持或跟隨的指令輸入。輸出信號(hào)輸出信號(hào):系統(tǒng)向外部輸出的信號(hào),也稱輸出量,在單輸系統(tǒng)向外部輸出的信號(hào),也稱輸出量,在單輸出系統(tǒng)中,系統(tǒng)的輸出信號(hào)就是被控對(duì)象的被控變量。出系統(tǒng)中,系統(tǒng)的輸出信號(hào)就是被控對(duì)象的被控變量。1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成擾動(dòng)信號(hào):擾動(dòng)信號(hào):擾動(dòng)可以是小的波動(dòng),也可以是大的波動(dòng),擾動(dòng)信擾動(dòng)可以是小的波動(dòng),也可以是大的波動(dòng),擾動(dòng)信號(hào)也稱為干擾信號(hào)。擾動(dòng)在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。號(hào)也稱為干擾信號(hào)。擾動(dòng)在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。反饋信號(hào)反饋信號(hào):指對(duì)被控變量測(cè)量取出的、經(jīng)過:指對(duì)被控變量測(cè)量取
40、出的、經(jīng)過必要的量綱轉(zhuǎn)換必要的量綱轉(zhuǎn)換后后反向回送到輸入端的信號(hào)。反向回送到輸入端的信號(hào)。 偏差信號(hào)偏差信號(hào):指參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。:指參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。 誤差信號(hào)誤差信號(hào):指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差。由于偏差信:指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差。由于偏差信號(hào)與誤差信號(hào)之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系,故兩者經(jīng)過量綱換算是號(hào)與誤差信號(hào)之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系,故兩者經(jīng)過量綱換算是等價(jià)的。本書中誤差信號(hào)采用在輸入端的定義,因此,若不加等價(jià)的。本書中誤差信號(hào)采用在輸入端的定義,因此,若不加說明誤差信號(hào)即指偏差信號(hào)說明誤差信號(hào)即指偏差信號(hào)。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成控制信
41、號(hào)控制信號(hào):指控制器或者校正元件的輸出信號(hào),它是控制:指控制器或者校正元件的輸出信號(hào),它是控制器或者校正元件按一定控制規(guī)律產(chǎn)生的控制指令器或者校正元件按一定控制規(guī)律產(chǎn)生的控制指令控制變量:控制變量:簡(jiǎn)稱控制量,指被控對(duì)象(被控過程)的控制簡(jiǎn)稱控制量,指被控對(duì)象(被控過程)的控制輸入變量。輸入變量。 被控變量被控變量:簡(jiǎn)稱被控量,指被控對(duì)象輸出需按控制要求變:簡(jiǎn)稱被控量,指被控對(duì)象輸出需按控制要求變化的物理量,在單輸出系統(tǒng)中,也就是系統(tǒng)的輸出量?;奈锢砹浚趩屋敵鱿到y(tǒng)中,也就是系統(tǒng)的輸出量。 控制通道:控制通道:控制變量通過被控對(duì)象(被控過程)到控制系控制變量通過被控對(duì)象(被控過程)到控制系統(tǒng)
42、輸出的通道。統(tǒng)輸出的通道。干擾通道干擾通道:干擾信號(hào)通過被控對(duì)象到系統(tǒng)輸出的通道。:干擾信號(hào)通過被控對(duì)象到系統(tǒng)輸出的通道。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成分析:分析:把研究對(duì)象分成較簡(jiǎn)單的組成部分,找出這些部分的本把研究對(duì)象分成較簡(jiǎn)單的組成部分,找出這些部分的本質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系。質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系??刂葡到y(tǒng)的分析是一種動(dòng)態(tài)分析,即視研究對(duì)象為演化的系統(tǒng)。一般是先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型,這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已確定,而結(jié)構(gòu)參數(shù)或參數(shù)范圍已確定,然后采用數(shù)學(xué)工具作為主要手段對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。 綜合:綜合:綜合是分析的反義詞。一般地說,綜合就是將已有的關(guān)綜合是分析的反
43、義詞。一般地說,綜合就是將已有的關(guān)于研究對(duì)象各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來,形成對(duì)研究對(duì)象的統(tǒng)一于研究對(duì)象各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來,形成對(duì)研究對(duì)象的統(tǒng)一整體認(rèn)識(shí)。整體認(rèn)識(shí)。 控制系統(tǒng)的綜合是指根據(jù)一定任務(wù),利用系統(tǒng)分析的真知灼見,找出能夠滿足性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)配置。反饋控制系統(tǒng)中,當(dāng)被控對(duì)象,執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器確定后,控制系統(tǒng)的綜合主要是建立控制器數(shù)學(xué)模型,解決控制器參數(shù)配置或者參數(shù)優(yōu)化問題,以滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的定量性能指標(biāo)。1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成校正:校正:在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對(duì)在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對(duì)象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學(xué)模型之后,基
44、于經(jīng)典控制理論象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學(xué)模型之后,基于經(jīng)典控制理論所進(jìn)行的校正裝置設(shè)計(jì)工作。所進(jìn)行的校正裝置設(shè)計(jì)工作。校正的另一個(gè)含義類似控制一詞,如:校正器。校正的另一個(gè)含義類似控制一詞,如:校正器。 設(shè)計(jì):設(shè)計(jì):指控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非工程設(shè)計(jì)??刂葡到y(tǒng)的指控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非工程設(shè)計(jì)??刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)就是針對(duì)一個(gè)給定的控制任務(wù),利用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是針對(duì)一個(gè)給定的控制任務(wù),利用控制系統(tǒng)的分析與綜合方法,通過一系列反復(fù)的選擇、評(píng)判和優(yōu)分析與綜合方法,通過一系列反復(fù)的選擇、評(píng)判和優(yōu)化,完成構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)的逐步試探過程。化,完成構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)的逐步試探過程。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類
45、1.4.1 按參考輸入信號(hào)特征分類按參考輸入信號(hào)特征分類 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 參考輸入信號(hào)為恒定值,控制系統(tǒng)的任務(wù)就是參考輸入信號(hào)為恒定值,控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保持某保持某個(gè)被控量為一個(gè)給定的期望恒值個(gè)被控量為一個(gè)給定的期望恒值上。如:溫度、水位上。如:溫度、水位控制等??刂频?。 2隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)一般習(xí)慣稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此隨動(dòng)控制系統(tǒng)一般習(xí)慣稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的類系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的任參考輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的任意函數(shù)意函數(shù)。隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定。隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定精度精度
46、跟隨參考輸入信號(hào)的變化跟隨參考輸入信號(hào)的變化。 如:高射炮隨動(dòng)系統(tǒng)。如:高射炮隨動(dòng)系統(tǒng)。1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)的參考輸入程序控制系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是信號(hào)是預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線線。如:熱處理爐溫度的升溫、如:熱處理爐溫度的升溫、保溫和降溫過程的控制,保溫和降溫過程的控制,生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)器生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)器開停車過程中的升溫、保開停車過程中的升溫、保溫和降溫曲線控制溫和降溫曲線控制 。溫度上升預(yù)定曲線溫度上升預(yù)定曲線1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.2 按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號(hào)傳按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號(hào)傳遞形式
47、分類遞形式分類 1連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) :信號(hào)傳:信號(hào)傳遞均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)遞均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù) 2離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) :至少一:至少一個(gè)信號(hào)傳遞為脈沖序列個(gè)信號(hào)傳遞為脈沖序列或數(shù)字編碼形式或數(shù)字編碼形式 3網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng):網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng):典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指控典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指控制器到執(zhí)行器以及傳感器到控制器之間的信號(hào)傳遞是制器到執(zhí)行器以及傳感器到控制器之間的信號(hào)傳遞是通過數(shù)據(jù)包計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)包計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。 采樣過程采樣過程1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.3 按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分類按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分類 1線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) :可以采用線性微分方程
48、來描述的系統(tǒng):可以采用線性微分方程來描述的系統(tǒng) 2非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng):非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件:非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件 3定常系統(tǒng)定常系統(tǒng):系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件:系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件 4時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng):系統(tǒng)中含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件:系統(tǒng)中含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件 1、線性系統(tǒng) 特點(diǎn):系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成,描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成,描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式:為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式: 式中:式中:r(t)系統(tǒng)輸入量;系統(tǒng)輸入量; c(t)系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量 主要特點(diǎn)是具有主要特點(diǎn)是具有疊加性和和齊次性。
49、c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -n1 -nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -m1 -mmmmm44線性系統(tǒng)具有疊加性和齊次性。線性系統(tǒng)具有疊加性和齊次性。 疊加性:疊加性:x x1 1(t)(t)y y1 1(t)(t)x x2 2(t)(t)則則 y y2 2(t)(t)x x1 1(t)+x(t)+x2 2(t) (t) y y1 1(t)+y(t)+y2 2(t) (t) y=xy=x2 2 二階系統(tǒng)是非線性的二階系統(tǒng)是非線性的因?yàn)樗粷M足疊加性因?yàn)樗粷M足疊加性齊次性:齊次性:
50、為常數(shù)為常數(shù) x(tx(t) )y(ty(t) )則則 x(tx(t) ) y(ty(t) ) y=mx+by=mx+b 系統(tǒng)也不是線性的,因?yàn)樗粷M系統(tǒng)也不是線性的,因?yàn)樗粷M足齊次性。足齊次性。452、非線性系統(tǒng) 在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)。要用非線性方程描述其特性。要用非線性方程描述其特性。 非線性方程的特點(diǎn)是:系數(shù)與變量有關(guān),或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。例:2( )( ) ( )( )( )y ty t y ty tr t461.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則1.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理:工作原理:蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)
51、蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐齒輪減速帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水圓錐齒輪減速帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水平旋轉(zhuǎn)平旋轉(zhuǎn)飛錘通過鉸鏈帶動(dòng)套筒上、下滑飛錘通過鉸鏈帶動(dòng)套筒上、下滑動(dòng)撥動(dòng)杠桿的一端動(dòng)撥動(dòng)杠桿的一端杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開度門的開度 蒸汽機(jī):蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在期望值附近蒸汽機(jī):蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在期望值附近 平衡平衡:飛錘旋轉(zhuǎn),套筒保持某高度,閥門處于一個(gè)平衡位置:飛錘旋轉(zhuǎn),套筒保持某高度,閥門處于一個(gè)平衡位置當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí): 負(fù)載負(fù)載 , 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 , 圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,飛錘速度飛錘速度 , 套筒位置套筒位置 ,杠桿右杠桿右端端 ,蒸汽閥門蒸汽閥門 ,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 。 負(fù)載負(fù)載 , 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 , 圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,飛錘速度飛錘速度 , 套筒位置套筒位置 ,
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