机械设计基础1-1

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1、自动控制原理vyuan-yuan-vTel:13465562512v课件邮箱：v密码：chbo2014本课程的性质、任务和要求性质：专业基础课、考研主要专业课程任务：掌握自动控制系统分析和校正设计的方法特点：研究控制系统分析和设计的一般理论，理论性强，难理解。考核：平时30%+考试70%属于自动化科学范畴，研究一些共性的、具有普遍规律的问题。授课内容自动控制的一般概念 线形系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法 线性系统的频率响应法 线性系统的校正方法数字控制系统分析基础对象：单变量时不变连续系统目标：稳、准、快任务：分析、设计课程目标v要求学生初步掌握自动控制系统的基本概念

2、与原理 v掌握经典控制理论中的主要系统分析方法 v掌握其校正与设计技术，了解其应用。通过对自动控制基本理论的系统学习，使得学生不仅加深对控制问题本身的理解，而且了解到目 前所学内容的某些应用方面和进一步研究的方向， 为今后的研究与技术工作奠定良好的理论基础。课程要求v按时听课v认真听讲，遵守课堂纪律v按时、独立完成作业v遇到问题及时解决（老师、同学、图书馆）v多看参考书，多方面理解课程内容v勤于思考、善于发现问题v注意理论学习和实际应用之间的联系第一章 自动控制系统概述v1.1 引言v1.2 自动控制系统的基本概念v1.3 控制系统的基本结构形式v1.4 闭环控制系统的组成和基本环节v1.5

3、自动控制系统分类v1.6 对自动控制系统的基本要求机械转速、位置的控制 工业过程中温度、压力、流量的控制 远洋巨轮航行控制深水潜艇的控制 飞机自动驾驶神舟飞船的返回控制“嫦娥三号”的月球登陆控制 等等总之，自动控制技术的应用几乎无所不在 。自动控制的应用领域11 引言自动控制技术的理论基础其发展可分为三个阶段：经典控制理论现代控制理论智能控制理论u 经典控制理论主要以传递函数为基础，讨论单输入- 单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。发展时 间为20世纪40到60年代，理论较为成熟。在工程中 解决了大量的实际问题，是研究自动控制系统的重要 理论基础。u 现代控制理论主要以状态空间法为基础，讨

4、论多输 入-多输出一类自动控制系统的分析和设计问题。发展 时间为20世纪60到70年代。u 智能控制理论以非数学的语言描述模型为基础， 研究不确定性的复杂的高度非线性系统的分析和设 计问题。数学工具采用数值计算与符号处理的交叉 与结合形式如神经元网络、模糊集合论等。发展时 间为20世纪70年代至今。自动控制理论发展简史v经典控制理论 ( 20世纪初 ) 以传递函数为基础 时域法复域法 (根轨迹法) 单输入单输出频域法 线形定常系统 v现代控制理论 ( 20世纪60年代 )多输入多输出 线性系统 自适应控制变参数时变系统 最优控制 鲁棒控制最佳估计 容错控制系统辨识 集散控制 大系统复杂系统v智

5、能控制理论 ( 20世纪70年代 )专家系统模糊控制神经网络遗传算法v控制使使设备或生产过程设备或生产过程的的物理量物理量保持恒定或保持恒定或按一定规律的变化按一定规律的变化被控对象被控量输入量、给定值、希望值（人工控制和自动控制） 为了满足预期要求所进行的操作工业生产过程或生产设备运行中，为了保证正常的 工作条件，需要对某些物理量进行控制，使其尽量 维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。要 满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时 的操作，以抵消外界干扰的影响。 12 自动控制系统的基本概念自动控制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

6、 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（给定值 ）运行。 水池水位系统的人工控制与自动控制思考：被控对象、被控量？如何实现控制控制目的：避免水过满或抽空，应使水池水位与预 定水位相等控制手段：改变进水阀门的开度人工控制过程：测量（眼）、决策（脑）、执行（手）自动控制和人工控制相似，自动控制系统是把装置有 机组合在一起，代替人的职能：浮子（眼睛）；连杆 和电位器（大脑）；电动机（手）。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为 控制器（或控制装置）。任何一个控制系统，都是由 被控对象和控制器两部分所组成的。13 控制系统的基本结构形式开环控制系统闭环

7、控制系统复合控制系统开环控制输入信号 控制装置被控对象输出信号输入端与输出端只有信号的前向通道, 不存在由输出端 到输入端的反馈通路,即,系统的输入不受输出的影响 优点：结构简单、成本低、稳定性好 缺点：抗干扰能力差，不能自动修正被控量产生的偏差 适用场合：干扰不强或可预测、元件比较稳定、控制精度 要求不高的场合，如洗衣机、红绿灯炉温开环控制系统1-自耦变压器 2-电加热器给定量输出量 控制器被控对象扰动量开环控制系统结构图炉温开环控制系统 闭环控制输入信号 控制装置被控对象输出信号反馈装置输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过 程有直接影响,应用反馈，减少偏差。偏差信号优点：自动修正

8、被控量产生的偏差，控制精度高 缺点：稳定性差（由于反馈的存在使被控量产生振荡） 适用场合：系统元件参数发生变化和扰动无法预计的情况1-自耦变压器 2-电加热器 3-热电偶炉温闭环控制系统控制器被控对象给定量输出量扰动量闭环控制系统结 构图检测装置偏差量反馈量炉温闭环控制系统 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）之间的偏 差，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制 任务，这是反馈控制的基本原理，故称之为反馈 控制。显然：显然：反馈控制反馈控制建立在建立在偏差基础偏差基础上，其控制方式上，其控制方式 是是“检测偏

9、差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。自动控制系统的工作原理 负反馈将系统的输出信号引回输入端，与输 入信号相比较，利用所得的偏差信号进行 控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。_ 构成闭环控制系统的核心闭环(反馈)控制系统的特点：(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭合回路(2) 偏差起调节作用开环控制系统和闭环控制系统的比较 ：（1）输入量和输出量之间都存在一一对应关系（2）对于开环控制系统，只有输入量对输出量产生控 制作用，输出量不参与控制。从结构上看，只有从输入 端到输出端的信号传递通道（称为正向通道或前向通道 ）。不具备抗干扰能力。对于闭环控制系统，除了输入量对系统有控制作用外 ，输出量

10、也参与了控制。从结构上看，除了正向通道外 ，还必须有从输出端到输入端信号传递通道（称为反馈 通道）。闭环控制系统具有抗干扰能力。 （3）闭环控制系统必须有检测环节和比较环节。因为 要实现闭环控制必须把输出量检测出来并转换成与输 入量相同的物理量，再与输入量比较得到偏差信号。开环控制系统不需要这些环节，所以它结构简单。 （4）开环控制系统的控制精度较低。 闭环控制系统的控制精度较高。 开环控制闭环控制结构简单、成本低复杂、成本高精度精度低、对元器件要 求高精度高、对元器件要求 低稳定性通常不考虑必须考虑复合控制特点：主要扰动进行干扰补偿，并结合偏差控制实现 良好的控制效果。比较、计算比较、计算执

11、行执行受控对象受控对象测量测量给定值给定值被控量被控量干扰干扰+ +- -计算计算测量测量14 闭环控制系统的组成和基本环节图中，1是给定环节；2是比较环节；3是校正环节；4是放大环 节；5是执行机构；6是被控对象；7是检测装置。 输出量输入量偏差量控制量1 2 3 4 5 67反馈量闭环控制系统典型结构图扰动量1给定环节 是设定被控制量的给定值的装置。如炉温闭环控制系统 中的电位器。 2比较环节其功能是将所检测到的输出量和给定量进行比较，确定出 二者之间的偏差。 3放大环节 放大环节的作用就是将偏差信号转换成适合于控制执行机 构工作的信号。 4校正环节或称为校正装置。它是为改善系统的控制性能

12、而加入的环 节，它可以将偏差信号按照某种规律进行运算处理，以形成合 适的控制作用，使被控制量按照预期的规律变化。 通常，在控制系统中，把比较环节、校正环节和放大环节 合在一起称为控制器（或控制装置）。 5执行机构 其功能是执行控制作用并驱动被控对象，它是直接作用 于被控对象的，一般有传动装置或调节机构组成。 6被控对象是指被控制的生产设备或生产过程。 7检测装置（传感器）该装置的功能是用来测量被控制量，并转换成与给定量相 同的物理量反馈到输入端。 测量精度要高反应要灵敏性能要稳定15 自动控制系统分类1.5.1 按控制系统元件特性分类按系统是否满足叠加原理，分为线性和非线性系统两类 。 组成控

13、制系统的元件都具有线性特性； 输入输出关系可用微分方程、差分方程、传 递函数以及状态空间表达式来描述； 主要特点是具有齐次性和适用叠加原理； 如果线性系统中的参数不随时间变化，则称 为线性定常系统；否则称为线性时变系统 。1线性控制系统输输出量和输输入量及它们们的各阶导阶导 数均为为一次幂幂，且各 系数均与输输入量（自变变量） 无关，即为线为线 性微分 方程。 齐次性v若激励f(t)产生的响应为y(t)，则激励Af(t)产 生的响应即为Ay(t)，此性质即为齐次性。其 中A为任意常数。v指系统输入改变k倍，输出也相应改变k倍 叠加原理v如果一个系统在输入r1(t)作用下产生输出c1(t)， 在

14、输入r2(t)作用下产生输出c2(t) ；若在r1(t) +r2(t)作用下输出为c1(t)+ c2(t)，则满足叠加原理 v若在输入a1r1(t) +a2r2(t)作用下系统输出为a1c1(t) +a2c2(t) （其中r1(t) 、 r2(t)是任意的输入信号 ；a1,a2是任意的常数），则该系统满足线性叠加原 理，是线性系统，否则是非线性系统。2非线性控制系统控制系统中，若至少一个元件具有非线性特性； 一般不具有齐次性，也不适用叠加原理； 输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关 系； 也有时变和定常系统之分； 严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存 在的。典型非线性特性(b)

15、 不灵敏区特性(a) 饱和特性(c) 继电器特性1.5.2 按控制系统信号形式分类1连续控制系统当控制系统各处的信号都是时间的连续函数时，称为连续控 制系统。 2离散控制系统当控制系统的某一处或几处的信号是以脉冲序列或数码形 式传递的，在时间上是离散的，此系统称为离散控制系统。采样开关将连续信号变为离散信号(a) 采样开关(b) 连续信号(c) 离散信号离散信号取脉冲形式的系统称为脉冲控制系统；而对于采用 数字计算机或数字控制器的系统，其离散信号为数字形式，称为 数字控制系统。 采样开关脉冲控制系统结构图数据保持器 控制对象数字控制系统结构图控制器 控制对象ADDA1.5.3 按输入量的变化形式分类1恒值控制系统输入量是不变的常数，要求输出量尽可能保持在期望值上。 2程序控制系统系统的输入量是按照预先设定的时间函数变化，要求输出量 准确或以一定的精度跟踪变化。 3随动控制系统（又称伺服系统）系统的输入量是随时间任意变化的，要求输出量准确或以一 定的精度跟随输入量的变化。 例1-1 船舶驾驶舵角位置跟踪系统。试分析其