自动控制原理电子教案设计

《自动控制原理电子教案设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理电子教案设计（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、word第一章 自动控制原理的根本概念主要内容： 自动控制的根本知识 开环控制与闭环控制 自动控制系统的分类与组成 自动控制理论的开展1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。 同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进展的操作或调整的过程。 控制任务可由人工控制和自动控制来完成。 1.2 自动控制的根本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高

2、度上。当水的流出量增大或流入量减小，平衡如此被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量如液面高度h维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。1.2.2 自动控制的定义与根本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小

3、)，对偏差进展修正，从而保持液面高度不变。2. 自动控制的根本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的根本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与动控制的功能方框图进展对照。比拟两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的根本元件： 测量元件与变送器代替眼睛 自动控制器代替大脑 执行元件代替肌肉、手这些根本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。如下图是典型控制系统方框图。1.2.3 自动控制中的一些术语与方框图1.常用术语控制对象 控制器 系统 系统输出 操作量 参考输入 扰动 特性2.系统方框图将系统中各个局部都用一个方框来表示，并

4、注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。1.3 自动控制系统的根本控制方式控制方式：开环控制和闭环控制1.3.1 开环控制定义:控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。开环控制系统的典型方框图如下列图。例如：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机1.按给定控制如下图是一个直流电动机转速控制系统。 工作原理： 以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。2.按扰动控制图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。控制过程可用方框图表示成如图示的形式。把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响与控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端

5、传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。开环控制的特点： 结构简单、调整方便、本钱低。 给定一个输入，有相应的一个输出。 作用信号是单方向传递的，形成开环。 输出不影响输入。 假设系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确 的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差1.3.2 闭环控制定义：但凡系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。常用术语：反应控制系统 闭合 闭环控制系统u 反应控制原理：被控变量作为反应信号，与希望值比拟得到偏差输入；根据输入偏差大小，调整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除偏差，实现控制目标。反应：输出量经测量后

6、的信号回送到输入端。反应连接方式有负反应和正反应。负反应：反应信号的极性与输入信号相反，使被控对象的输出趋向希望值。直流电动机转速闭环控制的例子。闭环控制的特点： 由负反应构成闭环，利用偏差信号进展控制； 抗干扰能力强，精度高； 存在稳定性问题。系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作； 自动控制理论主要研究闭环系统。闭环控制系统的典型方框图如下列图。 一、开环与闭环控制系统的比拟 二、复合控制方法 常见的方式有以下两种： 1.附加给定输入补偿 2. 附加扰动输入补偿1-4 自动控制系统的分类根本组成1.4.1 按给定信号的特征划分1. 恒值控制系统： 系统任务：c(t)=r(t

7、) r(t)常数 分析设计重点:研究干扰对被控对象的影响,克制扰动液位控制系统，直流电动机调速系统等等。2. 随动控制系统： 系统任务：c(t)=r(t) r(t)随机变化 分析设计重点:系统跟踪的快速性，准确性跟踪卫星的雷达天线系统3. 程序控制系统： 系统任务：c(t)=r(t) r(t)按预先规定时间函数变化 分析设计重点:输出按一定的规律变化 机械加工中的程序控制机床等等。1.4.2 按系统的数学描述划分 1.线性系统当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分或差分方程来描述时，如此称这种系统为线性系统。 2.非线性系统系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就

8、由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。1.4.3 按信号传递的连续性划分 1.连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。2.离散系统 控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分1.单变量系统SISO 2.多变量系统MIMO1.4.5 自动控制系统的根本组成 在形形色色的自动控制系统中，反应控制是最根本的控制方式之一。一个

9、典型的反应控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各局部可统称为控制装置。每一局部各司其职，共同完成控制任务。 下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。 测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。 比拟元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进展比拟，求出它们之间的偏差。 放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被

10、控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统根本结构根底上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反应的方式连接在系统中。 1.5 对控制系统的要求和分析设计1.5.1 对系统的要求各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能 (根本要求) ： 1.使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。 2.使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标： (1) 稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。 (2) 瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。 (3)稳态误差：要求系统

11、最终的响应准确度，限制在工程允许的X围之内，是系统控制精度的恒量。1.5.2 控制系统的分析和设计 1.系统分析系统给定，在规定的工作条件下，对它进展分析研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以与分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。 2.系统的设计系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能的条件下，根据被控对象的特点，构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进展的步骤如下：1熟悉对系统性能的要求。2根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。3假设控制对象是的，根据确定的系统数学模型和局部的数学模型

12、，求得控制器的数模和控制规律。4按综合确定的数模进展系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。假设不满足,与时修正。5样机设计制造和试验，验证设计结果。 1-6 自动控制理论的开展概况三个时期： 早期的自动控制工作 经典控制理论 现代控制理论学习指导与小结 通过示例介绍了控制系统的根本概念 1.反应控制原理 2.控制系统的根本组成 3.控制系统的根本类型 给出控制系统的根本要求 1.稳 2.准 3.快第二章 控制系统的数学模型 主要内容： 数学模型的概念、建模原如此 线性系统的传递函数 系统的结构图 信号流图与梅逊公式 2-1 引言 什么是数学模型？ 所谓的数学模型，是描述系统内部各物理量

13、(或变量)之间关系的数学表达式。2.1.1 数学模型的特点 1.相似性 2.简化性和准确性 3.动态模型 4.静态模型 静态模型和动态模型一、静态模型 1.不含时间变量t的代数方程 2.平衡状态下各变量间对应关系 3.变化量不随时间而变化二、动态模型 1.表达式是含时间变量t的微分方程 2.描述了系统的非平衡过程 3.变量随时间而变化 4.静态模型包含在静态模型中2.1.2 数学模型的类型 1.微分方程 2.传递函数3.状态空间表达式2.1.3 数学模型的建模原如此数学模型的建立方法： 1. 分析法(微分方程和代数方程) 2.实验法数学模型的建模原如此： 1.建模之前,要全面了解系统的自然特征和运动机理,明确研究目的和准确性要求,选择适宜