自动控制第一章.doc

江苏农林职业技术学院教案【教学单元首页】第 1 次课 授课学时 2学时 教案完成时间： 2012.9 章、节第一章 概述第一节 自动控制与自动控制系统第二节 自动控制系统的分类第三节 对控制系统的性能要求第四节 自动控制理论发展简述主要内容这一单元主要完成第一章概述的教学内容。首先介绍关于自动控制的基本概念以及自动控制系统的基本构成，用水位控制系统和水温控制系统作为实例进行说明。自动控制系统的两种基本控制方式为开环控制系统和闭环控制系统。用转台速度控制系统、直流随动系统作为实例说明这两种控制方法的特点。然后介绍自动控制系统的分类，分成：线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，连续系统和离散系统，恒值系统、随动系统和程序控制系统。再介绍控制原理分析系统中对控制系统性能的要求：主要包括三个方面稳定性、快速性和准确性。最后对自动控制理论的发展进行了简述。目的与要求本单元的教学目的是让学生通过这一章的学习了解这门课程是一门理论性很强的专业基础课程，是分析和设计自动控制系统的基本理论。了解自动控制原理的研究对象自动控制系统基本构成，以及对控制系统性能的要求。通过这一章的学习要求学生了解自动控制的基本概念，自动控制系统的基本构成，以及自动控制系统的分类。理解控制原理分析系统性能中对控制系统性能的基本要求：稳定性、快速性和准确性。重点与难点本单元的重点：自动控制原理这门课程的特点，课程的研究对象和主要内容，对一些自动控制系统实例的了解。即：关于自动控制的基本概念，自动控制系统的基本构成，以及对控制系统性能的要求。本单元的难点是对控制系统实例的了解。教学方法与手段采用多媒体教学，控制系统实例介绍时附板书加以说明。第一章 概 述第一节 自动控制与自动控制系统自动控制技术广泛应用于各个领域：人造卫星运行控制、雷达跟踪飞机、电饭褒、空调、机床自动加工、生产线自动运行等等。自动控制原理的主要任务：对自动控制系统性能进行分析和研究。自动控制原理是分析和设计自动控制系统性能的基本理论。研究对象就是自动控制系统。一、自动控制的基本概念自动控制：无人直接参与的情况下，利用控制装置控制受控对象的过程。 控制器给定值检测元件受控对象被控量 被控对象自动控制系统 控制装置 不同的控制装置和不同的被控对象构成了不同的控制系统。例： 水温自动控制系统。偏差-反馈量预期温度实际温度阀门执行机构控制器水箱 二、自动控制系统的基本构成及控制方式自动控制系统一般有两种基本结构，对应着两种基本控制方式。1开环控制开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。例： 匀速旋转转台放大器直流电动机转台预期速度实际转速开环控制的特点：系统结构和控制过程简单，系统无抗扰能力，控制精度较低。开环控制一般只能用于对控制性能要求不高的场合。2闭环控制闭环控制：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系。 例：转台速度闭环控制系统偏差-反馈量预期速度实际转速转台直流电动机放大器测速机 例： 位置随动系统 ueudr -cm放大器电位器电动机减速器 例： 转速负反馈直流调速系统加在放大器输入端的电压为给定电压与的差值，即 这种控制常称为按偏差控制，又称反馈控制。3复合控制复合控制两种基本形式：按输入前馈补偿和按扰动前馈补偿。给定值被控制量-前馈控制控制器受控对象检测元件扰动给定值被控制量-前馈控制控制器受控对象检测元件第二节 自动控制系统的分类 自洞控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。一、 线性系统和非线性系统线性系统：由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统；非线性系统：由非线性方程所描述的系统；二、 定常系统和时变系统定常系统：系统微分方程的系数为常数。时变系统：系统微分方程的系数是时间变量的函数。三、 连续系统和离散系统连续系统：系统各部分的信号都是时间的连续函数。离散系统：系统中有一处或多处信号为时间的离散函数。四、 恒值系统、随动系统和程序控制系统恒值系统：系统的给定值为一定值。例如，电机速度控制、恒温、恒压、水位控制等。随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。如火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。程序控制系统：系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。第三节 对控制系统性能的要求一、 稳定性稳定性：如果系统受外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的，否则称为不稳定的。若系统出现等幅振荡，即处于临界稳定的状态，也视为不稳定。不稳定的系统无法正常工作。二、 快速性快速性：通过动态过程时间长短来表征。快速性表明了系统输出对输入的响应的快慢程度。 三、 准确性准确性：由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征。若系统的最终误差为零，则称为无差系统，否则称为有差系统。 怎样根据工作任务的不同，分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并兼顾其它，以全面满足要求，这正是本课程所要研究的内容。第四节自动控制理论发展简述 一.两千年前中国自动控制技术的萌芽张衡研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车(235年) 二. 随着科学技术与生产的发展，到十八世纪自动控制技术逐渐应用到现代工业中1788年他发明的蒸汽机离心调速器加速了第一次工业革命的步伐。最卓越的代表是英国人瓦特（J.Watt） 三. 十九世纪，经典控制理论逐渐形成和发展 1868年马克斯韦解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。劳斯 、赫尔维茨（18751895）r(t)t0c(t)把马克斯韦的思想扩展到更复杂的系统中，提出了著名劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据。 赫尔维茨（Hurwitz）四. 二十世纪，经典控制理论广泛应用，现代控制理论形成和发展 四十年代由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，美国贝尔实验室的奈奎斯特和伯德提出了频域内研究系统的频率响应法。伯德图-20dB/dec0+20-20dB L()cG(j)ReIm0) (c奈奎斯特曲线j0p1 p2p3 153.4 90 -63.4 （W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。 建立在劳斯稳定判据的时域法、奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典控制理论。 1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念。 将控制理论应用于工程实践，1954年出版了工程控制论。控制论之父韦纳卡尔曼钱学森 1959年创建了卡尔曼滤波理论；在控制系统的研究中首次成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。 1961年提出了极小（大）值原理。发展了最优化理论。在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。朗道庞特里亚金 20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展。近年来，在非线性系统理论、离散事件系统以及专家系统、模糊控制和人工神经网络控制等方面均有不同程度的发展。 现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。复杂飞行控制与飞行管理系统