航海自动化Chp02.

1、第二章第二章 自动控制系统自动控制系统第一节第一节 自动控制系统的基本概念和组成自动控制系统的基本概念和组成 一、基本概念一、基本概念被控对象被控对象 是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。如电机、船舶程。如电机、船舶生产过程等。生产过程等。控制装置控制装置 也称控制器，是指对被控对象起控制作用的装也称控制器，是指对被控对象起控制作用的装置的总称，目的是使被控对象完成既定任务。置的总称，目的是使被控对象完成既定任务。自动控制系统自动控制系统 它是由控制装置和被控对象组成的，以某种规它是由控制装置和被控对象组成的，以某种规律或互相依赖的方式结合为一个

2、有机整体，并律或互相依赖的方式结合为一个有机整体，并使被控对象工作状态能自动控制。使被控对象工作状态能自动控制。被控量被控量 在自动控制系统中，按给定的要求要加以控制在自动控制系统中，按给定的要求要加以控制的物理量，也称的物理量，也称输出量输出量。控制量控制量 作为被控量的控制信号，而加给自动控制系统作为被控量的控制信号，而加给自动控制系统的的输入量输入量。干扰量干扰量 也称也称扰动量扰动量，在自动控制系统中，是使被控量，在自动控制系统中，是使被控量偏离期望值的不利因素。偏离期望值的不利因素。 扰动作用于系统中的扰动作用于系统中的任意部位，一般作为输出的偏差加以反映。任意部位，一般作为输出的偏

3、差加以反映。二、开环控制系统二、开环控制系统 开环控制开环控制 是指是指组成系统的控制装置与被控对象组成系统的控制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系的控制。之间，只有顺向作用而没有反向联系的控制。 开环控制系统的特点开环控制系统的特点 系统结构简单、控制容易实现等优点。当存在干系统结构简单、控制容易实现等优点。当存在干扰的情况下，控制精度低，抗干扰性能差。扰的情况下，控制精度低，抗干扰性能差。 图图1.2.1 炉温控制系统炉温控制系统电炉开环控制系统实例开环控制系统实例 洗衣机洗衣机 自动售货机自动售货机 产品自动生产线产品自动生产线 数控机床数控机床 交通指挥的红绿灯转换交通指挥

4、的红绿灯转换三、闭环控制系统三、闭环控制系统 1 1、闭环控制、闭环控制 是指控制是指控制装置与被控对象之间既装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向有顺向作用，又有反向联系的控制。联系的控制。 2 2、 控制过程大致为控制过程大致为测量测量比较比较处理处理控控制制 “检测偏差用以修正偏检测偏差用以修正偏差差”的原理叫反馈原理。的原理叫反馈原理。 图图 1.2.21.2.2电阻丝加热炉的闭环控制系统电阻丝加热炉的闭环控制系统 3、闭环控制系统的特点、闭环控制系统的特点 (1)对扰动有补偿、抵抗的能力；对扰动有补偿、抵抗的能力；(2)能用精度低的环节能用精度低的环节(或部件或部件)组成精度较高的

5、控组成精度较高的控制系统；制系统；(3)可能超调、振荡，存在稳定性问题。可能超调、振荡，存在稳定性问题。四、控制系统的基本组成四、控制系统的基本组成 1、测量环节、测量环节 它是对系统输出量它是对系统输出量(被控量被控量)进行测量的单元，进行测量的单元，必要时还起信号变换的作用。必要时还起信号变换的作用。2、比较环节、比较环节 它是用来对系统输出量与输入量进行代数运算它是用来对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号的环节，起信号综合、比较和并给出偏差信号的环节，起信号综合、比较和变换的作用。变换的作用。3、放大环节、放大环节 它被用来对微弱的偏差信号进行放大，使其输它被用来对微弱的偏差信

6、号进行放大，使其输出足够大的幅值和功率。出足够大的幅值和功率。4、执行机构、执行机构 它根据放大后的偏差信号，它根据放大后的偏差信号， 对被控对象执行对被控对象执行控制任务，使输出量和目标值趋于一致。控制任务，使输出量和目标值趋于一致。6、校正环节、校正环节 消除或减弱不利影响，改善系统的控制消除或减弱不利影响，改善系统的控制品质，使系统能正常工作。品质，使系统能正常工作。 例如船用例如船用PID自动舵，所谓自动舵，所谓PID就是指自就是指自动舵中采用的动舵中采用的PID调节器或调节器或PID控制器。控制器。 Proportional-Integral-Differential 5、被控对象、

7、被控对象 输入输入 输出输出 - 放大放大 环节环节 校正校正 环节环节 执行执行 机构机构 被控被控 对象对象 测量环节测量环节 （反馈环节）（反馈环节） ） 闭环控制系统的基本组成框图闭环控制系统的基本组成框图综合航行综合航行管理系统管理系统最佳航线最佳航线编制系统编制系统航向自动航向自动控制机构控制机构船舶船舶定位系统定位系统避航系统避航系统),(),( VC讨论：讨论：试根据航海自动化系统简图，说明系统的测量环节、执试根据航海自动化系统简图，说明系统的测量环节、执行环节、比较环节、被控对象，并简述其工作原理。行环节、比较环节、被控对象，并简述其工作原理。图图1 1 航海自动化系统简图航

8、海自动化系统简图讨论讨论: : (1) (1) 说明系统的工作原理；说明系统的工作原理； (2)(2) 画出系统的方框图，并说明被控对象、画出系统的方框图，并说明被控对象、 给定值、被控量和干扰信号是什么？给定值、被控量和干扰信号是什么？ (3)3) 比较两系统有何不同？对系统工作有何影响？比较两系统有何不同？对系统工作有何影响？图图1 1 液面自动控制系统液面自动控制系统 h0 水位（H） h - 图 3 液液面面自自动动控控制制系系统统的的原原理理框框图图 水箱 浮子 阀门 杠杆 图图 4 4 速度控制系统原理图速度控制系统原理图 第二节第二节 自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型

9、一、一、 数学模型的定义数学模型的定义例如船舶在例如船舶在作用下，作用下， 船舶回转运动微分方程船舶回转运动微分方程为为:222KVdtdJ其中其中: 船舶绕回转轴的转动惯量；船舶绕回转轴的转动惯量； 船舶回转角船舶回转角(偏航角偏航角)； 与船舶结构有关的系数；与船舶结构有关的系数； 船舶速度；船舶速度； 偏舵角。偏舵角。 JKV如果考虑船舶在大舵角作用下的运动，通常如果考虑船舶在大舵角作用下的运动，通常采用诺莫托船舶动力学模型采用诺莫托船舶动力学模型 结论一结论一 )322.()(31kbaka /1kbaa和、式中式中: 近似为常数。近似为常数。 船舶在船舶在作用下，作用下， 船舶回转运

10、动微分方程为船舶回转运动微分方程为:)112.(222KVdtdJ对于同一物理系统，在不同条件之下，可以得到对于同一物理系统，在不同条件之下，可以得到不同形式的数学模型。不同形式的数学模型。二、建立数学模型的方法二、建立数学模型的方法 建立系统的数学模型通常有两种方法建立系统的数学模型通常有两种方法: 即即分析法和试验法。分析法和试验法。 1、分析法、分析法 根据系统内部已知的规律，例如机械系统中的牛根据系统内部已知的规律，例如机械系统中的牛顿定律，电气系统中的克希霍夫定律等，直接推顿定律，电气系统中的克希霍夫定律等，直接推导出系统的数学方程。导出系统的数学方程。 如图如图1.2.3所示的所示的RLC网络中，由克希霍夫电压定网络中，由克希霍夫电压定律律(KVL)可以建立如下可以建立如下微分方程式微分方程式:因因此此vvdtdvRCdtvdLCccc22vvRidtdiLcdtdvCic又例如图例如图1. 2.41. 2.4的机械位移系统，设位移的机械位移系统，设位移x x是系统的是系统的输入输入m,m,位移位移y y是系统的输出是系统的输出mm，M M是质量是质量kgkg， F F是摩擦系数是摩擦系数N/(m/s)N/(m/s)， k k是弹簧常数。是弹簧常数。 如果设如果设fN为作用在质量为作用在质量M物体的弹簧伸长力，物体的弹簧伸长力， 则由牛顿定律可得则由牛顿定律