自动控制原理 教案 项目1 自动控制系统概述

项目名称项目一自动控制系统概述教学内容自动控制的基本原理及其主要任务；自动控制理论发展的三个不同阶段。自动控制系统的基本组成；常见的自动控制系统结构方式有开环控制系统和闭环控制系统。自动控制系统常见的分类有定值控制系统和随动控制系统、线性系统和非线性系统、单变量系统和多变量系统、定常系统和时变系统、连续系统和离散系统；对自动控制系统性能的基本要求是稳定性、准确性和快速性。授课时间授课学时教学目标学习目标1.理解自动控制的概念，了解自动控制理论的发展史。2.掌握自动控制系统的基本组成。3.掌握自动控制系统的分类与对控制系统性能的基本要求。技能目标1.能够区分自动控制系统的类别。2.具备分析简单自动控制系统控制过程的能力。素养目标1.学习自动控制的基础知识，培养学生的创新意识和明确科技服务于生活的人文精神。2.培养辩证思维能力，教导学生具备正确的人生观和价值观，并树立正确的历史观。学情分析通过对本项目的学习，了解自动控制的基本原理及主要任务；自动控制理论发展的三个不同阶段。掌握自动控制系统的基本组成及常见的自动控制系统结构方式有开环控制系统和闭环控制系统。理解自动控制系统常见的分类有定值控制系统和随动控制系统、线性系统和非线性系统、单变量系统和多变量系统、定常系统和时变系统、连续系统和离散系统；掌握对自动控制系统性能的基本要求是稳定性、准确性和快速性。教学方法学生通过课前预习、查阅相关资料，课堂上紧跟着老师的思路，做好随堂笔记，对老师所讲的内容要理解，课后要勤加练习、反思总结等方法进行本章节的学习。学生可以通过电脑根据在课堂上所学习的内容，反复的操作实践验证；实训课上要加强训练，同学之间要相互讨论。教学媒介教材、配套的PPT课件、多媒体教案等 教学过程教学环节教学内容教学引入进入信息化社会以后，自动控制理论和技术已经成为信息化社会不可缺少的组成部分，并在机械、冶金、石油、电力、航空、航天、核反应堆等学科领域得到广泛应用。近年来，控制学科的应用范围还扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济管理等许多社会领域，并为各学科之间的相互渗透起到促进作用。自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。学习和研究自动控制理论是为了探索自动控制系统中变量的运动规律，以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建设高性能的自动控制系统提供必要的理论依据。教授新知一、明确教学目标二、教学内容“自动控制系统概述”任务一自动控制的基本原理及其理论的发展史一、自动控制的基本原理在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控对象的被控量按给定值或给定信号的变化规律去变化，则称为自动控制。被控对象是指被控制的机器设备；被控量是指表征其工况的关键参数；给定值(或为输入量、参考输入)是指对这些工况参数所希望达到的值。控制任务可抽象为使被控对象的被控量按给定值变化。在控制装置运行中，若被控量以时间函数c(t)表示，给定值以r(t)表示，则自动控制的任务是使被控对象满足：c(t)≈r(t)。由被控对象和控制器按一定方式连接起来，并完成一定自动控制任务的总体称为自动控制系统。其主要任务是对自动控制系统的性能进行分析和设计。水位自动控制系统可参考书中【例1-2】。二、自动控制理论的发展史自动控制理论的发展大体上分为三个不同的阶段。1.经典控制理论阶段(20世纪50年代末期以前)2.现代控制理论阶段(50年代末期至70年代初期)3.大系统与智能控制系统理论阶段(70年代初期至现在)任务二自动控制系统的基本组成与结构一、自动控制系统的基本组成任何一个自动控制系统都是由被控对象和控制装置构成的。自动控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以有各种不同的结构形式。自动控制系统的基本框图如下图。图中用方框代表系统中具有相应职能的元件，用箭头表示元件之间的信号及其传递方向。通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。方框图中用符号“EQ\o\ac(○,X)”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。控制器、检测元件和执行机构这些功能元件分别承担相应的职能，从而共同完成控制任务。自动控制系统中的常用术语如下表。名称含义给定值要求被控量所应保持的数值，也称输入量或参考输入控制器外加的设备或装置，主要用于将给定信号与测量信号进行比较，并经过某种运算产生控制信号执行机构接收控制器的输出信号，根据该信号直接对被控对象进行操作，以调节被控量被控对象生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。被控量表征被控对象工作状态的、需要进行控制的物理参量，也称输出量检测元件用于检测被控量，产生反馈信号干扰量系统不希望的外作用，也称扰动输入反馈量由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分，也有正反馈和负反馈之分偏差给定值与反馈信号之差二、自动控制系统的结构自动控制系统根据其结构不同，可分为开环控制系统和闭环控制系统。某些情况下，二者可相结合构成复合控制系统。1.开环控制系统系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间只有信号的前向通道，而不存在由输出端到输入端的反馈通道。直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统，如下图。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载工作。开环控制系统的优点是结构比较简单，成本较低。缺点是控制精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。2.闭环控制系统闭环控制系统又称反馈控制系统，它是通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统。在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路进行改变，便可构成直流电动机转速闭环控制系统，如下图。闭环控制系统的优点是不论是输入信号的变化，还是干扰的影响，或者是系统内部的变化，只要被控量偏离了规定值，系统都会产生相应的作用去消除偏差。其缺点是，由于采用反馈装置需要添加元件，因此造价较高，同时也增加了系统的复杂性；如果系统的结构参数选取不适当，则控制过程可能变得很差，甚至出现振荡或发散等不稳定的情况。3.复合控制系统反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对被控对象产生影响之后才能做出相应的控制。前馈补偿控制是指在测量出外部作用的基础上，形成与外部作用相反的控制量。前馈补偿控制与反馈控制相结合，就构成了复合控制，它可以有效提高系统的控制精度。复合控制有两种基本形式:按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补偿的复合控制。任务三自动控制系统的分类及其性能的基本要求一、自动控制系统的分类1.定值控制系统和随动控制系统2.线性系统和非线性系统3.单变量系统和多变量系统4.定常系统和时变系统5.连续系统和离散系统二、对自动控制系统性能的基本要求理想情况下，被控量c(t)和给定值r(t)时时相等，运行中完全不受外界干扰，没有误差。而实际上，由于系统中质量、惯量、阻尼及电路中储能元件的存在，或者由于能源的功率限制，一些运动元件的加速度不会太大，速度和位移不可能突变，而要经历一个渐变的过程。通常将系统输入量(给定值或干扰)变化时，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应c(t)由过渡过程和稳态过程组成。因此，系统控制性能的优劣，可以从动态过程c(t)对r(t)的比较中充分、直观地显示出来。对于已知系统结构和参数的各类系统，在某种典型输入信号下，对其被控量变化的全过程提出的基本要求都是一样的，可以归纳为稳定性、准确性和快速性，即稳、准、快。1.稳定性稳是指系统动态过程的稳定性。稳有两层含义:稳定和平稳。稳定是指系统重新恢复平衡状态的能力。稳定是对自动控制系统的最基本要求。平稳是指系统由初始状态运动到新的平衡状态时，具有较小的过调和振荡性，即系统振荡的幅度和频率都不能过大。2.准确性准是指动态过程的准确性，是对系统稳态(静态)性能的要求。对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标。准则误差小，控制精度高。3.快速性快是指动态过程的快速性。它表明系统输出对输入响应的快慢程度，可通过动态过程时间长短来表征快速性优劣，时间越短说明系统快速性越好，反之则快速性越差。课堂小结本项目主要讲述了以下内容。1.自动控制的基本原理及其主要任务；自动控制理论发展的经典控制理论阶段、现