自控第一章教案1.docx

1、自控第一章教案1平顶山学院教案 2014 2015 学年 第 1 学期 承担系部 电气与机械工程学院 课程名称 自动控制原理 授课对象 授课教师 职 称 教材版本 高教出版社版自动控制原理 参 考 书 胡寿松版自动控制原理简明教程 年 月 日 【授课时间】【授课形式】多媒体【授课地点】【授课时数】2【授课题目】自动控制的一般概念【教学目标】：1了解自动控制系统的工作原理、分类和特点。2掌握负反馈在自动控制系统中的作用。3掌握自动控制系统的组成和各部分的作用。4根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量正确画出系统的方框图。5了解对控制系统的要求。【教学重难点】：1 闭环系统（或反

2、馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。2 典型闭环系统的功能框图。3. 由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。【教学内容】： 1-1 自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。即。1.1.1、自动控制技术及其应用二十世纪中叶以来，随着科技的发展，自动控制技术的作用越来越重要。无论是人们的日常生活、工业生产，还是空间探索、导弹制导等尖端科技领域中，

3、自动控制技术无所不在、无所不能。自动控制理论和技术已经渗透到社会、经济和科学研究的各个方面所谓的自动控制是指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控制对象或过程自动地按照预定的要求运行。在生产和科学的发展过程中，自动控制起着重要的作用。目前，自动控制广泛地应用于现代的工业、农业、国防和科学技术领域中。可以这样说，一个国家在自动控制方面的水平，是衡量它的生产技术和科学技术水平先进与否的一项重要标志。1.自动控制涉及的范围很广：1）军事领域中导弹命中目标、飞机驾驶系统2）航天技术方面登月计划，航天飞机：宇宙飞船准确在月球上着陆并能重返地球。人造卫星按预定轨迹运行并返回地面。3）工业生产过程中对压力

4、、温度、湿度、流量、频率及原料、燃料成分比例等方面的控制，全自动生产线。4）现代农业生产中温室自动温控系统，自动灌溉系统。虽然我们将要涉及到的全部是自动控制的工程应用方面，但它的概念已经扩大到其它领域，如经济、政治等领域。 生产的自动化，管理的科学化，大大地改善了劳动条件，增加了产量，提高了产品质量。近十几年来，由于计算机的广泛应用，使自动控制理论更加迅速向前发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂，水平大大地提高。电子技术的飞速发展，计算机技术的迅猛发展，犹如为自动控制技术安上两只翅膀，自动控制技术将在愈来愈多的领域发挥愈来愈重要的作用。因此，各个领域的工程技术人员和科学工作者，都必须具

5、备一定的自动控制知识。5）经济与社会生活的其他领域导航控制系统使汽车自动保持在设定车速，刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑，在大型办公楼或旅馆，电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客，空调自动温控系统。一个现代化的居室内，温度由温度调节装置自动控制。举例水位自动控制系统，说明自动控制以及自动控制系统的概念。控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；被控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位高度；给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定。引申自动控制定义：自动控制即没有人直接参与的

6、控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。1-自动控制的基本方式自动控制方框图在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。自动控制系统方框图常用术语：测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件用来比较输入信号与反馈信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件按某

7、种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。给定量(输入量)：系统输出量的要求值。被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量。反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定量有相同量纲和数量级的信号。偏差量：给定量与主反馈量之差。控制量：作用于被控对象的信号。扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量。参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制一、按给定值操

8、纵的开环控制 开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。按给定值操纵的开环控制系统原理方框图炉温控制系统炉温控制系统原理方框图按给定值操纵的开环控制特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。二、按干扰补偿的开环控制 定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。按扰动补偿的系统原理方框图特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰

9、且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图三、按偏差调节的闭环控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。按偏差调节的系统原理方框图如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。例 转台速度控制系统 控制任

10、务：保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象：转台。被控量：转台转速。 转台速度闭环控制系统原理方框图图中元素：（1）：元件（2）：信号（物理量）及传递方向（3）：比较点（信号叠加）（4）：引出点（分支、信号强度） （5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）四、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿1-3对控制系统的性能要求 定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统

11、。 稳： 指控制系统的稳定性与平稳性。 快： 指控制系统的快速性。 准： 指控制系统的最终精度（稳态精度）。稳： 指控制系统的稳定性与平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。快： 指控制系统的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态

12、的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。1.4 自动控制系统分类1.4.1按系统的数学模型分1 线性系统：用线性方程描述的系统。 性质：1）组成系统的所有元件都是线性元件；2）具有齐次性和叠加性。特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式： （1）式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量2 非线性系统：用非线性方程描述的系统。 性质：1）系统中只要有一个非线性元件就是非线 性系统。 2）不满足叠加原理。具体地讲，只要系统中存在一个或一个以上的非线性

13、元件，那么，这个系统就是非线性系统。非线性系统用非线性方程来表示。 可以将非线性特性分为两大类，即非本质非线性和本质非线性。 1）非本质非线性：对于某一类非线性特性，在某一区域内可以近似为线性关系，而在大范围工作区域时，这种近似的线性关系就不存在了。 2）本质非线性：对于任意大小的输入信号，均呈现非线性特性的这类非线性特性。 典型的本质非线性如下： 非本质非线性系统可以通过对非本质非线性在工作点附近进行线性化处理而得到线性化后的系统数学模型，仍可按线性系统的理论进行分析和设计。而本质非线性特性，只能按照非线性系统的方法进行分析和设计。1.4.2按信号传递的连续性划分 （1）连续系统 这类系统中

14、的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。 （2）离散系统 系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数字信号时，该系统就是离散系统。这类系统常用差分方程来表示。离散系统实现上是将连续信号经过采样后离散化为脉冲或数字信号后送入计算机进行分析、处理、决策后，形成脉冲或数字式控制信号，并还原为相应的模拟量控制信号对被控对象实现控制。1.3.4.按系统的输入/输出信号的数量分类 （1）单变量系统（SISO） 所谓单变量系统是指系统只有一个输入和一个输出，它只注重系统的外部输入和输出，而不关心系统内部的状态变化，所以单输入单输出系统可以把系统看成为一个黑匣子。 经典控制理论研究的对象主

15、要是单输入单输出的线性定常系统。 （2）多变量系统（MIMO） 所谓多变量系统是指系统有多个输入或单个输出或多个输出，它不仅仅注重系统的输入和输出变量，还更多地关心系统结构内部各状态变量的变化和个状态变量之间的耦合关系。 多变量系统是现代控制理论研究的主要对象，在数学上以状态空间变量法和矩阵理论为主要研究工具。自动控制系统分类方法总结。1. 2. 3. 4 1.5 典型外作用1. 阶跃信号（Step Function） 阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易。 实际中，电源的突然接通、负载的突变等均可近似看作阶跃信号。 在时域分析中， 阶跃信号用得最为广泛。 2. 斜坡信号（Ramp Functi

16、on） 斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。 当R=1时为单位斜坡信号：r(t)=t3. 抛物线信号（Parabolic Function） 抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。 当R=1时为单位抛物线信号： 4. 脉冲信号（Pulse Function）当R=1，0时称为单位脉冲(t) 5. 正弦信号（Sine Function）振幅：K周期： 角频率： 频率：f初相： 正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。（6） 谐波信号 （7） 指数信号课后作业：无。课后小结： 教学过程：作为新学期开学第一课，对同学们进行简单入学教育。其次讲解自动控制原理课程在电气工程及其自动化专业人才培养过程中的作用以及地位，讲明课程到课纪律，成绩考核方式。最后进行课程讲解。授课主要内容：1自动控制在各领域的应用 2自动控制定义：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）的某些物理量自动地按预先给定的规律去运行。 3自动控制系统的组成及基本框图等 4自动控制系统的控制方式 5. 自动控制系统的分类6对控制系统的要求 教学方法：通过课堂授课讲解几个典型例题使学生对概念能够理解，建立负反馈概念，并举一些生活例子来说明。