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下一页章目录 上一页退出 华中农业大学工程技术学院:杨 方 机电工程控制基础机电工程控制基础 学时: 40+8/2.5 考试:闭卷考试 参考书目: 1. 胡寿松主编。自动控制原理。第五版。 北京:科学出版社,2007 2. 李友善主编自动控制原理国防工业出版社 3. Morris Dries “Linear Control System Engineering” (线性控制系统 工程)北京:清华大学出版社,2005 4. C. Dorf, Robert H. Bishop. “Modern Control Systems”(现代控制 系统 第九版). 北京:清华大学出版社,2008 下一页章目录 上一页退出 机电工程控制基础课程说明 教学目标: 1. 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进 行科学分析,以找出问题本质和有效的解决方法 2. 如何控制一个机电系统,使之按预定的规律运动,以达到预 定的技术经济指标,为实现最佳控制打下基础。 控制论为理论基础,研究机电工程中广义系统 的动力学问题;同时,它又是一种方法论。学习本课 程的目的在于使学生结合工程实际,应用经典控制论 中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的 问题 教学内容: 下一页章目录 上一页退出 课程成绩确定方法: 本课程将注重过程,采用过程评价体系。成绩主要由平 时成绩、实验、考试成绩三部分组成。每项说明如下: 1.平时成绩:到课率、迟到早退情况、作业情况、回答问题 情况等 2.实验:实验准备情况及平时做实验的完成情况 3.考试:闭卷,卷面考试成绩 最终成绩的给定大约按如下公式得到: 平时成绩+实验+考试成绩 三者比重大约分别为:20%、20 % 、60% 下一页章目录 上一页退出 主要内容 第一章 控制系统导论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析 基础知识 分析方法 工程应用 下一页章目录 上一页退出 第一章第一章 控制系统导论 1.1 自动控制的基本原理:明确什么叫自动控制,正确理解被控对象 、控制装置和自控系统等概念。了解自动控制理论发展的主要阶段。 1.2 自动控制系统示例: 1.3 控制系统的分类:明确系统常用的分类方式,掌握各类别的含义 和信息特征 1.4 对控制系统的基本要求:明确对自控系统的基本要求,正确理 解三大性能指标的含义。 1.5 自动控制系统的分析与设计工具 下一页章目录 上一页退出 1.1 1.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念 v 自动控制:自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加 的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象) 的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。 v 自动控制系统:将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来, 组成一个有机总体。 v 自动控制理论:研究自动控制共同规律的技术科学。 v 控制系统分析:已知系统的结构参数,分析系统的稳定性,求取系统的动 态、静态性能指标,并据此评价系统的过程称为控制系统分析。 v 控制系统设计(或综合):根据控制对象和给定系统的性能指标,合理的 确定控制装置的结构参数,称为控制系统设计。 下一页章目录 上一页退出 二、自动控制理论的发展阶段及其特点二、自动控制理论的发展阶段及其特点 1 经典控制理论 2现代控制理论 研究范围:单输入-单输出 研究范围:多输入-多输出系统 线性定常系统 研究问题:稳定性、快速性、 研究问题:稳定性、快速性、 准确性、最优控制 准确性 研究方法:状态空间分析法 研究方法:时域分析法 (时域) 根轨迹法 工具: 状态方程 频域分析法 数学基础: 微分方程 工具: 传递函数 线性代数 数学基础:常微分方程 概率论与数理统计 复变函数 泛函分析 3 智能控制理论 研究基础:控制论、信息论、仿生学 下一页章目录 上一页退出 三、反馈控制原理三、反馈控制原理 反馈:把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的 过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越 小,则称为负反馈;反之,则称为正反馈。 反馈控制:就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程, 又称偏差控制。同时,由于有反馈的存在,整个控制过 程是闭合的,故也称为闭环控制。 眼睛脑手 输入量 (书的位置) 输出量 (手的位置) 眼睛 下一页章目录 上一页退出 被控量:指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。 被控量又称输出量、输出信号 。 给定值:系统输出量应达到的数值(例如与要求的炉温对应的电压)。 人在控制过程中起三个作用: (1)观测:用眼睛去观测手的位置; (2)比较与决策:人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较, 并进行判断,根据给定的控制规律给出控制量; (3)执行:根据控制量控制手臂移动。 工程实践中,这些设备依其功能分别称为测量元件、比较元件和执行 元件,并统称为控制装置。 下一页章目录 上一页退出 u0 ? u -K FDCFKZ TG uk ua ut n Ia SM 系统示例:系统示例: 龙门刨床速度控制系统原理图龙门刨床速度控制系统原理图 工作原理:负载 速度 ut u uk ua 速度 龙门刨床速度控制系统方块图龙门刨床速度控制系统方块图 n:被控量;u0:给定量;ua:控制量;ut:反馈量;u:偏差量 下一页章目录 上一页退出 v方块图的概念 方框 控制装置和被控对象分别用方框表示 信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号 线表示 输入信号 进入方框的信号 输出信号 离开方框的信号 系统的输出量 被控对象的输出量,即被控量,最右端 系统的输入量 系统方块图的最左端 信号线 方框 信号线 输入信号输出信号 下一页章目录 上一页退出 四、反馈控制系统的基本组成四、反馈控制系统的基本组成 各元件的作用 测量元件:检测被控制的物理量(传感器、测速发电机等)。 给定元件:给出与期望的被控量相对应的系统输入量(参据量)。 比较元件:将测量元件检测的被控量与给定元件给出的期望值比较,求出其偏差。 放大元件:偏差信号放大,推动执行元件。 执行元件:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。 校正元件(补偿元件):产生控制作用的元件(电子电路或计算机)。 其结构或参数便于调整,以改善系统的性能。 下一页章目录 上一页退出 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成 符号与术语: :比较元件:是测量元件与给定量进行比较; :表示负反馈; :表示正反馈; 前向通道:从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路; 反馈通路:从输出端到输入端的传输通道; 主回路: 内回路: 扰动量:系统不希望有的外作用,破坏有用输入对系统的控制。 下一页章目录 上一页退出 五、自动控制系统的基本控制方式五、自动控制系统的基本控制方式 1 1、反馈控制方式、反馈控制方式 反馈控制方式是指系统的被控制量(输出量)与控制作用 之间存在着负反馈的控制方式。 优点:具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系 统 误差(偏差)的能力,因而有效地提高了系统的精度 。 缺点:系统参数应适当选择,否则可能不能正常工作。 下一页章目录 上一页退出 2 2、开环控制方式、开环控制方式 开环控制方式是指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过程。采用开环控制方式的系 统称为开环控制系统。 优点:结构简单,成本低廉,易于实现,适用于精度要 不高的场合 缺点:对扰动没有抑制能力,控制精度低 下一页章目录 上一页退出 龙门 刨床速度开环控制系统原理图 按给定量开环控制系统方框图 按扰动开环控制系统方框图 下一页章目录 上一页退出 复合控制方式:将反馈控制和扰动控制相结合称复合控制方式。 3 3、复合控制方式、复合控制方式 优点:具有很高的控制精度,可以抑制几乎所有的可量测扰动 缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性 电压 放大器 功率放大器 电动机 电压 放大器 测速发电机 uo - 负反馈 n Mc 电阻R 顺馈 下一页章目录 上一页退出 下一页章目录 上一页退出 分析自动控制系统,指出输入量,输出量,控制方式? 画出其功能框图? 1.2 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例 术语:被控对象,输入量(设定量), 输出量(被控量),反馈量, 偏差量,前向通道,反馈通道, 理想输出,实际输出 下一页章目录 上一页退出 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按控制方式分类:(1)开环控制;(2)反馈控制;(3)复合控制 按给定量的变化规律分类 恒值系统:给定量(参据量)不变,要求被控量维持某个特定 的值。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响,使被 控制量(即系统的输出量)保持在给定或希望的数值上。 随动系统:给定量(参据量)是预先未知的随时间任意变化的 函数,要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。(跟 踪系统)跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。 程序控制系统:参据量是按预定规律随时间变化的函数,要求 被控量迅速、准确地加以复现。 下一页章目录 上一页退出 连续系统和离散系统(按照系统内信号的 传递形式分类) 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模 拟量传递的系统。 如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码 形式传递的系统则称为离散系统。离散系统要用差分方 程描述。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生 ,也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列,这类控制 系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计 算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计 算机控制系统。 下一页章目录 上一页退出 线性系统和非线性系统(按照组成系统的元 件特性分类) 线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的 系统。其动态性能可用线性微分方程描述,系统满足叠 加原理。 在动态研究中,如果系统在多个输入作用下的 输出等于各输入单独作用下的输出和(可加性 ),并且当输入增大倍数时,输出相应增大同 样的倍数(均匀性),就满足叠加原理,因而 系统可以看成线性系统 下一页章目录 上一页退出 线性定常系统 如果描述一个线性系统的微分方程的系数为常数,那么称 系统为线性定常系统。 如 线性时变系统 如果描述一个线性系统的微分方程的系数为时间的 函数,那么称系统为线性时变系统。 如 下一页章目录 上一页退出 非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系 统。其只能用非线性微分(或差分)方程描述,不满足 叠加原理。 因此非线性系统对两个输入量的响应不能单独进行计算,因此系统分 析将比较困难,很难找到一般通用方法。但
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