机械控制工程基础教学教案63.docx
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1、第1章绪论(1)章节名称第1章绪论1.1 自动控制技术与理论概述1.2 自动控制理论发展历程1.3 控制系统的分类1.4 闭环控制系统1.5 控制系统的基本组成1.6 控制系统的基本要求教学学时3学时教学要求1、了解控制理论的发展历程;2、掌握闭环控制系统的基本概念;教学难点闭环反馈控制原理教学内容1.1 自动控制技术与理论概述控制理论主要研究系统及其输入量、输出量三者之间的动态关系,围绕三者之间的动态关系,研究的主要问题如下:(1)当系统已经确定,并且已知输入时,求系统的输出,并通过系统的输出研究系统本身存在的问题,这是系统分析过程;(2)当系统已经确定,并且已知输出时,求系统的输入,满足输
2、出达到最佳控制需求,或输出达到期望值这个要求,这是系统的最优控制;(3)当已知系统的输入和输出时,确定系统的结构或参数,这是系统辨识;(4)当已知系统的输入和输出时,确定系统,以满足输出达到最佳控制要求,这是最优设计;(5)当系统已经确定,并且已知输出时,识别系统输入的相关信息,这是系统的滤波或预测。1.2 自动控制理论发展历程1.3 .1经典控制理论的形成1、经典控制理论体系的形成自控控制技术在工业中得到应用是第一次工业革命的产物。以蒸汽动力驱动机械设备带动工业走向自动化的初级阶段,然而调速系统运行时出现的振荡问题唤起许多学者开启了对自动控制理论的探索和研究。2、经典控制理论诞生的标志在控制
3、理论发展的历史上,有两部著作对经典控制理论的贡献非常大。1948年,美国数学家,被世人称为“控制论之父”的诺伯特.维纳(NAViener)发表了专著控制论-关于在动物或机器中控制或通讯的科学,标志着控制理论作为一门新兴学科的诞生。1954年,我国两院院士,被誉为“中国航天之父”的杰出的科学家钱学森,在美国发表了专著工程控制论。该书跨越了自然科学领域,进入到系统科学的范畴。工程控制论系统地阐述了控制论与工程相结合的理论与实践,揭示了控制论对自动化、航空航天、电子通信等工程技术领域的意义和深远影响,标志着控制论学科的第一个分支”工程控制论”的诞生。1. 2.2控制理论的三个发展阶段20世纪40年代
4、至50年代为第一阶段,经典控制理论:20世纪50年代末期至70年代初期为第二阶段,现代控制理论;20世纪70年代初期至现在为第三阶段,大系统理论与智能控制理论。L3控制系统的分类按照信号传递的形式可以分为连续控制系统与离散控制系统:按照系统是否满足里加原理可以分为线性控制系统与非线性控制系统;按照给定信号的特征可以分为恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统:按照有无反馈可以分为开环控制系统与闭环控制系统。当然,控制系统还有其他分类方法。比如:按照组成系统的元器件和工作原理可以分为机电控制系统、液压控制系统、气动控制系统等;按照系统的功能可以分为位置控制系统、速度控制系统、温度控制系统等。1.
5、4闭环控制系统1.4.1 反馈控制反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端,并与输入信号共同作用于系统的过程。反馈分为负反馈和正反馈。1.4.2 闭环控制系统工作原理结合水箱液位自动控制系统,工作原理可以总结如下:(1)检测实际输出量;(2)比较实际输出量5给定输入量得到偏差:(3)用偏差产生控制作用消除输出端的误差。(a)水箱液位自动控制系统原理图(b)系统方框图图1水箱液位自动控制系统1.5 控制系统的基本组成控制系统的组成元件包括:给定元件,反馈元件,比较元件,放大元件,执行元件,校正元件,被控对象等。1.5.2控制系统的信号作用于控制系统的信号包括:输入信号(给定输入或输入量
6、),输出信号(输出量或被控量),偏差,误差,扰动信号(干扰)。1.6 控制系统的基本要求对控制系统的基本要求概括为:稳定性,快速性和准确性。稳定性是指系统在受到干扰时输出量的振荡倾向以及在干扰消除后系统能否恢复到平衡状态的能力。如果系统能够恢复到平衡状态,则系统是稳定的,如果系统不能恢复到平衡状态,则系统是不稳定的。快速性是指当系统的输出量与期望值之间产生偏差时,系统消除这种偏差的快慢程度。快速性反映了系统快速复现输入信号的能力。准确性是衡量控制系统控制精度的重要指标,一般用稳态误差来评价,即当系统动态响应过程结束进入稳态时,输出实际值与期望值之间的偏差,1.7控制理论在工程领域中的应用实例(
7、1)蒸汽机离心调速系统(2)匀速转台控制系统(3)工业机器人自动装配系统本课总结1、自动控制理论的发展经历了三个阶段,经典控制理论,现代控制理论,大系统理论与智能控制理论。经典控制理论以传递函数作为主要的数学模型,研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律;现代控制理论以状态空间方程作为主要的数学模型,研究多输入和多输出的非线性时变系统的般规律。2、控制系统按照不同的分类标准有不同的分类,可以分为连续控制系统与离散控制系统,线性控制系统与非线性控制系统,恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统,开环控制系统与闭环控制系统等。4 .闭环控制系统是基于反馈控制原理工作的。所谓反馈是指将系统的输出全
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