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自动控制原理(梅晓榕)1-2.ppt

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自动控制原理(梅晓榕)1-2.ppt
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自动控制原理电子教案,柏桂珍 梅晓榕科学出版社 2005 北京,第一章自动控制概述 1.1引言,被控量:机械转速、位移,温度,压力,流量,物位,姿态,航向…… 装置:航天器,飞机,导弹,船舶,机床,机器人,化工生产过程…… 自动控制原理:自动控制的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法。 经典控制理论与现代控制理论。,1.2自动控制的初步概念,控制:使装置或过程(对象)按给定规律运行,使被控变量按给定规律变化。 系统:能完成一定任务的物体(元件)的组合。 室温控制系统元件框图控制对象:被控制的装置、物理系统或过程。 控制器:对控制对象产生控制作用的装置。 执行元件:直接改变被控变量的元件。 传感器或测量元件:检测物理量并转换成另一种量。,室温控制系统功能框图输入信号:外加变量。 输出信号:系统或元件产生的变量。 控制变量:控制器输出的信号,作用在对象上。 反馈信号: 被控量经传感器变换并返回到输入端的信号,要与输入信号比较,产生偏差信号。 指令输入、给定值:被控量的希望值。 参考输入信号:代表指令输入与反馈信号比较的基准信号。 偏差信号:参考输入信号与反馈信号之差。 扰动信号:不希望的外加信号。,1.3自动控制系统的分类 1.3.1开环控制与闭环控制,闭环控制:输出信号受到输入信号和输出信号自身(反馈信号)的作用。信号流线形成闭合回路。又称反馈控制。输出信号受偏差量控制。 优点:精度高,抗干扰能力强。 缺点:系统结构、设计和调试复杂,可能产生失控——不稳定。 开环控制:输出信号只取决与输入信号,与输出无关。 优点:系统结构和调试简单。 缺点:抗干扰能力差。,1.3.2伺服系统、定值控制系统和程序控制系统,定值控制系统:输入是固定值。 伺服系统:输入是时间的函数,变化规律常常未知。 程序控制系统:输入信号按已知规律变化。1.3.3控制系统的其它类型 线性系统与非线性系统。 计算机控制系统与模拟控制系统。 运动控制系统与过程控制系统。 定常系统与时变系统。,1.4 控制系统的组成及基本要求 1.4.1控制系统的基本组成,控制对象与控制元件 1.执行元件 直接带动控制对象和改变被控量。 2.放大元件 放大信号。前置放大器与功率放大器。 3.测量元件 检测一种物理量并按某种规律转换成另一种量。传感器,变送器,敏感元件,检测元件。 4.补偿元件(校正元件) 补充的元件。 典型功能框图,1.4.2对控制系统的基本要求,1.稳定性 受控,正常运行。最基本、最重要的要求。 2.准确性 误差小。稳态精度,稳态性能。 3.快速性与平稳性 过渡过程快速、平稳。动态性能。,第二章 系统的数学模型,描述系统中各变量关系的数学形式与方法。经典控制与现代控制理论的基础。 静态关系:对时间的导数可忽略不计。由输入可确定输出。 动态关系:对时间的导数不可忽略,由输入和初始条件共同确定输出。 动态系统数学模型的基础是微分方程。 建模方法:分析法(理论建模)和实验法(系统辨识)。 定常系统和集总参数系统。 不同的系统可能有相同的数学模型。,2.1控制系统微分方程的建立,单变量线性定常系统输出在左,输入在右,降阶排列。 列写步骤: 1)确定输出与输入量。 2)列写原始方程组,方程个数比中间变量多1。 3)消去中间变量。 4)标准化整理。,,,简单的电气系统与机械系统举例。 1.电气系统 常用关系式 例2-1-1 列写微分方程式。 解 设回路电流为中间变量。,,,,例 2-1-2 列写微分方程式。 解 运算放大器的正、反相输入端电位相同,输入电流为零。,,2.机械系统 遵循力学定律。例 2-1-3 列写系统的运动方程式。 解,,,例 2-1-4 列写系统的运动方程式。 解例 2-1-5 列写系统的运动方程。 解,,2.2 传递函数 2.2.1传递函数的定义,传递函数把输出和输入的关系表示得简单明了。,,,传递函数的定义:初始条件为零时,输出信号的拉氏变换式与输入信号的拉氏变换式之比。例 2-2-1 求例2-1-1的传递函数。 解,,,例 2-2-2 求例2-1-2的传递函数。 解例 2-2-3 求例2-1-3的传递函数。 解,,2.2.2关于传递函数的几点说明,1.传递函数的概念适用于线性定常系统,与输入信号的具体形式和大小无关。 谈到传递函数,必须指明输入量和输出量。 传递函数的概念主要适用于单输入、单输出的情况。 2.传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有完全相同的传递函数。 3.对于实际的元件和系统,传递函数是复变量s的有理分式。 传递函数的有理分式形式:,,传递函数的零极点表达式:传递函数的时间常数形式4.对于实际的物理元件和系统而言,分子多项式的阶次总是小于分母多项式的阶次。这是客观物理世界的
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