1-2自动控制系统举例
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第一章自动控制的基本知识⏹ 1.1自动控制的一般概念⏹ 1.2自动控制系统的组成⏹ 1.3自动控制系统的类型⏹ 1.4 对控制系统性能的要求1.1.1自动控制技术⏹自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。
自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化,提高了生产效率和产品质量,尤其在人类不能直接参与工作的场合,就更离不开自动控制技术了。
自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。
1.1.2自动控制理论的发展过程⏹1945年之前,属于控制理论的萌芽期。
⏹1945年,美国人伯德(Bode)的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础,至此进入经典控制理论时期,此时已形成完整的自动控制理论体系。
⏹二十世纪六十年代初。
用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”(卡尔曼Kalman)奠定了现代控制理论的基础。
现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统,高精度复杂系统的控制问题,主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法,提出了最优控制等问题。
⏹七十年代以后,各学科相互渗透,要分析的系统越来越大,越来越复杂,自动控制理论继续发展,进入了大系统和智能控制时期。
例如智能机器人的出现,就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。
1.2自动控制系统的组成1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论⏹图中为放水阀,为进水阀,水箱希望的液位高度为。
当放水使得水箱液位降低而被人眼看到,人就会打开进水阀,随着液位的上升,人用大脑比较并判断水箱液位达到时,就会关掉。
若判断进水使得实际液位略高于,则需要打开放水而保证液位高度。
⏹在这个过程中,人参与了以下三个方面的工作:⏹用眼睛观察到实际液面的下降(实际液面高度);⏹用大脑将实际液面与要求液面高度进行比较(与产生偏差);⏹根据比较的结果(与偏差的正负),用手操作阀的开启或闭合。
自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。
通过本课程的学习,使学生掌握自动控制的基础理论,并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力,学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法,如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律,介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法,内容十分丰富。
通过自动控制理论的教学,应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法,以便将来胜任实际工作,具有从事相关工程和技术工作的基本素质,同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。
二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法,初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法,以串联校正为主的根轨迹综合法,掌握常用校正装置及其作用。
熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析,初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念,能利用根轨迹对系统性能进行分析,熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。
频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据,了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念,以及频率特性与系统性能的关系。
基本校正方式和反馈校正的作用,掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。
三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求:掌握自动控制系统组成结构和基本要素,理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求,了解一些实际自动控制系统的控制原理。
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下,利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制,使被控制的物理量保持恒定,或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中,被控制的设备或过程称为被控对象或对象;被控制的物理量称为被控量或输出量;决定被控量的物理量称为控制量或给定量;妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下,系统有两种外作用信号:一是有效输入信号(以下简称输入信号),二是有害干扰信号(以下简称干扰信号)。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值,并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号,它不但可以作用于系统的任何部位,而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制,严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式:开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系,系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量,也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较,控制装置与被控对象之间只有顺向作用,没有反向联系。
电加热系统的控制目标是,通过改变自耦变压器滑动端的位置,来改变电阻炉的温度,并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉,被控量是电阻炉的温度,所以该系统可称为温度控制系统,如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单,稳定性好,调试方便,成本低。
分组:成绩:__ _______北京航空航天大学自动控制原理实验报告实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试学院专业方向班级学号学生姓名指导教师2014年11月目录一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验原理 (1)四、实验设备 (2)五、实验步骤 (2)六、实验数据 (3)1.一阶系统实验数据及图形 (3)2.二阶系统实验数据及图形 (4)七、结论和误差分析 (6)结论: (6)误差分析: (7)八、收获与体会 (7)附录 (7)实验时间2014.11.1 同组同学 无一、实验目的1.了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2.学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3.学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容1.建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T 时的阶跃响应曲线,并测定其过渡过程时间Ts 。
2.建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的阶跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间Ts 。
三、实验原理1.一阶系统实验原理系统传递函数为:()()()1C S Ks R S TS φ==+模拟运算电路如图1所示:图1212R R Uo(s)K ==Ui(s)CSR +1Ts+1在实验中始终取R2=R1,则K=1,T=R2*C 取不同的时间常数T ,T=0.25s ,T=0.5s ,T=1s记录不同的时间常数下阶跃响应曲线,测量并记录其过渡时间Ts (Ts=3T )2.二阶系统实验原理 其传递函数为:222()()()(2)n n n C S S R S S S ωζωωΦ==++令1n ω=弧度/秒,二阶系统模拟线路下图2所示:图2取R2*C1=1,R3*C2=1,则R4/R3=R4*C2=1/(2*ζ)及ζ=1/(2*R4*C2)理论值:3(0.05)s nt ζω≈∆=,%σ100%e =⨯四、实验设备1. HHMN-1 型电子模拟机一台2. PC 机一台3. 数字式万用表一块。
自动控制原理的应用举例1. 简介自动控制是指通过控制器和执行器等设备实现对系统或过程的自动化调节和控制的技术。
它在工业生产、交通系统、家庭智能化等各个领域都有广泛应用。
本文将以几个实际例子来说明自动控制原理的应用。
2. 自动智能家居系统2.1 家庭智能化概述随着科技的进步,家庭智能化系统得到了广泛应用。
自动控制原理在家庭智能化系统中起到至关重要的作用。
通过传感器和执行器的配合,实现对家庭环境的智能感知与控制,提高家庭的舒适度和安全性。
2.2 例子:智能灯光系统智能灯光系统可以根据环境亮度和人员活动情况自动调整灯光的亮度和颜色,以提供最佳的照明效果。
系统中的光传感器会感知环境亮度,而红外传感器则可以感知人员的活动。
通过控制灯光控制器调节灯光的亮度和颜色,实现自动化的灯光控制。
2.3 例子:智能温度调节系统智能温度调节系统可以根据室内外温度的变化自动调节空调或暖气的温度,以提供舒适的室内环境。
系统中的温度传感器会感知室内外温度,并将信息传送给温度控制器。
温度控制器根据设定的温度范围和实际温度情况,自动调整空调或暖气的运行状态,实现室温的智能调节。
3. 自动化生产线3.1 生产线自动化概述在工业生产中,自动化生产线被广泛应用,通过自动控制技术实现对生产过程的自动化管理,提高生产效率和产品质量。
3.2 例子:汽车制造自动化汽车制造中的自动化生产线是一个典型例子。
在汽车制造过程中,通过各种传感器和自动控制装置,实现对汽车组装、焊接、喷涂等过程的自动化控制。
这样可以提高生产效率、降低人工成本,并能保证生产的一致性和质量。
3.3 例子:食品加工自动化食品加工行业也广泛应用自动化技术。
在食品加工生产线上,通过自动控制装置和传感器实现对食品的加工、包装、质检等环节的自动化控制。
这不仅提高了生产效率和产品质量,还确保了食品的安全性和一致性。
4. 自动驾驶技术4.1 自动驾驶概述自动驾驶技术是应用自动控制原理在交通运输领域的一个重要应用。
1-2自动控制系统举例
一、 位置随动系统
在飞行器的仪表中,为了将陀螺(或其它测量
元件)测得的姿态角的数据,传递到比较远的地方
(如驾驶室的仪表板上),就要进行转角的远距离传
送,可以利用图1-7所示随动系统来实现上述要
求。
该系统的任务就是保持输出轴始终紧紧跟踪
输入轴变化,又由于输入轴位置是未知的时间函
数,所以该系统是一个位置随动系统。
系统的工作原理如下:利用两个电位器1R 和2R 分别把输入轴和输出轴的转角r θ和c θ变成相应的电压,然后把这两个电压反向串联(相减)即得与角度偏差r c εθθθ=-成比例的电压u ε,该电压经过放大器放大后加到电动机上,电动机的轴经减速器和输出轴相联,并且同时带动电位器2R 的电刷移动,如c r θθ≠,则0u ε≠,放大后的电压u
驱动电动机转动,转动方向最终应使c θ向
r θ接近,使εθ减小。
最后,两者取得一致,
c r θθ=,则0u ε=,电机停止转动,系统
进入平衡状态(假定元件没有死区)。
这样,
就保证了输出轴紧紧地跟随着输入轴的变
化。
二、 函数记录仪
函数记录仪是一种自动记录电压信号
的设备,其原理图如图1-8所示,其中记录笔与电位器m R 的电刷机械连接。
因此,由电位器0R 和m R 组成桥式线路的输出电压p u 与记录笔位移是成正比的。
当有输入信号r u 时,在放大器输出端得到偏差电压r p u u u ε=-,经放大器放大后驱动伺服电动机,并通过减速器及绳轮带动记录笔移动,使偏差电压减小至p r u u =时,电动机停止转动。
这时记录笔的位移L 就代表了输入信号的大小。
若输入信号随时间连续变化,则记录笔便跟随并描绘出信号随时间变化的曲线。
函数记录仪控制系统方框图如图1-9所示。
函数记录仪系统的任务是控制记录笔正确记录输入的电压信号。
而输入信号的变化规律可以是时间的未知函数,因此,这种控制系统也是一个随动系统。
三、速度控制系统
图1-10表示出蒸汽机上瓦特调速器的基本原理。
进入蒸汽缸中的蒸汽量,可根据蒸汽机的希望转速与
实际转速的差值自动地进行调整。
它的工作原理是:
根据希望的转速,设置输入量(控制量)。
如果实际转速
降低到希望的转速值以下,则调速器的离心力下降,
从而使控制阀上升,进入蒸汽机的蒸汽量增加,于是
蒸汽机转速随之增加,直至上升到希望的转速值时为
止。
反之,若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值,
调速器的离心力便会增加,造成控制阀向下移动。
这
样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量,蒸汽机的转速也就
随之下降,直到下降至希望的转速时为止。
四、数控机床系统
数控机床系统方框图如图1-11所示,根据对工件P的加工要求,事先编制出控制程序,作为系统的输入量送入计算机。
与工具架连接在一起的传感器,将刀具的位置信息变换为电压信号,再经过模-数转换器变为数字信号,并作为反馈信号送入计算机。
计算机将输入信号与反馈信号比较,得到偏差信号,随后经数-模转换器将数字信号转变为模拟电压信号,经功率放大后驱动电动机,带动刀具按期望的规律运动。
系统中的计算机还要完成指定的数学运算等,使系统有更高的工作质量。
图中的测速电机反馈支路是用来改善系统性能的。
五、 复合控制系统
图1-12为火炮自动控制系统原理方框图。
它是在闭环控制回路的基础上,附加一个输入信号的顺向通路,顺向通路由对输入信号的补偿装置组成,因此,它是一个按输入信号补偿的复合控制系统。
火炮对空射击时,要求炮身方位角c θ与指挥仪给定的方位角r θ一致。
为了保证炮身能准确跟随高速飞行的目标,提高跟踪精度,所以,从指挥仪引出方位角的速度信号r θ,通过补偿装置形成开环控制信号,由于方位角速度信号总是超前于方位角信号,所以只要补偿装置选择合适,就能使炮身按照指挥仪的方位角信号以及所要求的角速度准确地跟踪目标。