110309航海自动化基础第一篇.doc

本文由百慕大的海贼贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 航海自动化基础 教学课件 一.课程主要内容 航海自动化是航海类专业基础课之一。本课程主要介绍了现 航海自动化是航海类专业基础课之一。 代船舶自动化技术的发展概况，自动控制技术的基本理论， 代船舶自动化技术的发展概况，自动控制技术的基本理论， 航海自动化中主要控制技术的基本思想， 航海自动化中主要控制技术的基本思想，以及航海自动化系 统和其分系统的基本工作原理等。 统和其分系统的基本工作原理等。 二.教学基本要求 要求学生能了解现代船舶航海自动化技术的发展概况 能熟悉自控基本理论在航海技术问题上的应用思路 掌握航海自动化系统及其分系统的基本工作原理、功能和 掌握航海自动化系统及其分系统的基本工作原理、 特点 二.课程考核方式 采用课程结业考试和平时考核 采用课程结业考试和平时考核两种方式组合计算本课程最 课程结业考试和平时考核两种方式组合计算本课程最 终考核成绩。 终考核成绩。 其中课程结业考试成绩占总成绩的80 其中课程结业考试成绩占总成绩的80 课程结业考试成绩占总成绩的 平时考核成绩成绩占总成绩的20 平时考核成绩成绩占总成绩的20 考核成绩成绩占总成绩的 平时考核成绩由考勤和平时提问组成 缺勤一次，平时成绩扣二十分 缺勤一次， 第一章 航海自动化概况 第一节 船舶自动化发展概况 第二节 船舶自动化基础概述 第一节 航海自动化概况 一、船舶自动化的概念 自动控制：在无人直接参加的情况下， 自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装 置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过 程。 二战以后， 二战以后，船舶自动化技术获得很快的发展 船舶自动化 船舶操纵与机舱设 备运转过程自动化 船舶自动化的重要内容 轮机自动化 船舶自动化 航海自动化 船体自动化 轮机自动化 1)主辅机遥控。在驾驶台操纵主机和舵机，在机舱集 1)主辅机遥控 在驾驶台操纵主机和舵机， 主辅机遥控。 中控制室控制主机、 中控制室控制主机、发电机和其它辅助机械设备 2)数据自动记录。定时记录轮机日志，自动记录车钟、 2)数据自动记录 定时记录轮机日志，自动记录车钟、 数据自动记录。 舵令及主辅机工况参数。 舵令及主辅机工况参数。 3)运行情况的集中监视和自动调节 处理。 3)运行情况的集中监视和自动调节、处理。主辅机工 运行情况的集中监视和自动调节、 况的集中显示； 况的集中显示；参数的越限报警及自动调节以保持参 数恒定；故障后的自动切换、 数恒定；故障后的自动切换、处理 4)自动分析机器故障的原因和提出维修预报 4)自动分析机器故障的原因和提出维修预报 5)船舶电站自动化 5)船舶电站自动化 大连海事大学 育鲲轮机舱集控室 航海自动化 1）电子海图的显示与信息系统 2）雷达、卫星导航和定位系统 雷达、 3）船舶自动识别系统（AIS） 船舶自动识别系统（AIS） 4）自动操舵系统 5）最佳航线编制系统 6）船载航行数据记录仪（VDR） 船载航行数据记录仪（VDR） 7）自动避碰系统 8）现代船舶管理系统 9）船舶治安报警系统（SSAS） 船舶治安报警系统（SSAS） 综合船桥 系统 IBS） （IBS） 船体自动化 1）船体受力状态监控 2）最佳配载计算 3）货油自动装卸 4）系泊自动化 5）压载水的自动排装 6）冷藏舱和冷藏集装箱的温度自动调节和监视报警 7）船内通信自动化、生活设施自动化以及医疗自动化 船内通信自动化、 二.船舶自动化发展的概况 船舶自动自动化研究始于60年代初期 年代初期， 80年代共 船舶自动自动化研究始于60年代初期，至80年代共 经历了四个发展阶段，目前正处于第五个发展阶段。 经历了四个发展阶段，目前正处于第五个发展阶段。 1.时间：60年代初 第一代自动化船舶 1.时间：60年代初 时间 代表船舶：1961年 代表船舶：1961年 日本的金华山丸 特点：1）以机舱集中监控为主。在机舱内设置集 特点： 机舱集中监控为主。 为主 中监视屏和控制台， 中监视屏和控制台，只需要一个人员在这 里对动力装置进行监视和控制 主机遥控。 2）在驾驶室可进行主机遥控。 在驾驶室可进行主机遥控 金华山丸 日本 商船三井 最早的自动化船 春日山丸 金华山丸的姊妹船 2.时间：60年代中期 2.时间 60年代中期 时间： 第二代自动化船舶 代表船舶：1964年由荷兰委托日本建造的 型油轮 年由荷兰委托日本建造的65 代表船舶：1964年由荷兰委托日本建造的65型油轮 特点：以无人机舱为核心。 特点：以无人机舱为核心。 为核心 无人机舱： 无人机舱：是利用自动化设备代替轮机人员在机舱值 班期间的操作管理工作， 班期间的操作管理工作，从而实现在一段时间机舱无 需人员值班。 需人员值班。 3.60年代末，开始研究全面实现船舶计算机控制的超 3.60年代末，开始研究全面实现船舶计算机控制的超 年代末 自动化船舶。这种船舶超出了机舱自动化控制的范围， 自动化船舶。这种船舶超出了机舱自动化控制的范围， 在导航、机舱、货物装卸、 在导航、机舱、货物装卸、报务设置医疗等方面实现 全面的自动化。 全面的自动化。 1970年 日本“星光丸” 1970年 日本“星光丸”的竣工开创驾机合一的新时 代 星光丸 最早的超自动化油轮 4）1979年诞生了高度合理化的超自动化船，即 1979年诞生了高度合理化的超自动化船， 年诞生了高度合理化的超自动化船 第四代自动化船。 第四代自动化船。这些高度合理化的自动化船均 采用分散的单项计算机控制系统， 采用分散的单项计算机控制系统，以微处理机为 中心，各种控制程序更加完善。 中心，各种控制程序更加完善。 住友重工业株式会社和两家日本电子公司联合研制 成世界上第一台主机声控系统,安装在179000吨的散装 成世界上第一台主机声控系统,安装在179000吨的散装 货船“纪川丸” 货船“纪川丸” 该系统能将船长和值班驾驶员发出的口令变成主机的 控制信号,故可省去传令钟和主机的操作人员。 控制信号,故可省去传令钟和主机的操作人员。因为可 通过无线电话筒将位于驾驶台或桥楼两翼任何部位的口 令直接变成一个操作信号, 令直接变成一个操作信号,所以大大地提高了船舶操纵 的安全性。 的安全性。 berlin express 5）随着计算机技术的发展，现在船舶上所安装 随着计算机技术的发展， 的专家系统可赋予船舶智能化的逻辑思维和决策 功能，从而实现船舶的航行操纵和营运自动化的 功能，从而实现船舶的航行操纵和营运自动化的 智能管理。 智能管理。这种具有高度信息收集功能和综合判 断推理决策决策功能的船舶标志着船舶自动化已 进入第五个阶段。 进入第五个阶段。 第二节 航海自动化基础概述 一、自动化理论产生及发展概况 起源： 起源：第一次工业革命 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心 18世纪 世纪， 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 发展 ：20世纪60年代，数字计算机技术的迅速发展为 20世纪 年代 世纪60年代， 复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年至今，确定性系统、随机系统的最佳控制， 1960年至今 确定性系统、随机系统的最佳控制， 年至今， 及复杂系统的自适应和智能控制技术， 及复杂系统的自适应和智能控制技术，都得到充分的 研究。 研究。 控制理论的划分 经典控制理论 以传递函数为基础，主要研究单输入以传递函数为基础，主要研究单输入-单输出的一 类定常控制系统的分析与设计问题。 类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于 其发展较早，现已趋成熟。 其发展较早，现已趋成熟。 现代控制理论 以状态空间法为基础，主要研究多输入-多输出、 以状态空间法为基础，主要研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。 时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系 统具有高精度和高效能的特点。 统具有高精度和高效能的特点。 智能控制理论 经典控制理论和现代控制理论统称为传统控制理论 智能控制 在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控 制目标的自动控制技术。 制目标的自动控制技术。 对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用 对许多复杂的系统， 常规的控制理论去进行定量计算和分析， 常规的控制理论去进行定量计算和分析，而必须采用 定量方法与定性方法相结合的控制方式。 定量方法与定性方法相结合的控制方式。 定量方法与定性方法相结合的目的是要由机器用类 似于人的智慧和经验来引导求解过程。 似于人的智慧和经验来引导求解过程。 第二章 自动控制系统 第一节 自动控制系统的基本概念与组成 第二节 自动控制系统的数学模型 第三节 自动控制系统的分类 第四节 自动控制系统的传递函数和方块图 第五节 自动控制系统的基本分析方法 第一节 自动控制系统的基本概念与组成 一、自动控制系统基本概念 自动控制：（Automatic control）是指在没有人直 control） 自动控制： 接参与的条件下，利用控制器(外加的设备或装置) 接参与的条件下，利用控制器(外加的设备或装置)使 被控制对象（如机器、设备和生产过程） 被控制对象（如机器、设备和生产过程）的某个参数 或工作状态，即被控量） （或工作状态，即被控量）能自动按照预定的规律变 或运行）。 化（或运行）。 举例： 举例： 锅炉的炉温控制 卫星的太阳能电池板的角度调节 船舶自动驾驶仪 自动控制和人工控制比较 自动控制 人工控制 都以测量偏差,修正偏差为目的。 都以测量偏差,修正偏差为目的。 并且为了测量偏差, 并且为了测量偏差,必须把系统的 实际输出反馈到输入端 区别： 区别：自动控制用控制器代替人完成控制 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成， 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它 们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体， 们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体， 并对被控对象进行自动控制。 并对被控对象进行自动控制。 自动控制系统的结构 水池液面控制系统 人在参与控制中起了以下三方面的作用： 人在参与控制中起了以下三方面的作用： 1) 测量实际液面高度h1用眼睛。 测量实际液面高度h 用眼睛 用眼睛。 2) 将测得实际液面h1与希望液面的高度h0相比 将测得实际液面h 与希望液面的高度h 用脑 用脑。 较用脑。 3) 根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定 根据比较的结果， 的动作用手 用手。 的动作用手。 液面（人工） 液面（人工）反馈控制系统的框图 比较元件 执行元件 测量元件 液面（人工） 液面（人工）反馈控制系统的框图 液位(自动) 液位(自动)反馈控制系统 控制器 Q1 h0 浮 子 电位器 减速器 用水开 关 电动机 SM Q2 if 以上系统的基本组成部分 被控对象水池 被控对象 ? 测量元件浮子和杠杆（物理量转换）。 测量元件浮子和杠杆（物理量转换） ? 比较元件电位器 （求浮子的希望位置与实位置之差） 。 比较元件 求浮子的希望位置与实位置之差） ? 放大元件放大器（当测量元件测得的信号与给定信号比较后 放大元件放大器（ 得到的误差信号不足以使执行元件动作时， 得到的误差信号不足以使执行元件动作时，一般还需要放大元 件进行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象） 件进行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象）。 ? 执行元件电机和阀（直接驱动被控对象，以改变被控制量）。 执行元件电机和阀（直接驱动被控对象，以改变被控制量）。 上述系统，取出输出量送回到输入端，并与输入信号 上述系统，取出输出量送回到输入端， 相比较产生偏差信号的过程，称为反馈 反馈。 相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。 若反馈的信号是与输入信号相减， 若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来 越小，则称为负反馈 反之，则称为正反馈 负反馈； 正反馈。 越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 采用负反馈并利用偏差进行控制的过程称为反馈控制。 采用负反馈并利用偏差进行控制的过程称为反馈控制。 称为反馈控制 由于引入了被控量的反馈信息， 由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭 闭环控制。 合过程，因此反馈控制也称闭环控制 合过程，因此反馈控制也称闭环控制。 反馈控制系统基本组成 典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。图中， 典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。图中， “”代表比较元件 代表比较元件， 用“”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据 量进行比较， 号表示两者符号相反，即负反馈； 量进行比较，“”号表示两者符号相反，即负反馈；“” 可省略）表示两者符号相同，即正反馈。 号（可省略）表示两者符号相同，即正反馈。 信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路 信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路； 前向通路； 系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通 系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通 前向通路与主反馈通路共同构成主回路 主回路。 路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。 自动控制系统按控制方式可主要分为开环控制系统和 闭环控制系统 二、开环控制系统 电阻丝 调压变压器 输入 信号 电压 电炉 炉温 炉温控制系统 开环控制： 开环控制：开环控制是指控制器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。 向作用而没有反向联系的控制过程。 主要特点： 主要特点： 输出受给定值操纵, 输出受给定值操纵,信号由给定值至输出量单向 传递 一定的给定值对应一定的输出量。 一定的给定值对应一定的输出量。输出不影响 输入， 输入，对输出不需要测量 对组成系统的元部件要求较高 结构简单，系统容易稳定 结构简单， 系统的控制精度取决于系统事先的调整精度 对于工作过程中受到的扰动无法自动补偿。 对于工作过程中受到的扰动无法自动补偿。 按给定值 控制的原 理方框图 给定 值 控制器 被控制 对象 输出 量 应用： 应用： 结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和 结构简单，成本低廉， 扰动信号较弱的场合,如自动售货机， 扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器 等。 开环控制系统除可分为按给定量控制方式组成和按扰动控 开环控制系统除可分为按给定量控制方式组成和按扰动控 给定量控制方式组成和按 制方式组成两种组成方式 制方式组成两种组成方式 按给定量控制的开环控制系统 其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就 其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量， 有一个输出量与之相对应， 有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校 准的精度。 准的精度。 没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但其结构简单、 没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但其结构简单、成 本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。 本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。 按扰动控制的开环控制系统 是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用， 是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵 消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制 顺馈控制。 消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制。 缺点：对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变 缺点： 化对输出量造成的扰动，系统的控制精度有限， 化对输出量造成的扰动，系统的控制精度有限，常用于工作机 械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压， 械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频 控制。 控制。 三、闭环控制系统 闭环控制： 闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向 联系的控制过程。 联系的控制过程。 ? 主要特点： 主要特点： ? ? 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 低精度元件可组成高精度系统； 低精度元件可组成高精度系统； 因为结构比较复杂，所以稳定性欠佳。 因为结构比较复杂，所以稳定性欠佳。 控制方式 反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈， 反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈， 负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明， 负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明， 一般都指负反馈。 一般都指负反馈。 可得闭环控制系统的基本原理框图 特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时， 特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定 会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差， 减小或消除这个偏差 会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量 与期望值趋于一致。 与期望值趋于一致。 反馈控制系统，具有抑制内、外扰动对被控量产生影响的能 反馈控制系统，具有抑制内、外扰动对被控量产生影响的能 抑制内 较高的控制精度。但这种系统使用元件较多，结构复杂， 力，有较高的控制精度。但这种系统使用元件较多，结构复杂， 系统的性能分析和设计也较麻烦。 系统的性能分析和设计也较麻烦。 图为某工厂电阻炉微型计算机温度控制系统原理示意图 系统组成 被控对象 被控对象电炉 被控量 被控量炉温 测量元件 测量元件热电偶 比较环节 比较环节计算机 执行元件计算机、 执行元件计算机、触发器和晶闸管 A/D 转换 炉温 触发器 晶闸管 热电偶 电炉 炉温 期望 值 - 1.2 自动控制系统实例 1. 飞机-自动驾驶仪系统 飞机- 系统 稳定俯 仰角的 原理示 意图。 意图。 飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行 状态的自动装置。它可以稳定飞行的姿态、 状态的自动装置。它可以稳定飞行的姿态、高度和 航迹；可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。 航迹；可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。飞机与自 动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机-自动驾驶仪 系统。 系统。 系统 稳定俯 仰角的 原理示 意图。 意图。 垂直陀螺仪是测量元件用以测量飞机的俯仰角，当飞机 垂直陀螺仪是测量元件用以测量飞机的俯仰角， 以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无电压输出； 以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无电压输出； 如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪 如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值， 电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号， 电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后 驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转， 驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转，产生使飞机抬 头的转矩，以减小俯仰角偏差； 头的转矩，以减小俯仰角偏差； 同时还带动反馈电位器滑臂， 同时还带动反馈电位器滑臂，输出与舵偏角成正比的电 压并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小， 压并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位 器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小， 器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回 到期望值。 到期望值。 上图是飞机上图是飞机-自动驾驶仪系统稳定俯仰角的系统 方块图，图中，飞机是被控对象，俯仰角是被控量， 方块图，图中，飞机是被控对象，俯仰角是被控量， 放大器、舵机、垂直陀螺仪、 放大器、舵机、垂直陀螺仪、反馈电位器等是控制装 参据量是给定的常值俯仰角。 置。参据量是给定的常值俯仰角。 控制系统的任务就是在任何扰动（ 控制系统的任务就是在任何扰动（如阵风或气流 冲击）作用下，始终保持飞机以给定俯仰角飞行。 冲击）作用下，始终保持飞机以给定俯仰角飞行。 例题 例1 ：仓库大门自动控制系统原理示意图如图 所示，描述自动控制大门开关的工作原理， 所示，描述自动控制大门开关的工作原理，画出 系统原理方框图。 系统原理方框图。 当合上开门开关时， 当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生偏 差电压，经放大器放大后， 差电压，经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞 盘转动，使大门向上提起。与此同时， 盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在 一起的电位器电刷上移， 一起的电位器电刷上移，直到桥式测量电路达到平 电动机停止转动，开门开关自动断开。反之， 衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之， 当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞 当合上关门开关时，伺服电动机反向转动， 盘使大门关闭， 盘使大门关闭，从而实现了远距离自动控制大门开 闭的要求。 闭的要求。 大门自动开闭控制系统的原理方框图如 图所示。 图所示。 例2： 图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸 图为水温控制系统示意图。 汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。 汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。 说明系统是如何保持热水温度为期望值的？请绘制系统方框图， 说明系统是如何保持热水温度为期望值的？请绘制系统方框图， 系统的被控对象和控制装置各是什么？ 系统的被控对象和控制装置各是什么？ 温度传感器不断测量实际温度， 温度传感器不断测量实际温度，并在温度控制器中与给定温度 相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大一点， 相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大一点，进入热 交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。 交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某 种原因，冷水（可视为干扰）流量加大则由流量计测得， 种原因，冷水（可视为干扰）流量加大则由流量计测得，通过按顺 馈补偿，靠温度控制器使阀门开大，蒸汽量增加， 馈补偿，靠温度控制器使阀门开大，蒸汽量增加，从而补偿了冷水 量的增加而引起热水温度的降低， 量的增加而引起热水温度的降低，确保热交换器出口处的热水温为 给定值。其中被控对象是热交换器，热水温度为被控量， 给定值。其中被控对象是热交换器，热水温度为被控量，除热交换 器外，其余部分为控制装置。 器外，其余部分为控制装置。 例3： 图为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉 图为谷物湿度控制系统示意图。 的生产过程中，有一种出粉最多的湿度， 的生产过程中，有一种出粉最多的湿度，因此磨粉 之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物 之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中， 用传送装置按一定流量通过加水点， 用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动 阀门控制。加水过程中，谷物流量、 阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿 度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。 度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了 提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制， 提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制， 试画出系统方块图。 试画出系统方块图。 该系统的被控对象是谷物流，被控制量是输出谷物的湿度， 该系统的被控对象是谷物流，被控制量是输出谷物的湿度，扰动 量包括输入谷物的湿度、谷物流量和水源水压。系统的方框图如下图 量包括输入谷物的湿度、谷物流量和水源水压。 所示。 所示。 反馈通道的湿度测量装置测量的是加水后出口处输出谷物的湿度，将这个信号反馈到调节器。若输出谷物的湿度与设在调节器中 将这个信号反馈到调节器。 的希望谷物湿度不一致，则产生偏差信号，通过调节器控制开大或 的希望谷物湿度不一致，则产生偏差信号， 关小阀门的开度，改变加水量的大小， 关小阀门的开度，改变加水量的大小，使谷物湿度向减小偏差的方 向变化。这是通过闭环负反馈减少偏差的过程， 向变化。这是通过闭环负反馈减少偏差的过程，不论由什么原因引 起的偏差都可由闭环负反馈得到抑制。 起的偏差都可由闭环负反馈得到抑制。 入口处的湿度测量装置测量的是加水前谷物的湿度。这个信号由 入口处的湿度测量装置测量的是加水前谷物的湿度。 顺馈通道输入到调节器，若入口处谷物较干，可适当加大加水量； 顺馈通道输入到调节器，若入口处谷物较干，可适当加大加水量；若 谷物较湿可减少加水量。这是通过开环控制的方式进行补偿。 谷物较湿可减少加水量。这是通过开环控制的方式进行补偿。通过顺 馈通道，可以减少或消除某些干扰(输入谷物湿度 的影响， 输入谷物湿度)的影响 馈通道，可以减少或消除某些干扰 输入谷物湿度 的影响，提高了系 统的精度，减轻了闭环控制回路的负担。 统的精度，减轻了闭环控制回路的负担。用顺馈方式对干扰进行补偿 这个干扰必须是能够测量的。 时，这个干扰必须是能够测量的。 在阀门开度相同的情况下，水源水压的高低影响进水量的多少。 在阀门开度相同的情况下，水源水压的高低影响进水量的多少。 该系统对水源水压这个干扰量未加测量，水源水压变化引起的误差只 该系统对水源水压这个干扰量未加测量， 能由闭环负反馈进行抑制。在加水量相同的情况下，谷物流量的大小 能由闭环负反馈进行抑制。在加水量相同的情况下， 也影响输出谷物的湿度。系统对谷物流量变化这个干扰未加测量， 也影响输出谷物的湿度。系统对谷物流量变化这个干扰未加测量，由 其引起的误差同样靠闭环负反馈进行抑制。 其引起的误差同样靠闭环负反馈进行抑制。 第二节 自动控制系统的数学模型 建立数学模型的意义： 建立数学模型的意义： 为了在理论上更好的对控制系统进行定性分析和定 量计算 一、数学模型的定义 数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。 数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。 是描述系统动态特性的数学表达式 数学模型可以有以下形式： 数学模型可以有以下形式： 在经典理论中，常用的数学模型是微（差）分方程. 在经典理论中，常用的数学模型是微（ 分方程. 结构图，信号流图等均可由方程导出。这种模型主要 结构图，信号流图等均可由方程导出。 描述了系统的输入与输出之间的关系。 描述了系统的输入与输出之间的关系。 在现代控制理论中，采用的是状态空间表达式。 在现代控制理论中，采用的是状态空间表达式。它 不仅描述了系统的输入输入关系， 不仅描述了系统的输入输入关系，还描述了系统的 内部特性。 内部特性。 二、建立数学模型的方法 控制系统数学模型的要求可采用分析法和实验法 控制系统数学模型的要求可采用分析法和实验法 1）分析法 分析法是根据系统和元件所遵循的基本物理规律来列 分析法是根据系统和元件所遵循的基本物理规律来列 写每一个元件的输入输出关系式。 写每一个元件的输入输出关系式。然后消去中间变 从而求得系统输入和输出的数学关系式。 量，从而求得系统输入和输出的数学关系式。 2）实验法 实验法是是根据实验数据来建立数学模型的。 实验法是是根据实验数据来建立数学模型的。对于 某些物理规律并不明确系统，需采用实验法人为地给 某些物理规律并不明确系统，需采用实验法人为地给 系统施加某种测试信号，记录其输出响应的实验数据， 系统施加某种测试信号，记录其输出响应的实验数据， 并用适当的数学模型去逼近。这种方法也称为系统辨 并用适当的数学模型去逼近。这种方法也称为系统辨 识法。 识法。 1.分析法建立控制系统的时域数学模型 1.分析法建立控制系统的时域数学模型 电气网络系统 R ui(t) L i(t) C 例：图为由电阻R、 图为由电阻R 电感L电容C组成的无源网络, 电感L电容C组成的无源网络, uo(t) 试列写以 ui(t) 为输入量, 为输入量, 以uo(t)为输出量的网络微 分方程. 分方程. 图2-1 RLC无源 RLC无源 网络 基尔霍夫定律可写出回路 解 : 设回路电流为 i(t) , 由 基尔霍夫定律 可写出回路 方程为 L di (t ) 1 + Ri (t ) + i (t )dt = ui (t ) dt C 1 uo (t ) = i (t )dt C duo (t ) i (t ) = C dt 消去中间变量i(t),便得到描述网络输入输出关系的微 ),便得到描述网络输入输出关系的微 分方程为 d 2uo (t ) duo (t ) LC + RC + uo (t ) = ui (t ) 2 dt dt (2(2-1) 假定R 假定R、L、C都是常数，这是一个二阶常系数线性微分 都是常数， 方程,也就是上图无源网络的时域数学模型。 方程,也就是上图无源网络的时域数学模型。 它描述了该电路在输入电压 ui 的变化规律。 两端电压 uc 的变化规律。 的作用下，电容 的作用下， 机械位移系统 例2 图2-2a)所示为弹簧、 所示为弹簧、 质量、阻尼系统。 质量、阻尼系统。描述外力 F(t)和质量块 的位移y F(t)和质量块m的位移y（t） 和质量块m 之间的关系。 之间的关系。 上受力情况如图示 质量 m 上受力情况如图示。 根据牛顿第二运动定律有： 根据牛顿第二运动定律有： d 2 x (t ) F (t ) ? F1 (t ) ? F2 (t ) = m dt 2 F(t) F2(t) F(t) m f a) 图2-2 x(t) K m x(t) F1(t) b) 机械位移系统 式中: 式中: 阻尼器阻力 其大小与运动速度成正比， 阻尼器阻力。 F1 (t ) 阻尼器阻力。其大小与运动速度成正比，方向与运动方 向相反， 向相反，阻尼系数为f，即： F1 (t ) = f dx (t ) dt F2 (t ) 弹簧力。设为线性弹簧，根据虎克定律有： 弹簧力 设为线性弹簧，根据虎克定律有： 弹簧力。 F2 (t ) = Kx (t ) 弹簧刚度 K弹簧刚度 d 2 x(t ) F (t ) ? F1 (t ) ? F2 (t ) = m dt 2 dx (t ) F1 (t ) = f dt F2 (t ) = Kx (t ) F(t) F2(t) F(t) m f a) 图2-2 x(t) K m x(t) F1(t) 联立以上三式并整理得： 联立以上三式并整理得： d 2 x (t ) dx (t ) m +f + Kx(t ) = F (t ) 2 dt dt b) 机械位移系统 假定m 假定m、k、f均为常数，上式就是二阶常系数线性微分方程。 均为常数，上式就是二阶常系数线性微分方程。 比较上面两个微分方程 d 2uo (t ) du (t ) LC + RC o + uo (t ) = ui (t ) dt 2 dt d 2 x(t ) dx(t ) +f + Kx(t ) = F (t ) m 2 dt dt 物理结构不同的元件或系统,可以具有相同形式的数学模型。 物理结构不同的元件或系统,可以具有相同形式的数学模型。 前述的RLC无源网络和弹簧 质量无源网络和弹簧前述的RLC无源网络和弹簧-质量-阻尼器机械系统的数学 模型均是二阶微分方程，我们称之为相似系统 相似系统. 模型均是二阶微分方程，我们称之为相似系统. 相似系统揭示了不同物理现象间的本质相似关系，利用 相似系统揭示了不同物理现象间的本质相似关系， 它可以 (1) 用一个简单系统去研究与其相似的复杂系统; 用一个简单系统去研究与其相似的复杂系统; (2) 为控制系统的计算机数字仿真提供了基础. 为控制系统的计算机数字仿真提供了基础. (3) 二阶系统是一个十分典型的、有代表性的系统. 二阶系统是一个十分典型的、有代表性的系统. 有上面两个例子可以看出，用分析法建立数学模型时， 有上面两个例子可以看出，用分析法建立数学模型时， 对于对象中所出现的物理过程或化学过程， 对于对象中所出现的物理过程或化学过程，需要十分详 尽的了解，所得到的数学模型称为机理模型 机理模型。 尽的了解，所得到的数学模型称为机理模型。 综上所述，列写元件微分方程的步骤可归纳如下： 综上所述，列写元件微分方程的步骤可归纳如下： 根据元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确 根据元件的工作原理及其在控制系统中的作用， 定其输入量和输出量； 定其输入量和输出量； 分析元件工作中所遵循的物理或化学规律，列写相 分析元件工作中所遵循的物理或化学规律， 应的微分方程； 应的微分方程； 消去中间变量，得到输出量与输入量之间关系的微 消去中间变量， 分方程，便是元件时域的数学模型。 分方程，便是元件时域的数学模型。 一般应将微分方程写为标准形式，即与输入量有关 一般应将微分方程写为标准形式， 的项写在方程的右端， 的项写在方程的右端，与输出量有关的项写在方程的 左端，方程两端变量的导数项均按降幂排列。 左端，方程两端变量的导数项均按降幂排列。 有些复杂对象，人们对其规律的认识还很不清楚，或者其 有些复杂对象，人们对其规律的认识还很不清楚， 中重要的参数不能准确的确定。 中重要的参数不能准确的确定。这种情况下机理模型事实 上很难推导出来，只能采用试验法加以确定。 试验法加以确定 上很难推导出来，只能采用试验法加以确定。 而试验法所得到的模型只反映输入输出之间的特性，对 试验法所得到的模型只反映输入输出之间的特性 所得到的模型只反映输入输出之间的特性， 系统的内在信息反映不出来。 系统的内在信息反映不出来。 由于分析法 由于分析法可以弥补试验法所得的模型在反映内在机理 分析法可以弥补试验法所得的模型在反映内在机理 方面的不足。在条件许可的条件下， 方面的不足。在条件许可的条件下，应该同时用试验法 和分析法建模， 和分析法建模，以互相补充 第三节自动控制系统的分类 一、控制系统的分类 1.按控制方式可主要分为 1.按控制方式可主要分为 开环控制 反馈控制 复合控制 机械系统 电气系统 2.按元件种类主要可分为 2.按元件种类主要可分为 机电系统 液压系统 气动系统 生物系统 闭环控制 3.按被控量的名称主要可分为 3.按被控量的名称主要可分为 温度控制系统 压力控制系统 张力控制系统 线性控制系统 非线性控制系统 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 4.按数学模型主要可分为 4.按数学模型主要可分为 5.按控制信号变化规 5.按控制信号变化规 律主要可分为 二、线性控制系统 线性控制系统：组成控制系统的元件都具有线性特性。 线性控制系统：组成控制系统的元件都具有线性特性。 线性系统具有齐次性和使用叠加原理。 线性系统具有齐次性和使用叠加原理。 1. 线性连续控制系统 这类系统可以用线性微分方程式描述, 这类系统可以用线性微分方程式描述,其一般形式为 dn d n ?1 d a0 n c(t ) + a1 n ?1 c(t ) + L + an ?1 c(t ) + an c(t ) dt dt dt dm d m ?1 d = b0 m r (t ) + b1 m ?1 r (t ) + L + bm ?1 r (t ) + bm r (t ) dt dt dt 式中, 式中,c(t)是被控量,r(t)是输入量.系数a0,a1,an； 是被控量, 是输入量. 定常系统; 是常数时,称为定常系统 b0,b1,bm是常数时,称为定常系统;系数a0,a1,an； 时变系统. 随时间t变化时,称为时变系统 b0,b1,bm随时间t变化时,称为时变系统. 2. 线性定常离散系统 离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形 离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形 因而信号在时间上是离散的，连续信号经采样 采样转换成离散 式,因而信号在时间上是离散的，连续信号经采样转换成离散 信号。 信号。 离散系统一般要用差分方程来描述. 离散系统一般要用差分方程来描述.线性差分方程的一般形 式为 a0c( k + n ) + a1c( k + n ? 1) + L + an ?1c( k + 1) + an c( k ) = b0 r ( k + m) + b1r ( k + m ? 1) + L + bm ?1r ( k + 1) + bm r (k ) 式中, 式中, mn, n为差分方程的次数,a0,a1,an；b0,b1,bm 为差分方程的次数, 为常系数, 分别为输入和输出采样序列. 为常系数,r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列. 工业计算机控制系统就是典型的离散系统，如前述的炉 工业计算机控制系统就是典型的离散系统， 温微机控制系统等。 温微机控制系统等。 三、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的, 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的, 这类系统就称为非线性系统.这时,要用非线性微分(或差分) 这类系统就称为非线性系统.这时,要用非线性微分(或差分) 方程来描述其特性. 方程来描述其特性. 非线性方程的特点是系数与变量有关 或者方程中含有变 非线性方程的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变 系数与变量有关, 量及其导数的高次幂或乘积项, 量及其导数的高次幂或乘积项,例如 &(t ) + y(t ) y(t ) + y2 (t ) = r(t ) & y 严格地说,实际的控制系统都是非线性系统. 严格地说,实际的控制系统都是非线性系统.但对于非线性程 度不太严重的元部件,可采用在一定范围内线性化的方法, 度不太严重的元部件,可采用在一定范围内线性化的方法,从而将 非线性系统近似为线性控制系统. 非线性系统近似为线性控制系统. 由于非线性方程在数学处理上较困难, 由于非线性方程在数学处理上较困难,目前对不同类型的 非线性系统的研究还没有统一的方法. 非线性系统的研究还没有统一的方法. 四、按系统参考输入信号的变化规律不同，控制系统可分为 按系统参考输入信号的变化规律不同， 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统. 程序控制系统. 恒值控制系统 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值， 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值， 当外界有扰动时，系统要求被控量保持为一个恒定的希望值。 当外界有扰动时，系统要求被控量保持为一个恒定的希望值。 在生产过程中，这类系统非常多， 在生产过程中，这类系统非常多，如船舶上的航向保持自动操 舵仪、冶金部门的恒温系统等。 舵仪、冶金部门的恒温系统等。 由于这类系统能够自动地消除或削弱各种扰动对被控制量 地影响，因此又称为自镇定系统 地影响，因此又称为自镇定系统 随动系统 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。 统要求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。 统要求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分 设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。例如， 析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。例如， 火炮系统，卫星控制系统等。 火炮系统，卫星控制系统等。 程序控制系统 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数, 这类控制系统的输入信号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.例如， 要求被控量迅速、准确地加以复现.例如，炼钢炉中的微机控制 系统，洲际弹道导弹的程序控制系统， 系统，洲际弹道导弹的程序控制系统，机械加工使用的数字程 序控制机床 程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不同 程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数， 之处在于前者是已知的时间函数， 之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函 而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。 数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。 第四节 自动控制系统的传递函数和方块图 微分方程式是描述线性系统运动的一种基本形式的 数学模型。通过对它求解， 数学模型。通过对它求解，就可以得到系统在给定输入 信号作用下的输出响应。 信号作用下的输出响应。 然而用微分方程式表示系统的数学模型在实际应用中 会有如下的问题： 会有如下的问题： 1）微分方程式的阶次越高，求解难度就越大，且计算工 微分方程式的阶次越高，求解难度就越大， 作量大大增加。 作量大大增加。 2）对于控制系统的分析，不仅要了解它在给定信号下的 对于控制系统的分析， 输出响应，而且更重视系统的结构、 输出响应，而且更重视系统的结构、参数及其性能间的 关系。对于后者的要求，显然用微分方程去描述难以实 关系。对