自控 课后题课件

第1章自动控制的基本概念自动控制原理PrinciplesofAutomaticControl普通高等教育“十一五”国家级规划教材机械工业出版社Chapter1FundamentalConceptsofAutomaticControl本课程64学时【8学时实验】,16周学完必修考试课，成绩考核：期末试卷成绩占总成绩的80%，考勤及作业占10%，实验占10%。

参考教材：

“自动控制原理”孟华主编机械工业出版社自动控制原理3第1章自动控制的基本概念

本章介绍自动控制的基本概念、自动控制系统的构成和特点、自动控制系统的几种类型等。

1.1概述1.2自动控制的基本原理1.3控制系统的分类1.4对控制系统的性能要求习题theregulatorofHeronofAlexandria

调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气，热（膨胀的）空气将水从中容器（罐1）推到桶（罐2）中。罐1的位置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，W为配重，当桶为空时，在配重W作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而配重W向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐1，配重W向下移动，大门自动关闭。自动控制系统简要的历史回顾HistoricalReviewWatt’scentrifugalspeedregulator

控制应用始于18世纪下半叶，1769年詹姆斯瓦特JamesWatt发明了第一台离心式调速器，广泛用于机车控制。特别是，用来控制蒸汽发动机的转速。实现如下：随着蒸汽机角速度的增大，离心力推动小球向上，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀门关小，从锅炉进入引擎的蒸汽减少，蒸汽机的角速度减小。反之，随着蒸汽机角速度的下降，小球向下，蒸汽阀门开大，进入发动机的蒸汽量增加，角速度增加。通过这种方式，调节发动机转速。瓦特的离心调速器TableSelectedHistoricalDevelopmentsofControlSystems1769JamesWatt'ssteamengineandgovernordeveloped.TheWattsteamengineisoftenusedtomarkthebeginningoftheIndustrialRevolutioninGreatBritain.Duringtheindustrialrevolution,greatstridesweremadeinthedevelopmentofmechanization.。technologyprecedingautomation.1800EliWhitney'sconceptofinterchangeablepartsmanufacturingdemonstratedintheproductionofmuskets.Whitney'sdevelopmentisoftenconsideredasthebeginningofmassproduction.1868C.Maxwellformulatesamathematicalmodelforagovernorcontrolofasteamengine.1913HenryFord'smechanizedassemblymachineintroducedforautomobileproduction.1927H.S.BlackconceivesofthenegativefeedbackamplifierandH.W.Bodeanalyzesfeedbackamplifiers.1932H.Nyquistdevelopsamethodforanalyzingthestabilityofsystems.1941Creationoffirstantiaircraftgunwithactivecontrol.1952Numericalcontrol(NC)developedatMassachusettsInstituteofTechnologyforcontrolofmachine-toolaxes.1954GeorgeDevoldevelops"programmedarticletransfer."consideredtobethefirstindustrialrobotdesign.1957Sputniklaunchesthespaceageleading,intime,tominiaturizationofcomputersandadvancesinautomaticcontroltheory.1960FirstUnimaterobotintroduced,basedonDevol'sdesigns.Unimateinstalledin1961fortendingdie-castingmachines1970State-variablemodelsandoptimalcontroldeveloped.1980Robustcontrolsystemdesignwidelystudied.1983Introductionofthepersonalcomputer(andcontroldesignsoftwaresoonthereafter)broughtthetoolsofdesigntotheengineer’sdesktop.1990Expert-orientedmanufacturingcompaniesemphasizeautomation.1994Feed-backcontrolwidelyusedinautomobiles.Reliable,roustsystemsdemandedinmanufacturing.1997Firsteverautonomousrovervehicle,knownasSojourner,explorestheMartiansurface.1998-2003Advancesinmicro-andnanotechnology.Firstintelligentmicromachinesaredevelopedandfunctioningnanomachinesarecreated.1PositionControlSystemorPositionServomechanism

y(t)实际位置希望位置r(t)u(t)控制器比较器放大器发电机-电动机系统

电位器2电位器1变速箱e(t)2MetalSheetThicknessControlSystem

3Liquid-LevelControl

5MissileDirectionControlSystem

6RemoteRobotControl

7Athree-axiscontrolsystemforinspectingindividualsemiconductorwaferswithahighlysensitivecamera

采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统9Automobilesteeringcontrolsystem11LaserEyeSurgeryControlSystem给定装置放大器舵机飞机θ0θc扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图

垂直陀螺仪

反馈电位器自动控制原理221.2自动控制的基本原理PrinciplesofAutomaticControl

1.2.1自动控制系统举例(1)温度控制系统

自动控制原理23

1.2自动控制的基本原理(2)位置随动系统PositionServoSysteminstructionsetuppotentiometer1potentiometer2ComparatorandAmplifierMotorgear-box自动控制原理251.3控制系统的分类

ClassificationofControlSystems1.3.1按信号传递路径signaltransferpath分类(1)按给定值操作的开环控制系统(Open-loopsystemwithoutthemeasurementofdisturbances)(2)按干扰补偿的开环控制系统(Open-loopsystemwiththemeasurementofdisturbances)

(3)按偏差调节的闭环控制系统(Closed-loopsystem)自动控制原理261.3控制系统的分类（续）

(4)复合控制系统(Mixedorcombinedsystem)1.3.2按输入信号特征inputsignals分类

(1)恒值Constant控制系统

(2)程序Programming控制系统

(3)随动Tracking控制系统（又称伺服Servo系统）自动控制原理271.3控制系统的分类（续）(1)线性linear系统线性系统中各元件的静特性为直线。

线性系统有两个重要特性——叠加性和齐次性

1)叠加性superposition：如果用c1(t)表示由r1(t)产生的输出，用c2(t)表示由r2(t)产生的输出，则当r1(t)和r2(t)同时作用时，输出量为c1(t)+c2(t)

。

2)齐次性homogeneity：如果用c(t)表示由r(t)产生的输出量，则在Kr(t)作用下的输出量为Kc(t)。1.3.3按系统数学模型MathematicalModels分类自动控制原理291.3控制系统的分类（续）(1)连续时间timecontinuous系统：控制系统中各环节的输入量和输出量均为时间t的连续函数(2)离散时间timediscrete系统：系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码1.3.5按系统参数parameters特性分类(1)定常constant(timeinvariant)系统

系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的(2)时变timevariant系统

系统参数是时间t的函数1.3.4按时间变量variablesoftime特性分类

自动控制原理301.4对控制系统的性能要求1.4.1稳定性当系统受到干扰后，系统的输出c(t)可能出现增幅振荡或单调增长现象，这种现象称为不稳定instability现象，这样的系统称为不稳定系统unstablesystems。当系统受到干扰后，能够恢复到原来的工作状态，则这样的系统是稳定的，称为稳定系统stablesystems。

tt快速振荡收敛慢速平稳收敛发散稳态误差临界(b)(a)自动控制原理311.4对控制系统的性能要求1.4.2动态性能指标

当系统输入信号inputsignalr(t)为阶跃函数stepfunction时，其输出output信号c(t)称为阶跃响应step

response

。图为某自动控制系统在阶跃输入r(t)作用下的输出响应曲线c(t)。在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好Respondasrapidlyaspossible，而且超调量overshoot越小越好。自动控制原理321.4对控制系统的性能要求1