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第一章 自动控制系统的基础知识及典型环节第一节 概述【教学目标】1知识目标：了解自动控制技术的发展，掌握常用名词的术语。2能力目标：学会分析问题 查资料。3情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。【教学重点】闭环与开环控制系统【教学难点】闭环控制系统的工作原理【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。【教学过程】一 自动控制技术的发展1948年美国数学家维纳出版专著“控制论”。1956年我国科学家钱学森出版“工程控制论”。20世纪50年代，人造卫星和空间技术的发展，成为自动控制理论新的发展推动力。极大值原理、动态规划理论、状态空间方法、多变量最优控制和最优滤波理论。20世纪70年代，随着大规模集成电路数字计算机的发展，推动了控制器应用高级控制算法的能力。出现若干控制理论分支：系统辨识、鲁棒控制、协调控制、智能控制等等。自动化的核心是控制与系统，控制工程实践是实现自动化的手段。自动化最早出现在汽车工业，其初始概念是指在工业生产（加工、制造等）过程中采用自动控制代替人工控制。1947年美国福特公司正式使用自动化一词，其含义是指加工采用连续方式，生产过程流水式的自动进行。从20世纪70年代开始，我国通过陆续引进国外成套自动化生产线，我国工业生产逐步从局部自动化，发展成今天的全方位、全流程的综合自动化。我国的自动化学术组织：中国自动化学会，1961年成立，第一届理事长钱学森院士二。常用名词术语定义1. 被控对象：也称受控对象，简称对象。需进行控制的设备或装置的工作过程2. 扰动信号：扰动可以是小的波动，也可以是大的波动，扰动信号也称为干扰信号。扰动在系统的方块图中属于外部输入3.开环控制与闭环控制开环控制系统：系统的输入与输出之间只有前向的信号传递，而没有反向的信号回传。缺点：开环控制系统的控制精度和抑制干扰能力较差反馈：系统从输出到输入的反向信息传递，这种反向信息传递称为反馈。闭环控制系统：具有反馈的系统因信息在系统内的传递形成了闭合环路，称为闭环系统。开环：单向控制，输入和输出间没有联系，系统输入与输出间没有反馈回路。但受外界干扰小时，仍被大量使用。 闭环：将输出量返回到输入端，形成偏差，基于偏差产生控制以减少或消除偏差。相对来看，结构复杂、成本增加、存在稳定性问题，但具有开环控制无法替代的自动纠偏功能和较高控制精度。【课后反思】 第二节 自动控制系统示例【教学目标】1知识目标：掌握自动控制系统的分析方法。2能力目标：学会分析问题 查资料。3情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。【教学重点】炉温控制系统，位置随动系统，自动调速系统【教学难点】位置随动系统【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。【教学过程】一.加热炉温度控制系统 测量元件：热电偶保持炉温T恒定：由于扰动，当炉温T¯，uf ¯, ue­, u1­, ua­, 加热电阻丝电压 ­, T­。2.角位置随动系统 测量元件：电位器旋转负载的角位置qo快速跟随期望角位置qi :qi­ ，ur­, ur -uf = ue­, u1­, ua­, qo­.3.自动调速系统 测量元件：测速发电机Mc恒定：ur­, ue­ u1­ ua­, n­, uf­, ue¯, u1¯ ua¯, n¯ur 恒定：Mc­, n¯ uf¯, ue­, u1­ ua­, n­【课后反思】第三节 自动控制系统的分类第四节 控制系统性能的性能指标【教学目标】1知识目标：了解自动控制系统的分类，掌握系统性能的性能指标。2能力目标：学会分析问题 查资料。3情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力。【教学重点】系统性能的性能指标【教学难点】系统的动态性能【教学方法】 读书指导法、分析法、演示法、练习法。【教学过程】按信号流向分 ： 开环系统 、 闭环系统按输入量变化规律分 ：恒值系统 随动系统 、 程序控制系统按系统输入量和输出量的关系分： 线性系统 、 非线性系统 按系统传输信号与时间的关系分 ： 连续系统 、 离散系统按系统参数随时间的变化情况分 ： 定常系统 、 时变系统按系统输入输出信号个数分 ： 单输入单输出系统 、 多输入多输出系统第四节 控制系统性能的性能指标性能好的自动控制系统应该具备：稳 准 快 特点稳稳定性自动控制系统首要考虑的问题准准确性反映系统的稳态性能（精度）快快速性反映系统过渡过程的暂态性能一 稳定性稳定性是指系统受扰动后重新恢复平衡的能力。不稳定的系统一旦失去平衡就无法重新恢复，由于实际应用中扰动是不可避免的，因此不稳定的系统无法正常运行。 稳定衰减过程 不稳定发散过程2快速性 快速性主要是用时间衡量一个稳定的系统对平衡状态的恢复或跟随的速度。影响系统平衡状态的因素：1.扰动使系统偏离平衡，2.因控制任务的需要而改变系统的平衡状态。 过渡过程越短，说明系统恢复平衡或跟随新的平衡状态的能力越强，快速性就越好。 3准确性 过渡过程结束后系统就进入稳态，此时系统输出量的期望值与实际值之差称为稳态误差。稳态误差越小，控制系统的稳态精度越高。无差系统、有差系统。扰动(b) 有差系统扰动(a) 无差系统上述稳定性、快速性和准确性三个方面往往是相互制约的。稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差、过渡过程变长；而单纯追求快速性，则可能加剧振荡，甚至引起不稳定。暂态性能指标： 1最大超调量（简称超调量）最大超调量是输出量的最大值与稳态值的相对误差。2上升时间指输出量在暂态过程中第一次到达稳态值所需的时间。 3调节时间（即过渡过程时间）调节时间是指输出量与稳态值之间的误差达到所允许范围并维持在此范围内所需的时间。 4振荡次数振荡次数是指在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 【课后反思】