《检测与控制》课程 主要参考书:卢本、魏华胜主编,《检测与控制工程基础》,机械工业出版社,2001年7月 学时安排:总40学时,其中,讲课34学时,实验6学时。 第一部分检测技术 (史玉升老师,1~4章,共四章。讲课14学时) 第二部分自动控制技术 (樊自田老师,58章。讲课18学时,总复习2学时。 主要参考书:(同上) 其它参考书 (1)秦养浩主编,《自动控制原理》,1992年3月,安徽教育出版社。 (2)任哲主编,《自动控制原理》,1997年8月,冶金工业出版社 (3)孙亮、杨鹏主编:《自动控制原理》,1999年9月,北京工业大学出版社 几点说明:平时成绩30~40%(到课情况、作业、实验等),课程结束考试60~70‰(闭卷)。 第五章自动控制系统理论基础 第一节基本概念 概述: l、引言: 自动控制理论是自动控制技术的理论基础。自动控制理论,一般可分为:古典控制理论 现代控制理论两大部分 (1)古典控制理论 古典控制理论以传递函数为基础,研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析与设计
1 《检测与控制》课程 主要参考书：卢本、魏华胜主编，《检测与控制工程基础》，机械工业出版社，2001 年 7 月。 学时安排：总 40 学时，其中，讲课 34 学时，实验 6 学时。 第一部分 检测技术 （史玉升老师，1~4 章，共四章。讲课 14 学时） 第二部分 自动控制技术 （樊自田老师，5~8 章。讲课 18 学时，总复习 2 学时。） 主要参考书：（同上） 其它参考书： （1）秦养浩主编，《自动控制原理》，1992 年 3 月，安徽教育出版社。 （2）任哲主编，《自动控制原理》，1997 年 8 月，冶金工业出版社。 （3）孙亮、杨鹏主编：《自动控制原理》，1999 年 9 月，北京工业大学出版社。 几点说明：平时成绩 30~40%（到课情况、作业、实验等），课程结束考试 60~70%（闭卷）。 第五章 自动控制系统理论基础 第一节 基本概念 一、概述： 1、引言： 自动控制理论是自动控制技术的理论基础。自动控制理论，一般可分为：古典控制理论、 现代控制理论两大部分。 （1） 古典控制理论 古典控制理论以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析与设计
它又有:时域分析法、根轨迹法、频率特征法等。 古典控制理论局限性:只适合于单输入、单输出的线性定常系统;对变系统、复杂的非 线性系统和多输入、多输出系统无能为力 (2)现代控制理论 以矩阵理论为数学工具(即以现代计算机技术为依托),建立在状态概念之上。可满足 现代控制系统中“控制任务更加复杂、控制精度要求越来越高”的要求 现代控制理论适合于:多输入、多输出系统,线性、非线性系统,定常、时变系统。 (3)现代控制理论的新发展 模糊控制、自适应控制、预见性控制等 2、自动控制与自动控制系统 (1)定义 自动控制:在没有人直接参与的情况下,通过控制装置对被控对象进行控制,使其某 些物理量能自动地按照人们所预定的规律变化,以满足人们的使用要求 自动控制系统:由被控对象和对其实行自动控制的一些装置组成的系统 (2)自动控制系统举例 电动机 放大器 举例一:液位自动控制系统 进水阀 浮球 ○ 液位 派:高中到到 出水阀 量为图1+1液位自动控制系统 出水 扰动量园 点位置 较器放大器 动机 进水阀 流装 为控制量 水箱液位 b点位置 被控制量 测量 才所 一图1-2液位控制系统职能方块图
2 它又有：时域分析法、根轨迹法、频率特征法等。 古典控制理论局限性：只适合于单输入、单输出的线性定常系统；对变系统、复杂的非 线性系统和多输入、多输出系统无能为力。 （2）现代控制理论 以矩阵理论为数学工具（即以现代计算机技术为依托），建立在状态概念之上。可满足 现代控制系统中“控制任务更加复杂、控制精度要求越来越高”的要求。 现代控制理论适合于：多输入、多输出系统，线性、非线性系统，定常、时变系统。 （3）现代控制理论的新发展 模糊控制、自适应控制、预见性控制等。 2、自动控制与自动控制系统 （1）定义 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制装置对被控对象进行控制，使其某 些物理量能自动地按照人们所预定的规律变化，以满足人们的使用要求。 自动控制系统：由被控对象和对其实行自动控制的一些装置组成的系统。 （2）自动控制系统举例 举例一：液位自动控制系统 （图 1）、 （图 2）
举例二:电炉炉温自动控制系统 给定毫伏电压法 自耦变压器 偏差量电 团因 压与功放 被调量 交流电 「 的做人解长热电偶 反馈信号 中 图5。电炉护温自动控制系统 图5-2电炉炉温自动控制系统结构框图 3、自动控制系统中常用的术语 为了便于研究和讨论,共同确定一些术语(详见参考书:93~94) (1)被调量(或称输出量): (2)被控对象(或简称对象) (3)给定值(或称给定信号) (4)扰动(或称干扰) (5)输入量: (6)反馈:有正反馈、负反馈之分,自动控制系统中主要应用负反馈。 (7)闭环控制系统与开环控制系统: 系统输出的被调量(即输出量)与输入端之间存在着反馈回路的系统称为闭环系统; 反之,被调量并未能以任何形式反馈到输入端的则称为开环系统。 闭环控制系统的关键是:输出量的测量和负反馈。 开环控制系统不能产生对输出量的自动调节,控制精度不高 举例:闭环控制系统-—-液位控制系统、直流电动机晶闸管调速系统(图53,P95); 放大器 发 图自是 的出 图5-3直流电动机晶闸管调速系统方框图书次出
3 举例二：电炉炉温自动控制系统 （图 5-1）、 （图 5-2） 3、自动控制系统中常用的术语 为了便于研究和讨论，共同确定一些术语（详见参考书：93~94） （1）被调量（或称输出量）： （2）被控对象（或简称对象）： （3）给定值（或称给定信号）： （4）扰动（或称干扰）： （5）输入量： （6）反馈：有正反馈、负反馈之分，自动控制系统中主要应用负反馈。 （7）闭环控制系统与开环控制系统： 系统输出的被调量（即输出量）与输入端之间存在着反馈回路的系统称为闭环系统； 反之，被调量并未能以任何形式反馈到输入端的则称为开环系统。 闭环控制系统的关键是：输出量的测量和负反馈。 开环控制系统不能产生对输出量的自动调节，控制精度不高。 举例：闭环控制系统------液位控制系统、直流电动机晶闸管调速系统（图 5-3，P95）；
开环控制系统-自动洗衣机(按设定时间,完成加水、洗、漂、离心脱水等工序)。 4、闭环控制系统的基本结构 个闭环自动控制系统的典型组成如图5-4所示。 直扰动,中E 给 比较元件 定给定值 放大变换元件 偏差信号太 被|被调量 反债信引 象 提上 条线,面用一图5-4自动控制系统结构方框图传 (1)测量、反溃环节;(2)比较环节;(3)放大变换环节;(4)执行元件。 、自动控制系统的分类及其基本性能要求 分类: (P96~97) 2、对控制系统的基本性能要求 自动控制的目的:系统的输出量能自动地按要求的规律而变化 理想的控制效果:输出量与输入量在控制过程中保持一致的关系,且不受外界的干扰。 实际中,完全理想的控制效果是不能实现的。系统中,由于元、器件惯性的作用,会 使信号在传递过程中出现延缓,不能实现瞬时的控制响应,必须经过一个“过渡过程”,才 能达到最终的控制要求。 (例如:RC电路中的“输入”与“输出”) (1)暂态与暂态误差、稳态与稳态误差: 系统处于“过渡过程”时,称系统处于“暂态”或“动态”。暂态时,“输出量”与“由 输入量确定的期望输出量之差”称为“暂态误差”或“动态误差”。“暂态误差”通常较大, 过渡过程”结束后,系统趋于平稳状态,此时,称系统处于“稳态”或“静态”。稳
4 开环控制系统------自动洗衣机（按设定时间，完成加水、洗、漂、离心脱水等工序）。 4、闭环控制系统的基本结构 一个闭环自动控制系统的典型组成如图 5-4 所示。 （图 5-4） （数字控制系统方框图） （1）测量、反溃环节；（2）比较环节；（3）放大变换环节；（4）执行元件。 二、自动控制系统的分类及其基本性能要求 1、分类： （P96~97） 2、对控制系统的基本性能要求 自动控制的目的：系统的输出量能自动地按要求的规律而变化。 理想的控制效果：输出量与输入量在控制过程中保持一致的关系，且不受外界的干扰。 实际中，完全理想的控制效果是不能实现的。系统中，由于元、器件惯性的作用，会 使信号在传递过程中出现延缓，不能实现瞬时的控制响应，必须经过一个“过渡过程”，才 能达到最终的控制要求。 （例如：R—C 电路中的“输入”与“输出”） （1）暂态与暂态误差、稳态与稳态误差： 系统处于“过渡过程”时，称系统处于“暂态”或“动态”。暂态时，“输出量”与“由 输入量确定的期望输出量之差”称为“暂态误差”或“动态误差”。“暂态误差”通常较大。 “过渡过程”结束后，系统趋于平稳状态，此时，称系统处于“稳态”或“静态”。稳
态时,“输岀量”与“由输入量确定的期望输出量之差”称为“稳态误差”。“稳态误差”通 常较小,理想的自动控制系统,“稳态误差”为零。 (2)自动控制系统的基本技术性能要求(包括“稳态”和“暂态”两个方面) 1)系统稳态时有较高的控制精度。(精度高、抗干扰能力强) 2)系统的输出对输入作用的响应快 3)系统稳定,控制过程平稳。 上述几项的性能要求,简之为:“稳、准、快”(即:稳定性、准确性、快速性) 典型自动控制系统的动态、静态特征 d() 1、阶跃扰动(或称“突然扰动”) 阶跃扰动的动态和静态特性曲线如图5-5所示。 (图5-5) y() 图5 2、其它几种典型过程的动态特征曲线 阶跃信号作用下的过渡过程 )阶跃信号b)阶跃信号的过渡过程 (1)单调过程;(图5-6) y() y()4 )结 图5-6单调过程滑 a)给定值输入b)扰动输入已合虽 (2)衰减振荡过程:(图5-7a,图画-7b
5 态时，“输出量”与“由输入量确定的期望输出量之差”称为“稳态误差”。“稳态误差”通 常较小，理想的自动控制系统，“稳态误差”为零。 （2）自动控制系统的基本技术性能要求（包括“稳态”和“暂态”两个方面）： 1）系统稳态时有较高的控制精度。（精度高、抗干扰能力强） 2）系统的输出对输入作用的响应快。 3）系统稳定，控制过程平稳。 上述几项的性能要求，简之为：“稳、准、快”（即：稳定性、准确性、快速性） 三、典型自动控制系统的动态、静态特征 1、阶跃扰动（或称“突然扰动”） 阶跃扰动的动态和静态特性曲线如图 5-5 所示。 （图 5-5） 2、其它几种典型过程的动态特征曲线 （1） 单调过程；（图 5-6） （2）衰减振荡过程；（图 5-7a, 图画-7b）