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自动控制原理课后习题答案

• 1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频率 响应(对稳态正弦输入) 。
• 20世纪40年代,Evans提出并完善了根轨迹法。
• 20世纪50年代末,最优控制系统设计。
• 20世纪50年代末,基于时域分析的现代控制理 论。
• 60年代~80年代:最优控制、随机系统的最优控 制、复杂系统的自适应控制和学习控制得到了研 究。
5. 干扰量(Disturbance):引起被控量偏离预定运 行规律的量。除给定值之外,凡能引起被控量变 化的因素,都是干扰。干扰又称扰动
6.反馈(Feedback):将系统输出量引回输入端,并 与参考输入进行比较的过程。
7.前向通路 (Forward Channel):从给定量到被控 量的通道。
缺点: 闭环控制系统的参数如果匹配得不好,会造成被控量的 较大摆动,甚至系统无法正常工作。
例: 飞机自动驾驶控制
被控对象: 飞机
被控量: 飞机的俯仰角 θ
控制任务:系统在任何扰动作用下,保持飞机俯仰角不变。
仰俯角控制系统方块图
IV 复合控制
开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上,它是在 闭环控制回路的基础上,附加了一个输入信号或扰动作用 的顺馈通路,来提高系统的控制精度。
an
d
n n
c(t
)
dt n
+
an-1
d n-1n-1c(t ) dt n-1
+"+
a1
dc(t) dt
+
a0c(t )
=
bm
d m m r (t ) dt m
+ bm-1
d m-1m-1r (t ) dt m-1
+" + b1
dr(t) dt
+
b0 r (t )
式中:r(t)——系统输入量; c(t)——系统输出量 主要特点是具有齐次性和叠加性。
电机调速系统
2 随动系统( Tracking Control) 特点:输入信号是一个未知函数。要求控制系统的 输出量跟随输入信号变化。
地面弹炮防空系统
硬盘控制器
3 过程控制系统(程序控制系统 Process Control)
特点:输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按预 定的程序进行,要求被控量能迅速准确地复现输入,如化
测量实际液面的高度h1 -------用眼
实际液面高度h1与希望液面高度h0相 比较-------用脑
按比较的结果,即液面高度偏差的正 负去决定控制动作-------用手
• 自动控制
人工控制中有三种职能作用:测量、比较和执 行,而在自动控制系统中也必须有这三种,如图 1-3所示。液位控制系统由以下五部分组成。
4. 自动控制理论
研究自动控制共同规律的技术科学。
• 经典控制理论:以传递函数(Transfer Function)为 基础,研究单输入单输出(Single Input Single Output System)、线性定常系统(Linear Time Invariant System)的分析和设计问题。
8.反馈通路 (Feedback Channel):从被控量到比较 点的通道。
9.误差(Error):期望输出值与实际输出值之间的偏 差。
6. 自动控制系统的基本控制方式 开环控制
¾ 按给定值的开环控制 ¾ 按扰动补偿的开环控制
按偏差调节的反馈控制 复合控制
I 按给定值的开环控制
图1-6 按给定值的开环控制框图
自动控制理论A
天津大学电气与自动化工程学院 2013 秋季学期
课程信息
• 评分标准: 平时成绩20%+期末考试80% • 任课教师:鲜斌 • 电子邮件:xbin@ • 办公室:第26教学楼E525 • 答疑时间:周一下午3:55-5:00
• 教材
1.《自动控制原理》,胡寿松,第5版,2007
1-1 自动控制的基本原理与方式
1. 自动控制 (Automatic Control)
在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或 装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或 生产过程(被控对象)的某个工作状态或参数 (即被控量)自动地按照预定的规律运行
2. 自动控制系统 (Automatic Control System)
例: 炉温控制系统 问题: 如果周围温度发生变化,能否回到设定的温度?
特点: 控制装置只按给定值来控制受控对象
优点: 控制系统结构简单,相对来说成本低。
缺点: 对可能出现的被控量偏离给定值的偏差 没有任何修正能力,抗干扰能力差,控 制精度不高。
II 按扰动补偿的开环控制
利用扰动信号产生控制作用,以及时补偿干扰对被控量的 直接影响。
2. 控制装置(Control Device):指对被控对象起控 制作用的设备总体。包含测量变换部件、放大部 件和执行装置。
3. 被控量(Controlled Variable):指被控对象中 要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。 被控量又称输出量、输出信号 。
4. 给定值 (Reference Value):是作用于自动控制 系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值 又称输入信号、输入指令、参考输入。
2. 《自动控制原理》 科学出版社,2010, 夏超英
参考书籍 1. 《自动控制原理》 清华大学出版社,
1990,吴麒等。 2. 《现代控制工程》 绪方胜彦
Modern Control Engineering K. Ogata 3. 《自动控制原理》,国防工业出版社,李

课程安排
• 第一章 自动控制的一般概念 • 第二章 控制系统的数学模型 • 第三章 线性系统的时域分析法 • 第四章 线性系统的根轨迹法 • 第五章 线性系统的频域分析法 • 第六章 线性系统的校正方法 • 第七章 线性离散系统分析与校正 • 第八章 非线性控制系统分析
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
(III)
按传输信号 性质来分
连续系统 离散系统
1、连续系统 (Continuous System) 特点:系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工
业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。
2、离散系统(Discrete System) 特点:系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形
1-4 对自动控制系统的要求
1. 基本要求 稳定性
保证控制系统正常工作的先决条件,被控量偏离期望值 的初始偏差应随时间的增长逐渐减小,并趋于零。 快速性 对受控系统的过渡过程形式和快慢的要求,也称为动态 性能。 准确性 理想情况下,在过渡过程结束后,被控量的稳态值应与 期望值一致,但一般都存在稳态误差。
¾ 被控对象-----水池 ¾ 测量元件-----浮子 ¾ 比较机构-----电位器/电桥 ¾ 放大机构-----功率放大器 ¾ 执行元件-----拖动电机
• 控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件, 组件的基本组成单元如图1-4所示,其中图a)为 引出点,图 b)为比较点,图 c)部件的框图。
是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的 系统,它由被控对象和控制装置组成。
3. 自动控制的发展历程
• 18世纪,James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离 心调节器,是自动控制领域的第一项重大成果。
• 1922年,Minorsky研制出船舶操纵自动控制器, 并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的 方法。
课程基本要求
总体安排: 16周授课时间,64学时,4学分
课程定位:自动化专业核心专业基础理论课
课程要求:掌握经典控制理论的基本理论方 法,并能够对工程控制系统进行 分析、设计和校正
课程特点
• 工程应用类课程 • 理论与实际相结合 • 原理与经验相结合
与其他课程的联系
第一章 自动控制系统的一般概念
r(t
)
=
⎧0, ⎨⎩∞,
t≠0 t=0
+∞
∫ r(t)dt =A −∞
④ 加速度函数 (acceleration function)
r
(t
)
=
⎧⎪ ⎨
1 2
Rt
2
,
t≥0
⎪⎩0, t < 0
④ 正弦函数 (sinusoidal function)
r(t
)
=
⎧ Asin(ωt
⎨⎩0, t <
− 0
故液位自动控制系统也可用图1-5来表示:
图1-5 自动控制系统方框图
主要组成部分: ¾ 测量元件:用以测量被控量或干扰量。 ¾ 比较元件:将被控量与给定值进行比较。 ¾ 执行元件:根据比较后的偏差,产生执行作用,去操
纵被控对象
参与控制的信号来自三条通道,即给定值、干扰量、被控 量。
一些基本概念
1. 被控对象(Plants) :要求实现自动控制的机 器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的主 体,例如火箭、锅炉、机器人等。
blocket) 4. 神经网络工具箱 (neural network toolbox) 5. 模糊逻辑工具箱 (fuzzy logic toolbox) 6. 系统辨识工具箱 (system identification toolbox)
“稳、快、准”
动态性能、稳态性能
稳定性示意图
快速性示意图
准确性示意图
性能指标综合评价
2. 典型外作用(典型输入信号)
① 阶越函数 (step function)
r
(t)
=
⎧0, ⎨⎩R,
t<0 t≥0
② 斜坡函数 (ramp function)
r(t
)
=
⎧0,
⎨ ⎩
Rt,
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