自动化学科概论-第3章

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1、自动化学科概论第3章：自动化的基本原理自动化学科概论第3章自动化的基本原理3.1自动化、自动控制系统与自动控制理论3.2被控对象及其数学模型的建立3.3自动控制基本原理3.4数字控制及计算机控制系统3.5自动化基本设备3.6小结自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。“系统”是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。3.1自动化、自动控制系统与自动控制理

2、论第3章自动化的基本原理简单的水箱液位控制水箱液位自动控制系统一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：(1)被控对象控制系统所要控制的设备或过程(2)给定环节产生给定输入信号的环节(3)测量环节随时将被控制量检测出来的装置(4)比较环节其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较(5)控制环节它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标(6)执行环节按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：⑴系统的模型(

3、动态、静态)⑵系统的分析(系统的特性)⑶控制系统的综合(控制规律)不同特色的理论和技术体系(1)经典控制理论(微分方程、传递函数、根轨迹法、频率法)(2)现代控制理论(状态空间方程、系统辨识、最优控制、最佳估计、自适应控制)(3)大系统理论和智能控制技术(广度、深度)3.2.1被控对象的类型3.2.2建立被控对象数学模型的基本方法3.2.3复杂系统建模的困难3.2被控对象及其数学模型的建立第3章自动化的基本原理工程技术领域的被控对象不同的分类法（1）按被控对象的特性可分为线性和非线性（2）按被控对象结构参数可分为定常和时变（3）

4、按系统传输信号的性质可分为连续系统和离散系统（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统和随动控制系统3.2.1被控对象的类型3.2.2建立被控对象数学模型的基本方法建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。解析法-建立起输入与输出之间的因果关系实验法--把需建模的对象看成为一个“黑箱”水槽液位系统：输入流量Qi，液位高度H，输出流量Qo，水槽面积S，很小时间dt内，液位高度有dH的变化。3.2.2建立被控对象数学模型的基本方法3.2.2建立被控对象数学模型的基本方法3.2.2建立被控对象数学模型的基

5、本方法复杂系统的建模，会存在更多的困难：⑴对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达式去描述。⑵对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微分方程或大维数的状态方程。⑶实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。⑷实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。3.2.3复杂系统建模的困难3.3.1自动控制系统的基本性能要求3.3.2开环控制与闭环控制3.3.3单回路控制与多回路控制3.3.4基本控制规则3.3.5单变量控制与多变量控制3.3.6非线性系统控制及其困难3.

6、3自动控制基本原理第3章自动化的基本原理一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态，把处于平衡状态时称为静态。自动控制系统动态过程常见形式：3.3.1自动控制系统的基本性能要求⑴单调收敛过程⑵单调发散过程⑶衰减振荡过程。⑷等幅振荡过程。⑸发散振荡过程。自动控制系统的基本性能⑴稳定性与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个控制系统过渡过程的好坏。⑵快速性⑶准确性对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行的。开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分

7、的两种不同的控制形式。3.3.2开环控制与闭环控制1、开环控制扰动补偿控制，也称为“前馈控制”2、闭环系统自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义下的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。液位自动控制系统即为液位偏差信号，假设H(s)=1,则系统输出y为最后可得：表示了整个系统输出与输入之间的传递关系，称为系统的

8、“闭环传递函数”，而把称为系统的“开环传递函数”。复合控制复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的高精度。这是一种得到广泛应用的控制形式。单回路控制——具有一个闭合环路的控制多回路控制——具有多个控制器