【正文】 抗概 念，根據(jù)基爾霍夫定律寫出以 下方程： 下方程： 圖213 RC無源網(wǎng)絡(luò) RC無源網(wǎng)絡(luò) 按照這些方程可分別繪制 相應(yīng)元件的方框圖如圖2 相應(yīng)元件的方框圖如圖214(a) (d)所示。 結(jié)構(gòu)圖上可以用方框進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算， 結(jié)構(gòu)圖上可以用方框進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，也可以直觀了 解各元部件的相互關(guān)系及其在系統(tǒng)中所起的作用。 ⑵ 引出點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn)) . 表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置,從同一位 引出點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn)) 表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置, 置引出的信號(hào)在數(shù)值和性質(zhì)方面完全相同，如上圖(b)。傳遞函數(shù)不僅可 表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能， 表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，且可用來研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù) 變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。試求電路突然接通電源時(shí)，電容電壓uo(t)的 變化規(guī)律。 βf 2 (t )] = αF1 ( s ) 177。 傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中最基本和最重要的概念。通過對(duì)它求解， 數(shù)學(xué)模型。 統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。(t ) + y(t ) y(t ) + y2 (t ) = r(t ) amp。 1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述, 這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述,其一般形式為 dn d n ?1 d a0 n c(t ) + a1 n ?1 c(t ) + L + an ?1 c(t ) + an c(t ) dt dt dt dm d m ?1 d = b0 m r (t ) + b1 m ?1 r (t ) + L + bm ?1 r (t ) + bm r (t ) dt dt dt 式中, 式中,c(t)是被控量,r(t),a1,…,an； 是被控量, 是輸入量. 定常系統(tǒng)。 而試驗(yàn)法所得到的模型只反映輸入輸出之間的特性，對(duì) 試驗(yàn)法所得到的模型只反映輸入輸出之間的特性 所得到的模型只反映輸入輸出之間的特性， 系統(tǒng)的內(nèi)在信息反映不出來。 綜上所述，列寫元件微分方程的步驟可歸納如下： 綜上所述，列寫元件微分方程的步驟可歸納如下： 根據(jù)元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用，確 根據(jù)元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用， 定其輸入量和輸出量； 定其輸入量和輸出量； 分析元件工作中所遵循的物理或化學(xué)規(guī)律，列寫相 分析元件工作中所遵循的物理或化學(xué)規(guī)律， 應(yīng)的微分方程； 應(yīng)的微分方程； 消去中間變量，得到輸出量與輸入量之間關(guān)系的微 消去中間變量， 分方程，便是元件時(shí)域的數(shù)學(xué)模型。 F2 (t ) = Kx (t ) ——彈簧剛度 K——彈簧剛度 d 2 x(t ) F (t ) ? F1 (t ) ? F2 (t ) = m dt 2 dx (t ) F1 (t ) = f dt F2 (t ) = Kx (t ) F(t) F2(t) F(t) m f a) 圖22 x(t) K m x(t) F1(t) 聯(lián)立以上三式并整理得： 聯(lián)立以上三式并整理得： d 2 x (t ) dx (t ) m +f + Kx(t ) = F (t ) 2 dt dt b) 機(jī)械位移系統(tǒng) 假定m 假定m、k、f均為常數(shù)，上式就是二階常系數(shù)線性微分方程。 質(zhì)量、阻尼系統(tǒng)。這種方法也稱為系統(tǒng)辨 并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近。 內(nèi)部特性。 數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 在閥門開度相同的情況下，水源水壓的高低影響進(jìn)水量的多少。這是通過開環(huán)控制的方式進(jìn)行補(bǔ)償。若輸出谷物的濕度與設(shè)在調(diào)節(jié)器中 將這個(gè)信號(hào)反饋到調(diào)節(jié)器。 度以及水壓都是對(duì)谷物濕度控制的擾動(dòng)作用。 器外，其余部分為控制裝置。冷水流量變化用流量計(jì)測(cè)量。反之， 衡，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開門開關(guān)自動(dòng)斷開。參據(jù)量是給定的常值俯仰角。 系統(tǒng) 穩(wěn)定俯 仰角的 原理示 意圖。 圖為某工廠電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)原理示意圖 系統(tǒng)組成 被控對(duì)象－ 被控對(duì)象－電爐 被控量－ 被控量－爐溫 測(cè)量元件－ 測(cè)量元件－熱電偶 比較環(huán)節(jié)－ 比較環(huán)節(jié)－計(jì)算機(jī) 執(zhí)行元件－計(jì)算機(jī)、 執(zhí)行元件－計(jì)算機(jī)、觸發(fā)器和晶閘管 A/D 轉(zhuǎn)換 爐溫 觸發(fā)器 晶閘管 熱電偶 電爐 爐溫 期望 值 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例 1. 飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng) 飛機(jī) 系統(tǒng) 穩(wěn)定俯 仰角的 原理示 意圖。我們所講述的反饋系統(tǒng)如果無特殊說明， 一般都指負(fù)反饋。 缺點(diǎn)：對(duì)于不可測(cè)擾動(dòng)以及被控對(duì)象及各功能部件內(nèi)部參數(shù)變 缺點(diǎn)： 化對(duì)輸出量造成的擾動(dòng)，系統(tǒng)的控制精度有限， 化對(duì)輸出量造成的擾動(dòng)，系統(tǒng)的控制精度有限，常用于工作機(jī) 械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉(zhuǎn)速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓， 械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉(zhuǎn)速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓，穩(wěn)頻 控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)除可分為按給定量控制方式組成和按擾動(dòng)控 開環(huán)控制系統(tǒng)除可分為按給定量控制方式組成和按擾動(dòng)控 給定量控制方式組成和按 制方式組成兩種組成方式 制方式組成兩種組成方式 按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng) 其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個(gè)輸入量，就 其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個(gè)輸入量， 有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)， 有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校 準(zhǔn)的精度。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。 稱為反饋控制 由于引入了被控量的反饋信息， 由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉 閉環(huán)控制。 ? 執(zhí)行元件—電機(jī)和閥（直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量）。 測(cè)量實(shí)際液面高度h ——用眼睛 用眼睛。 似于人的智慧和經(jīng)驗(yàn)來引導(dǎo)求解過程。 時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。 復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 的安全性。 全面的自動(dòng)化。 2）在駕駛室可進(jìn)行主機(jī)遙控。 舵令及主輔機(jī)工況參數(shù)。 要求學(xué)生能了解現(xiàn)代船舶航海自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展概況 能熟悉自控基本理論在航海技術(shù)問題上的應(yīng)用思路 掌握航海自動(dòng)化系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的基本工作原理、功能和 掌握航海自動(dòng)化系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的基本工作原理、 特點(diǎn) 采用課程結(jié)業(yè)考試和平時(shí)考核 采用課程結(jié)業(yè)考試和平時(shí)考核兩種方式組合計(jì)算本課程最 課程結(jié)業(yè)考試和平時(shí)考核兩種方式組合計(jì)算本課程最 終考核成績。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 二戰(zhàn)以后， 二戰(zhàn)以后，船舶自動(dòng)化技術(shù)獲得很快的發(fā)展 船舶自動(dòng)化 船舶操縱與機(jī)艙設(shè) 備運(yùn)轉(zhuǎn)過程自動(dòng)化 船舶自動(dòng)化的重要內(nèi)容 輪機(jī)自動(dòng)化 船舶自動(dòng)化 航海自動(dòng)化 船體自動(dòng)化 輪機(jī)自動(dòng)化 1)主輔機(jī)遙控。主輔機(jī)工 運(yùn)行情況的集中監(jiān)視和自動(dòng)調(diào)節(jié)、 況的集中顯示； 況的集中顯示；參數(shù)的越限報(bào)警及自動(dòng)調(diào)節(jié)以保持參 數(shù)恒定；故障后的自動(dòng)切換、 數(shù)恒定；故障后的自動(dòng)切換、處理 4)自動(dòng)分析機(jī)器故障的原因和提出維修預(yù)報(bào) 4)自動(dòng)分析機(jī)器故障的原因和提出維修預(yù)報(bào) 5)船舶電站自動(dòng)化 5)船舶電站自動(dòng)化 大連海事大學(xué) 育鯤輪機(jī)艙集控室 航海自動(dòng)化 1）電子海圖的顯示與信息系統(tǒng) 2）雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng) 雷達(dá)、 3）船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS） 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS） 4）自動(dòng)操舵系統(tǒng) 5）最佳航線編制系統(tǒng) 6）船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR） 船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR） 7）自動(dòng)避碰系統(tǒng) 8）現(xiàn)代船舶管理系統(tǒng) 9）船舶治安報(bào)警系統(tǒng)（SSAS） 船舶治安報(bào)警系統(tǒng)（SSAS） 綜合船橋 系統(tǒng) IBS） （IBS） 船體自動(dòng)化 1）船體受力狀態(tài)監(jiān)控 2）最佳配載計(jì)算 3）貨油自動(dòng)裝卸 4）系泊自動(dòng)化 5）壓載水的自動(dòng)排裝 6）冷藏艙和冷藏集裝箱的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)視報(bào)警 7）船內(nèi)通信自動(dòng)化、生活設(shè)施自動(dòng)化以及醫(yī)療自動(dòng)化 船內(nèi)通信自動(dòng)化、 船舶自動(dòng)自動(dòng)化研究始于60年代初期 年代初期， 80年代共 船舶自動(dòng)自動(dòng)化研究始于60年代初期，至80年代共 經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，目前正處于第五個(gè)發(fā)展階段。 為核心 無人機(jī)艙： 無人機(jī)艙：是利用自動(dòng)化設(shè)備代替輪機(jī)人員在機(jī)艙值 班期間的操作管理工作， 班期間的操作管理工作，從而實(shí)現(xiàn)在一段時(shí)間機(jī)艙無 需人員值班。這些高度合理化的自動(dòng)化船均 采用分散的單項(xiàng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 采用分散的單項(xiàng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以微處理機(jī)為 中心，各種控制程序更加完善。這種具有高度信息收集功能和綜合判 斷推理決策決策功能的船舶標(biāo)志著船舶自動(dòng)化已 進(jìn)入第五個(gè)階段。 控制理論的劃分 經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出的一 類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。 智能控制理論 經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論統(tǒng)稱為傳統(tǒng)控制理論 智能控制 在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控 制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。 舉例： 舉例： 鍋爐的爐溫控制 衛(wèi)星的太陽能電池板的角度調(diào)節(jié) 船舶自動(dòng)駕駛儀 自動(dòng)控制和人工控制比較 自動(dòng)控制 人工控制 都以測(cè)量偏差,修正偏差為目的。 3) 根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負(fù)去決定 根據(jù)比較的結(jié)果， 的動(dòng)作——用手 用手。 相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋。圖中， 典型反饋控制系統(tǒng)基本組成可用上面的方塊圖表示。 主要特點(diǎn)： 主要特點(diǎn)： 輸出受給定值操縱, 輸出受給定值操縱,信號(hào)由給定值至輸出量單向 傳遞 一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量。但其結(jié)構(gòu)簡單、 沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。 聯(lián)系的控制過程。 與期望值趨于一致。它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、 狀態(tài)的自動(dòng)裝置。隨著俯仰角偏差的減小， 壓并反饋到輸入端。 例題 例1 ：倉庫大門自動(dòng)控制系統(tǒng)原理示意圖如圖 所示，描述自動(dòng)控制大門開關(guān)的工作原理， 所示，描述自動(dòng)控制大門開關(guān)的工作原理，畫出 系統(tǒng)原理方框圖。 大門自動(dòng)開閉控制系統(tǒng)的原理方框圖如 圖所示。 說明系統(tǒng)是如何保持熱水溫度為期望值的？請(qǐng)繪制系統(tǒng)方框圖， 說明系統(tǒng)是如何保持熱水溫度為期望值的？請(qǐng)繪制系統(tǒng)方框圖， 系統(tǒng)的被控對(duì)象和控制裝置各是什么？ 系統(tǒng)的被控對(duì)象和控制裝置各是什么？ 溫度傳感器不斷測(cè)量實(shí)際溫度， 溫度傳感器不斷測(cè)量實(shí)際溫度，并在溫度控制器中與給定溫度 相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大一點(diǎn)， 相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大一點(diǎn)，進(jìn)入熱 交換器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。 的生產(chǎn)過程中，有一種出粉最多的濕度， 的生產(chǎn)過程中，有一種出粉最多的濕度，因此磨粉 之前要給谷物加水以得到給定的濕度。 該系統(tǒng)的被控對(duì)象是谷物流，被控制量是輸出谷物的濕度， 該系統(tǒng)的被控對(duì)象是谷物流，被控制量是輸出谷物的濕度，擾動(dòng) 量包括輸入谷物的濕度、谷物流量和水源水壓。這是通過閉環(huán)負(fù)反饋減少偏差的過程，不論由什么原因引 起的偏差都可由閉環(huán)負(fù)反饋得到抑制。通過順 饋通道，可以減少或消除某些干擾(輸入谷物濕度 的影響， 輸入谷物濕度)的影響 饋通道，可以減少或消除某些干擾 輸入谷物濕度 的影響，提高了系 統(tǒng)的精度，減輕了閉環(huán)控制回路的負(fù)擔(dān)。在加水量相同的情況下， 也影響輸出谷物的濕度。 描述了系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系。然后消去中間變 從而求得系統(tǒng)輸入和輸出的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 電氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) R ui(t) L i(t) C 例：圖為由電阻R、 圖為由電阻R 電感L電容C組成的無源網(wǎng)絡(luò), 電感L電容C組成的無源網(wǎng)絡(luò), uo(t) 試列寫以 ui(t) 為輸入量, 為輸入量, 以u(píng)o(t)為輸出量的網(wǎng)絡(luò)微 分方程. 分方程. 圖21 RLC無源 RLC無源 網(wǎng)絡(luò) 基爾霍夫定律可寫出回路 解 : 設(shè)回路電流為 i(t) , 由 基爾霍夫定律 可寫出回路 方程為 L di (t ) 1 + Ri (t ) + ∫ i (t )dt = ui (t ) dt C 1 uo (t ) = ∫ i (t )dt C duo (t ) i (t ) = C dt 消去中間變量i(t),便得到描述網(wǎng)絡(luò)輸入輸出關(guān)系的微 ),便得到描述網(wǎng)絡(luò)輸入輸出關(guān)系的微 分方程為 d 2uo (t ) duo (t ) LC + RC + uo (t ) = ui (t ) 2 dt dt (2(21) 假定R 假定R、L、C都是常數(shù)，這是一個(gè)二階常系數(shù)線性微分 都是常數(shù)， 方程,也就是上圖無源網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型。 上受力情況如圖示 質(zhì)量 m 上受力情況如圖示。 物理結(jié)構(gòu)不同的元件或系統(tǒng),可以具有相同形式的數(shù)學(xué)模型。 左端，方程兩端變量的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)均按降冪排列。在條件許可的條件下， 方面的不足。 信號(hào)。 在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多， 在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多，如船舶上的航向保持自動(dòng)操 舵儀、冶金部門的恒溫系統(tǒng)等。例如， 火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。 然而用微分方程式表示系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際應(yīng)用中 會(huì)有如下的問題： 會(huì)有如下的問題： 1）微分方程式的階次越高，求解難度就越大，且計(jì)算工 微分方程式的階次越高，求解難度就越大， 作量大大增加。 一、拉普拉斯(Laplace)變換 拉普拉斯(Laplace) (Laplace)變換 ⑴ 定義： 定義： 設(shè)函數(shù)f(t)當(dāng)t ≥0時(shí),f(t)有定義，且積 ≥0時(shí) 有定義， 分 ∞ (2(211) F (s) = f (t )e ? st dt (s是一個(gè)復(fù)參量 是一個(gè)復(fù)參量) (s是一個(gè)復(fù)參量) ∫ 0 在s的某一域內(nèi)收斂,則稱F(s)為f(t) 的拉氏變換， 的某一域內(nèi)收斂, (s)為 的拉氏變換， (s)又稱為象函數(shù) 又稱為象函數(shù)， 記作F(s)=L[f(t)] , F(s)又稱為象函數(shù)， f(t)稱為 原函數(shù)。 β f 2 ( s ) 1 例1 L [sin ω 0 t ] = L [e jω0 t ? e ? jω0 t ] 2j 1 ? 1 1 ? ω0 ? = ? s ? j ω ? s + jω ? = s 2 + ω 2 ? 2j? 0 0 ? 0 s 1? 1 1 ? ?= 2 + 例2 L [cos ω 0 t ] = ? 2 2 ? s ? j ω 0