控制工程基础ppt课件

1 控制工程基础 2 参考资料 杨叔子主编 机械工程控制基础 控制工程基础的经典教材 上页 下页 目录 3 目录 上页 下页 第2章 控制系统的数学模型 第3章 控制系统的时间响应分析与误差分析 第4章 控制系统的频率特性分析 第5章 控制系统的稳定性第6章 控制系统的性能分析与校正 第1章 绪论 4 第1章绪论 1 1概述 1 2自动控制系统的基本概念 上页 下页 目录 5 本章的教学大纲 1 了解自动控制理论研究的对象 作用 2 掌握自动控制系统结构 工作原理及系统结构方框图 3 掌握输入量 输出量 反馈 偏差等基本概念 4 了解控制系统的组成 分类及基本要求 教学重点 自动控制系统工作原理 系统结构方框图及输入量 输出量 反馈 偏差等基本概念 上页 下页 目录 6 1 1概述 1 学科性质 技术科学 应用理论 2 研究对象 自动控制系统 3 研究问题 自动控制系统的性能 好坏 如何建立数学模型 工程上分析和计算系统的方法 一般的理论和规律 例如1机器人 2火箭发射 3数控机床 视频 等 上页 下页 目录 7 一 发展阶段 经典控制 20世纪50年代末形成完整的体系 以传递函数为基础研究单输入 输出系统 SISO 的反馈控制系统 采用的方法主要有 时域分析法 根轨迹法和频率法 现代控制 60 70年代 以状态空间法为基础研究多输出输入 MIMO 系统 变参数 非线性 高精度等系统 采用的方法主要有 状态空间分析法 本课程研究经典控制的主要内容 大系统理论和智能控制论 大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案 总体设计中的分析方法和协调问题 智能控制论是研究与模拟人类活动的机理的新的控制论 上页 下页 目录 8 二 自动控制理论的发展简史 1 1765瓦特飞锤控制器的应用 可以看成是自动控制学科发展的起点 上页 下页 目录 9 2 1877年 劳斯 E Routh 和1895年赫尔维茨 A Hurwith 分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据 3 1948年维纳 N Wiener 发表 控制论 关于在动物和机器中控制和通讯的科学 一文 是控制论正式成为一门学科的标志 1932年奈奎斯特 H Nyquist 在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据 并提出了稳定裕量的概念 1945年伯德 H W Bode 提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法 1948年伊万斯 w K Evans 又创立了根轨迹法 点击查看主要事迹 上页 下页 目录 10 4 1954年 钱学森用英文发表 工程控制论 把控制论推广到其他领域 继而出现了生物控制论 经济控制论 社会控制论等 点击查看主要事迹 上页 下页 目录 11 三 主要研究的问题 研究内容有二 一为系统分析 二为系统的设计 包括系统综合 系统设计 寻求一个能完成一定控制任务 满足一定控制要求的控制系统 系统综合 控制系统设计好后 即控制系统的主要元件和结构确定后 为了满足系统的性能指标 需要改变控制系统的某些参数或结构或附加某种装置 这个过程称为系统的校正或系统的综合 系统分析 已知系统的结构和参数 研究它在某种典型输入信号作用下 被控量变化的全过程 从这个变化过程得出其性能指标 并讨论性能指标和系统的结构 参数的关系 上页 下页 目录 12 英文一般翻译 ControlTheory英语原文 Cybernetics 控制论 来源希腊文 mberuhhtz 原意为 操舵术 就是掌舵的方法和技术 1948年维纳在 控制论 关于在动物和机器中控制和通讯的科学 提出 控制论是一门研究机器 生命社会中控制和通讯的一般规律的科学 他特意创造 Cybernetics 这个英语新词来命名这门科学 控制论三要素 信息 反馈 控制 四 控制论 上页 下页 目录 13 五 自动控制 定义 是指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 控制装置 使机器 设备 或者生产过程 控制对象 的某个工作状态或参数 被控量 自动的按照预定的规律运行 生物 医学 环境 经济管理等其它 应用范围 工业 数控机床 轧钢机 恒温箱等 农业 恒温大棚 农业自动化机械 宇航 火箭 飞船 卫星 机器人 导弹制导 核动力等高新领域 道路交通 信号灯控制 车牌自动识别 日常 冰箱 洗衣机 空调 上页 下页 目录 14 上页 下页 目录 自动火炮 导弹制导等高新领域的应用 15 上页 下页 目录 在雷达领域的应用 16 上页 下页 目录 在家电领域的应用 17 道路交通的应用 车牌自动识别 上页 下页 目录 18 恒温恒湿试验箱又名环境试验箱 实验各种材料的耐热 耐寒 耐干 耐湿性能 适合电子 电器 食品 车辆 金属 化学 建材等实验 上页 下页 目录 19 生化培养箱是供医疗卫生 医药 生物 农业 科研等部门作储藏菌种 生物培养等科研必需设备 上页 下页 目录 20 上页 下页 目录 在农业机械领域的应用 21 详细介绍请点击观看5中国探月计划全程模拟 视频 上页 下页 目录 在太空领域的应用 如4 嫦娥 奔月计划 22 1 2自动控制系统的基本概念 上页 下页 目录 本节的难点 反馈控制的基本原理 本节的重点 恒温箱的控制过程反馈控制的原理自动控制系统的分类自动控制系统的要求 23 控制过程 1 测量元件 温度计 测出箱内的实际温度 被控量 2 与给定值 要求的温度 进行比较 得出偏差3 根据偏差的大小和方向进行控制 上页 下页 目录 一 恒温箱的控制过程 24 二 恒温箱的控制比较 热电偶传感器 人工控制与自动控制的相似之处 比较电路 放大电路和执行电动机 被控量不变 控制装置不同 上页 下页 目录 25 三 手动控制与自动控制 手动控制靠人的观测与操作自动控制系统自动检测水位与控制阀门 上页 下页 目录 26 四 反馈 输入量 给定量输出量 被控制量反馈 将输出量的全部或一部分通过适当的测量装置返回到输入端 使两者进行比较 偏差 比较的结果实质相同 检测偏差用以纠正偏差 反馈原理是实现自动控制的最基本方法 上页 下页 目录 27 五 反馈控制系统的基本组成 放大元件 调节元件 执行元件 测量元件 反馈元件 控制对象 比较元件 扰动 被控量 给定量 信号输入 给定元件 信号输出 反馈 可以有正反馈和负反馈 一般系统可有多个反馈 但主反馈一定是负反馈 被控量 系统的输出量 影响系统输出量称为系统干扰量 上页 下页 目录 28 六 系统的分类 按照有无反馈 开环系统 闭环系统 优点 构造简单 成本低 缺点 抗干扰能力差 优点 抗干扰能力强 稳态精度高 动态精度好 缺点 构造复杂 成本较高 烧开水为例 电饭煲为例 上页 下页 目录 29 七 系统的其他分类 恒值调节系统 指参考输入量保持常值 如恒温箱 程序控制系统 参考输入量随时间规律变化的 如智能电磁炉 随动系统 参考输入量随时间任意变化的 如液压仿型刀架 连续控制系统 数字控制系统 复合控制系统 输入量 信号的类型 3 其他分类 上页 下页 目录 30 八 控制系统的基本要求 1 稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力 是系统工作的首要条件 上页 下页 目录 31 2 准确性 当稳定系统过渡过程结束后 系统输出量的实际值与期望值之差 也称为稳态误差 3 快速性 即动态过程进行的时间长短 注意 不同的系统对稳 快 准的要求应有所侧重 而对于同一系统 稳 快 准的要求是相互制约的 它是衡量系统稳态精度的重要指标 稳态误差越小 表示系统的准确性越好 上页 下页 目录 32 维纳趣事 20世纪著名数学家诺伯特 维纳 从小就智力超常 三岁时就能读写 十四岁时就大学毕业了 几年后 他又通过了博士论文答辩 成为美国哈佛大学的科学博士 在博士学位的授予仪式上 执行主席看到一脸稚气的维纳 颇为惊讶 于是就当面询问他的年龄 维纳不愧为数学神童 他的回答十分巧妙 我今年岁数的立方是个四位数 岁数的四次方是个六位数 这两个数 刚好把十个数字0 1 2 3 4 5 6 7 8 9全都用上了 不重不漏 这意味着全体数字都向我俯首称臣 预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业 维纳此言一出 四座皆惊 大家都被他的这道妙题深深地吸引住了 整个会场上的人 都在议论他的年龄问题 诺伯特 维纳 NorbertWiener 1894 1964 维纳是美国数学家 控制论的创始人 维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚 1964年3月18日卒于斯德哥尔摩 上页 下页 目录 33 主要成就 建立维纳测度引进巴拿赫 维纳空间阐述位势理论发展调和分析 维纳在其50年的科学生涯中 先后涉足哲学 数学 物理学和工程学 最后转向生物学 在各个领域中都取得了丰硕成果 称得上是恩格斯颂扬过的 本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人 他一生发表论文240多篇 著作14本 他的主要著作有 控制论 1948 维纳选集 1964 和 维纳数学论文集 1980 维纳还有两本自传 昔日神童 和 我是一个数学家 他的主要成果有如下八个方面 发现维纳 霍普夫方法提出维纳滤波理论开创维纳信息论创立控制论 点击返回 上页 下页 目录 34 钱学森简介 钱学森 1911 中国著名物理学家 世界著名火箭专家 浙江杭州人 生于上海 1934年毕业于上海交通大学机械工程系 1934年在美国麻省理工学院和加利福尼亚理工大学学习 1935年赴美国研究航空工程和空气动力学 1938年获加利福尼亚理工学院博士学位 后留在美国任讲师 副教授 教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任 1938年获博士学位后留校任教并从事火箭研究 1950年开始争取回归祖国 当时一位美国海军高级将领说 钱学森无论走到哪里 都抵得上3 5个师的兵力 绝不能让他离开美国 因此钱学森受到美国政府迫害 失去自由 历经5年于1955年才回到祖国 1955年10月冲破种种阻力回国后 1958年起长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务 1959年 加入中国共产党 曾任中国科学院力学研究所所长 第七机械工业部副部长 国防科工委副主任等职 现任中国科技协会名誉主席等职 上页 下页 目录 35 钱学森主要成就 钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人 对航天技术 系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献 钱学森共发表专著7部 论文300多篇 主要贡献表现在以下几方面 应用力学喷气推进与航天技术工程控制论物理力学系统工程与科学 思维科学人体科学科学技术体系马克思主义哲学系统工程与科学 科学火炬的传递者 点击返回 上页 下页 目录 36 第2章控制系统的数学模型 2 2拉氏变换及反变换 2 3传递函数及基本环节的传递函数 2 4系统框图及其简化 2 1控制系统的微分方程及线性化方程 上页 下页 目录 37 本章的教学大纲 1 掌握机械 电气系统微分方程的建立方法 2 了解非线性方程的线性化 3 熟悉拉普拉斯变换及反变换 线性定常微分方程的解法 4 熟悉传递函数 5 掌握系统传递函数方框图的化简 重点是微分方程 传递函数 拉普拉斯变换及反变换 解微分方程 化简传递函数方框图 难点是建立微分方程及化简传递函数方框图 上页 下页 目录 38 2 1控制系统的微分方程及线性化方程 基本概念 数学模型 微分方程 传递函数 状态方程 定义 描述系统的数学表达式 意义 通过数学模型 在理论上掌握系统在一定的输入作用下的运动规律以及稳定情况和动态过程 形式 微分方程是最基本数学模型 是其他两种的基础 上页 下页 目录 39 一 建立微分方程的一般步骤 1 确定输入量 输出量和扰动量 并根据需要引进一些中间变量 2 根据物理或化学定律 列出微分方程 3 消去中间变量后得到描述输出量与输入量 包括扰动量 关系的微分方程 标准形式 输入量在等号的右边 输出量在等号的左边 均按降次排列 上页 下页 目录 40 二 机械系统的微分方程的建立 基本原理 1 牛顿第二定律 F ma 2 简化模型为质量块m 弹簧k 阻尼器f f 粘滞摩擦系数 k 弹簧系数 方向 均为阻碍物体运动趋势 上页 下页 目录 41 实例1 平移系统 某系统简化模型如下图所示 当外力y t 作用于系统时 系统将产生运动 试写出外力y t 与质量块的位移x t 之间的微分方程 解 在外力作用下 如果弹簧恢复力和阻尼器阻力与y t 不能平衡 则质量块将产生加速运动 其速度和位移发生变化 根据牛顿定理有 上页 下页 目录 42 实例2 回转系统 f 转动时粘滞摩擦系数 k 弹性扭转变形系数 上页 下页 目录 43 实例3 弹簧 阻尼器系统 点A 点B 上页 下页 目录 44 三 电气系统微分方程的建立 基本原理 2 典型元件的电压与电流的关系 1 环路电压定律和节点电流定律 上页 下页 目录 45 实例1 RLC网络 左图是由电阻R 电感L和电容C组成的无源网络 试列写以为输入量 以为输出量的网络微分方程 解 设流过电感L的电流为i t 则 带入后消去电流为i t 则得如下方程 空载 上页 下页 目录 46 实例2 直流他激电动机 设激磁电流恒定并忽略电枢反应 为转速 Ua为电枢电压 Mc为负载1 电枢回路的电势平衡方程为 2 电动机的反电势方程为 Ce为电动机的电势常数 单位为v s rad 3 电动机的电磁转矩方程为 Cm为电动机的转矩常数 单位为Nm A 上页 下页 目录 47 4 电动机轴上的动力学方程为 J为转动部分折算到电动机轴上的总转动惯量 其单位为N m s2 消去ea ia M三个中间变量 可以得到描述输出量 输入量ua及扰动量M之间的关系的微分方程为 电机的电磁时间常数 电机的机械时间常数 电压传递系数 转矩传递系数 上页 下页 目录 48 讨论 通常电枢的电感La很小 所以电磁时间常数可以忽略不计 于是电动机的微分方程可以简化为 如果取电动机的转角作为输出 则上式可改写为 上页 下页 目录 49 实例3 有源网络 解 下图是一个由理想运算放大器组成的电容负反馈电路 电压和分别表示输入量和输出量 试确定这个电路的微分方程式 I A 上页 下页 目录 50 非线性方程的线性化 自学 非线性方程难于求解 用线性数学模型近似表示非线性数学模型 在一定工作范围内进行线性化处理 将非线性函数在平衡点附近展成泰勒级数 并忽略高次项 例 直流发电机 X轴表示励磁电流 Y轴表示输出电势 由于存在磁路饱和 y和x呈非线性关系 y f x 可以在 x0 y0 附近泰勒级数 上页 下页 目录 51 忽略高次项 然后用增量表示 是比例常数 经上述处理后 就变成了线性方程 上页 下页 目录 52 对于具有两个自变量的非线性函数 在静态工作点y0 x10 x20 附近展成泰勒级数 用增量表示 及 是比例常数 上页 下页 目录 53 上述方法称为小偏差线性化方法 它是基于这样一种假设 输入量和输出量只是在静态工作点附近作微小变化 几点注意 1 只适用于不太严重的非线性系统 其非线性函数是可以利用泰勒级数展开的 非本质非线性 2 实际运行情况是在某个平衡点 即静态工作点 附近 且变量只能在小范围内变化 3 不同静态工作点得到的方程是不同的 4 对于严重的非线性 例如继电特性 因为处处不满足泰勒级数展开的条件 故不能做线性化处理 5 线性化后得到的是增量微分方程 上页 下页 目录 54 2 2拉氏变换与反变换 本节的难点 拉氏变换的严格的数学推导与变换 本节的重点 工程常见函数的拉氏变换拉氏变换的运算规则基于分部积分法的拉氏反变换 上页 下页 目录 55 一 问题的引入 目的 将微分方程转换为代数方程 实质是将微积分运算转换为乘除运算 使求解大大简化 是工程技术人员常用的分析控制系统的数学方法 如此时将y t 改变为一时变作用力 那么运动状态有时如何分析呢 上页 下页 目录 56 二 拉氏变换 Laplacetransform 的定义 满足条件 1 在任一有限区间 分段连续 只有有限个间断点 2 有限性 即当时间趋紧无穷大时 收敛于某一个数 定义 式中 称为原函数 称为象函数 上页 下页 目录 57 三 阶跃函数的拉氏变换 阶跃函数的定义 如果A 1 称为单位阶跃函数 记为1 t 即 对系统输入阶跃函数就是在t 0时 给系统加上一个恒值输入量 如左图所示 该函数的拉氏变换为 单位阶跃函数的拉氏变换为R s 1 s 上页 下页 目录 58 四 斜坡函数的拉氏变换 斜坡函数也称等速度函数 其定义 如果A 1 称为单位斜坡函数 如图所示 输入斜坡函数相当于对系统输入一个随时间作等速变化的信号 如右图所示 该函数的拉氏变换为 单位斜坡函数的拉氏变换为R s 1 s2 分部积分法 阶跃函数 上页 下页 目录 59 五 脉冲函数的拉氏变换 脉冲函数的定义 脉冲函数在理论上 数学上的假设 是一个脉宽无穷小 幅值无穷大的脉冲 在实际中 只要脉冲宽度 极短即可近似认为是脉冲函数 如图所示 脉冲函数的积分 即脉冲的面积为 如果A 1 即面积为1的函数称为单位脉冲函数 记为 即 上页 下页 目录 60 六 脉冲函数的拉氏变换 脉冲函数拉氏变换为 函数的图形如图所示 脉冲函数的积分就是阶跃函数 单位脉冲函数的拉氏变换为R s 1 上页 下页 目录 61 七 其他常用函数的拉氏变换 1 指数函数 2 正弦函数和余弦函数 欧拉公式 上页 下页 目录 62 八 拉氏变换的常用定理 1 线性定理 该定理表示 常数与原函数乘积的拉氏变换等于常数与该原函数的拉氏变换的乘积 若干原函数之代数和的拉氏变换等于各原函数拉氏变换之代数和 2 延迟定理 3 位移定理 上页 下页 目录 63 4 微分定理 设 则各阶导数的拉氏变换为 特别注意 上页 下页 目录 64 5 积分定理 设 则 特别注意 当是n重积分时 上页 下页 目录 65 6 终值定理 若函数f t 的拉氏变换为F s 7 初值定理 若函数f t 的拉氏变换为F s 上页 下页 目录 66 九 拉氏反变换 这是复变函数的积分 一般难以直接计算 通常用查拉氏表的方法求拉氏反变换 若原函数F s 在表中不能直接查到 则需将F s 展开成部分分式 再对每项象函数求拉氏反变换 将各反变换的原函数相加 就得到F s 的原函数 这种方法称为部分分式法 1 由象函数F s 求原函数f t 称拉氏反变换 用表示 数学定义为 上页 下页 目录 67 十 拉氏反变换 部分分式法 F s 一般可以写成如下形式 根据极点的不同 可以分成如下三种情况讨论分析 式中是F s 的极点 上页 下页 目录 68 F s 只含有不相同的实数极点 1 无重实根 式中是待定的常数 它是的留数 按下式求得 F s 的拉氏反变换为 上页 下页 目录 69 例题1 求的拉氏反变换 解 留数法 待定系数法 查表 上页 下页 目录 70 例题2 解 求的拉氏反变换 令 微分定理 上页 下页 目录 71 若F s 的极点中含有复数极点 仍可用上面单极点的处理方法来分解F s 只是ki是复数 如果s1 s2是共轭复数极点 则k1 k2也是共轭复数 故两个求一个即可 2 共轭复根 上页 下页 目录 72 解 例题3 求原函数 上页 下页 目录 73 K1 k2 k3代入上式得 取拉氏反变换得 上页 下页 目录 74 3 有重根 假设有个重复极点 上页 下页 目录 75 例题4 求拉氏反变换 解 上页 下页 目录 76 十一 用拉氏变换求解微分方程 一般步骤是 1 对线性微分方程的每一项进行拉氏变换 使微分方程变成以s变量的代数方程 2 求解代数方程 得到输出变量象函数的表达式 3 将象函数展开成部分分式 4 对部分分式进行拉氏反变换 得到微分方程的解 上页 下页 目录 77 例题5 已知微分方程 式中y x分别是输出与输入量 设 求y t 解 根据微分定理对微分方程进行拉氏变换 得 将上式按部分分式展开 上页 下页 目录 78 解一 解二 补充习题答案 上页 下页 目录 79 2 3传递函数的概念及典型环节的传递函数 本节的难点 1 惯性环节和振荡环节2 实际控制系统的传递函数的求解 本节的重点 传递函数的概念及性质基本环节的传递函数 上页 下页 目录 80 问题的引出 控制系统的微分方程 是时域中描述系统动态性能的数学模型 求解微分方程可以得到在给定外界作用及初始条件下系统的输出响应 并可通过响应曲线直观地反映出系统的动态过程 但系统的参数或结构形式有变化 微分方程及其解都会同时变化 不便于对系统进行分析与研究 根据求解微分方程的拉氏变换法 可以得到系统的另一种数学模型 传递函数 它不仅可以表征系统的动态特性 而且可以方便地研究系统的参数或结构的变化对系统性能所产生的影响 在经典控制理论中广泛应用的根轨迹法和频率法 就是在传递函数基础上建立起来的 上页 下页 目录 81 一 传递函数的定义 定义 对于线性定常系统 在零初始条件下 系统输出量的拉氏变换Y s 与输入量的拉氏变换X s 之比 表示方法 上页 下页 目录 82 二 传递函数的说明 1 特征方程 传递函数中分母等于零的方程称作特征方程 2 极点 使特征方程为零的s pn称为极点 3 零点 是传递函数为零的s zm称为零点 共同决定了系统的动态过程 上页 下页 目录 83 三 传递函数的性质 1 传递函数表示系统传递输入信号的能力 反映系统本身的动态特性 它只与系统的结构和参数有关 与输入信号和初始条件无关 2 传递函数是复变量s的有理分式函数 其分子多项式的次数m低于或等于分母多项式的次数n 即m n 且系数均为实数 3 在同一系统中 当选取不同的物理量作为输入 输出时 其传递函数一般也不相同 传递函数不反映系统的物理结构 物理性质不同的系统 可以具有相同的传递函 4 传递函数的定义只适用于线性定常系统 上页 下页 目录 84 四 环节及典型环节的定义 一个物理系统是由许多元件组合而成的 虽然元件的结构和作用原理多种多样 但若考察其数学模型 却可以划分成为数不多的几种基本类型 称之为典型环节 这些环节是比例环节 惯性环节 积分环节 振荡环节 微分环节和延时 滞后 环节 环节 从数学模型分析出发 可以将系统分为由一些基本环节组成 能组成独立的运动方程的一部分称为一个环节 环节可以是一个元件 也可以是一个元件的一部分或由几个元件组成 各环节不能有相互影响 无负载效应 上页 下页 目录 85 1 比例环节 输出量与输入量成正比的环节 又称放大环节 注意 比例环节的输出量能够既不失真又不延迟地反映输入量的变化 如杠杆机构 啮合齿轮的转速比 理想运算放大器等 测速发电机在控制系统中常用作速度传感器 提供与转速成正比的电压信号 上页 下页 目录 86 2 惯性环节 惯性环节又称非周期环节 其输入 输出间的微分方程为 传递函数为 式中T为时间常数 K为比例系数 如左图所示的RC电路为惯性环节 输出电压Uo和输入电压Ui的关系为 上页 下页 目录 87 2 惯性环节实例 温度计测量过程 点击按钮播放动画 惯性环节含有储能元件 对于突变形式的输入信号 不能立即复现 输出总落后于输入 存在时间上延迟 时间常数愈大惯性愈大 延迟时间也愈长 时间常数也愈长 时间常数T表征了该环节的惯性 上页 下页 目录 88 3 积分环节 输出正比于输入的积分的环节 微分方程是 传递函数是 注意 输入为定值时 输出将正比于时间 上图所示的齿轮齿条传动传动副 点击按钮播放动画 齿条的位移y与齿轮转速n的关系为又如液压缸的活塞位移和流量的关系为 上页 下页 目录 89 4 微分环节 输出正比于输入的微分的环节 微分方程为 传递函数为 注意 1 当输入为阶跃函数时 输出为脉冲函数 实际上是不可能的 常和其它元件配合使用 称为理想微分环节 无惯性系统 2 微分环节具有预见性 提前校正 增加系统阻尼 增加稳定性 的作用 如液压缸的流量和活塞位移的关系为 x 位移 是不能产生阶跃的 除非没有惯性 上页 下页 目录 90 5 一阶微分环节 微分环节和比例环节的并联时 又称比例微分控制 上页 下页 目录 91 6 振荡环节 振荡环节的微分方程是 传递函数为 称阻尼比 对于振荡环节有 介于0和1之间 该环节因为含有两种贮能原件 在信号的传递中 隐能量的转换而使其输出带有振荡性质 当输入为单位阶跃函数时 输出可用拉氏变换求得环节的输出响应 如右图所示响应 上页 下页 目录 92 上图是典型的振荡环节 点击播放观看运动过程 微分方程及传递函数如下 上页 下页 目录 93 6 振荡环节 振荡电路 左图是一个典型的R L C振荡电路 联立上面两方程 消去中间变量电流i 回路电压定律 上页 下页 目录 94 具有下列形式的微分方程 7 二阶微分环节 上页 下页 目录 95 当输入作用到环节以后 其输出量要等待一段时间 后 才能复现输入信号 在时间0到 的时间内 输出量为零 这种具有延时效应的环节称为延时 滞后 环节 如上图所示的动画是表示测量两种液体混合之后的浓度的一种设备 在延长一段距离 时间 后测得的是均匀混合浓度 纯滞后环节的数学表达式为 8 延时环节 延迟定理 上页 下页 目录 96 五 说明 上述各典型环节 是从数学模型的角度来划分的 它们是系统传递函数的最基本的构成因子 在和实际元件相联系时 应注意以下几点 1 系统的典型环节是按数学模型的共性来划分的 他与系统中使用的元件并非都是一一对应的 一个元件的数学模型可能是若干个典型环节的数学模型的组合 而若干个元件的数学模型的组合也可能就是一个典型的数学模型 2 同一装置 元件 如果选取输入 输出量不同 它可以成为不同的典型环节 如直流电动机以电枢电压为输入 转速为输出时 它是一个二阶振荡环节 但若以电枢电流为输入 转速为输出时 它却是一个积分环节 上页 下页 目录 97 3 在分析和设计系统时 将被控对象 或系统 的数学模型进行分解 就可以了解它是由哪些典型环节所组成的 因而 掌握典型环节的动态特性将有助于对系统动态特性的分析研究 4 典型环节的概念只适用于能够用线性定常数学模型描述的系统 既然可以把组成控制系统的元件划分为若干典型环节 那么控制系统的传递函数也可以写成如下一般形式 上页 下页 目录 98 六 控制系统的传递函数 对于简单的控制系统 在求取它的传递函数时 可以采用直接计算法 即先列写系统的微分方程 再经过拉氏变换来求出系统的传递函数 分析过程如图所示 推导过程略 请同学们根据已有知识自行计算 答案如下 上页 下页 目录 99 2 4系统框图及其简化 本节的难点 框图的变换法则及实际应用 本节重点 框图的定义及相关概念系统构成及运算规则框图的变换法则 上页 下页 目录 100 引言 框图是系统中各个元件功能和信号流向的数学图形 在控制工程中 人们习惯用框图说明和讨论问题 是因为 1 只要依据信号的流向 将各环节的框图连接起来 就能容易构成整个系统 2 通过框图可以评价每一个环节对系统的影响 便于对系统进行分析和研究 3 框图和传递函数一样 包含了与系统动态性能有关的信息 但和系统的物理结构无关 上页 下页 目录 101 一 系统框图的分类 框图 结构框图 函数框图 将系统中各元件的名称或功用写在框图单元内 并标明它们的连接顺序和信号流向 将系统中各元件或环节的传递函数写在框图单元内 并用表明信号传递方向的箭头将这些框图单元连接起来 说明系统构成和工作原理 说明环节特性 信号流向 及变量关系 本节主要讲述对象 上页 下页 目录 102 二 框图单元的组成 1 信号线 带有箭头的直线 箭头表示信号的传递方向 且信号只能单向传输 如右图所示 2 方块单元 即一个元件或环节的传递函数方块图 该方块可以对信号进行数学变换 流入方框的称为输入信号C s 流出方框的称为输出信号R s 如下图所示 其变换关系为 上页 下页 目录 103 三 比较点与引出点 3 比较点 表示两个或多个信号在此代数相加减 又称比较器 如下图所示 其中 号表示相加 表示相减 4 引出点 表示信号引出或测量的位置 从同一位置引出的信号在数值和性质上完全相同 如果已知系统的组成和各组成部分的传递函数 就可以通过上述四种基本单元将系统各部分连接起来 构成整个系统的结构图 上页 下页 目录 104 四 系统的构成方式 前一环节的输出量是后一环节的输入量的连接称为环节的串联 如上图所示 各环节的传递关系为 传递函数的定义 上页 下页 目录 1 串联 105 这表明环节串联可以用一个等效环节去取代 等效环节的传递函数为串联各环节传递函数的乘积 写成一般形式为 串联的补充说明 注意 串联环节之间应无负载效应 否则要考虑将它们作为一个整体 而不能分为两个独立的部分 上页 下页 目录 106 输入量相同 输出量相加或相减的连接称为并联 如图所示 三个环节的输入部分都为X 而输出分别为Y1 Y2 Y3 上页 下页 目录 2 并联 107 并联的补充说明 这表明几个环节并联时 可以用一个等效环节去取代 等效环节的传递函数为各环节传递函数的代数和 写成一般形式为 注意 减号放入传递函数内时 相减时的减号包含在Gi s 内 上页 下页 目录 108 如果将系统或环节的输出反馈到输入端与输入信号进行比较 就构成了反馈连接 如上图所示 其中G1 s G2 s 可以是等效方框图 即它们可以是由若干元件方框串 并联组成 按图中的传递关系有 上页 下页 目录 3 反馈 109 反馈的补充说明 注意 如果反馈为正反馈 如上图 则相应的闭环传递函数为 闭环传递函数 上页 下页 目录 110 五 引出点的移动 将分支点跨越框图移动时 必须遵循移动前后所得的分支信号保持不变的等效原则 1 引出点后移 2 引出点前移 上页 下页 目录 111 六 比较点的移动 将比较点跨越框图移动时 应遵循移动前后总输出量保持不变的等效原则 1 比较点后移 2 比较点前移 上页 下页 目录 112 七 系统框图的简化原则 利用结构图的变换规则简化系统的结构图时 可根据具体情况采取不同的简化方法 如果结构图只有简单的串 并联和反馈连接时 可先计算简单的串 并联和反馈连接部分 然后再逐步简化整个结构图 如果结构图中存在交叉连接或交叉反馈时 则先应作分支点或综合点的移动 消去交叉现象后 再按简单连接方式逐步简化 上页 下页 目录 113 实例1 解 这是一个没有交叉现象的多环系统 里面的回路称为局部反馈回路 外面的回路称为主反馈回路 简化时不需要将分支点和综合点作前后移动 可按简单串 并联和反馈连接的简化规则 从内部开始 由内向外逐步简化 简化框图并求总的传递函数 上页 下页 目录 114 上页 下页 目录 115 实例2 解 将引出点A后移 跨越G2 至B处和比较点C前移至D处 然后按简单串 并联和反馈连接的简化规则即可 简化框图并求总的传递函数 这是一个有交叉现象的多环系统 G2是G2G3H2 G2G3G4回路和G1G2H1回路的公用单元 上页 下页 目录 116 上页 下页 目录 117 118 第3章控制系统的时域分析 3 1时间响应和典型输入信号 3 2一阶系统的时间响应 3 3二阶系统的时间相应 3 5控制系统的误差分析与计算 上页 下页 目录 119 本章的教学大纲 1 掌握一阶系统的时间响应 教学重点 时间响应 稳态误差的分析 计算 难点是稳态误差的分析 计算 2 掌握二阶系统的时间响应与性能指标 3 了解高阶系统零 极点对时间响应的影响 4 掌握控制系统稳态误差分析 计算 上页 下页 目录 120 3 1时间响应及典型输入信号 本节的难点 时间响应的特征指标 本节重点 时间响应的相关概念时间响应的特征指标典型的输入信号 上页 下页 目录 121 问题的引入 稳 基本要求 系统受脉冲扰动后能回到原来的平衡位置准 稳态要求 稳态输出与理想输出间的误差 稳态误差 要小快 动态要求 过渡过程要平稳 迅速 控制系统的研究内容 如何分析这些性能 有何具体指标 时域分析法 根轨迹法 频率特性法 上页 下页 目录 122 一 时域分析法概述 1 物理概念清晰 直接在时间域中对系统进行分析校正 直观 准确 2 准确度较高 可以提供系统时间响应的全部信息 3 缺点 基于求解系统输出的解析解 比较烦琐 适合低阶系统 3阶以下 时域法是最基本的分析方法 学习复域法 频域法的基础 上页 下页 目录 123 二 时间响应的概念 任何一个稳定的控制系统 输出响应含有瞬态分量和稳态分量 瞬态分量由于输入和初始条件引起的 随时间的推移而趋向消失的响应部分 它提供了系统在过度过程中的各项动态性能的信息 稳态分量是过渡过程结束后 系统达到平衡状态 其输入输出间的关系不再变化的响应部分 它反映了系统的稳态性能或误差 时间响应是指控制系统在典型信号的作用下 输出量随时间变化的函数关系 上页 下页 目录 124 三 典型信号选择 目的 为了方便系统的分析和设计 使各种控制系统有一个进行比较的基础 需要选择一些典型试验信号作为系统的输入 然后比较各种系统对这些输入信号的响应 原因 不管采用何种典型输入型号 对同一系统来说 其过渡过程所反应出的系统特性应是统一的 这样 便有可能在同一基础上去比较各种控制系统的性能 原则 1 简单的时间函数 以便于分析处理 2 易于通过实验产生 3 能使系统工作在最不利的情况下的输入信号作为典型实验信号 上页 下页 目录 125 四 典型的输入信号 时域 上页 下页 目录 126 五 瞬态响应指标 延迟时间td 第一次达到稳定态的一半所需的时间 上升时间tr 第一次达到稳定态所需的时间 产生振荡时 或从稳定态的10 上升到稳态值的90 所需的时间 无振荡时 峰值时间tp 达到超调量的第一个峰值所需的时间 超调量Mp 超出稳态值 为1 的最大偏离量Mp 调整时间ts 第一次达到并保持在允许误差范围 一般为稳态值的 5 或2 内所需的时间 上页 下页 目录 点击按钮播放动画 127 3 2一阶系统的时间响应 本节的难点 一阶系统的单位阶跃响应及相关特征指标的计算 本节重点 一阶系统的单位阶跃响应线性定常系统的响应特征 上页 下页 目录 128 一 一阶系统的时间响应 一阶系统 能用一阶微分方程描述的系统的称为一阶系统 典型形式是惯性环节 传递函数的一般形式为 上页 下页 目录 129 二 单位阶跃响应 给系统以典型的单位阶跃输入信号 研究其输出变化情况 点击按钮播放动画 上页 下页 目录 130 三 动态性能指标计算 允许误差范围为 5 时 ts T 而允许误差范围为 时 ts T 所以常以调整时间作为评价响应时间长短的标准 上页 下页 目录 131 四 不同T的一阶系统阶跃响应 上页 下页 目录 132 五 单位斜坡响应 稳态速度误差 速度误差 上页 下页 目录 133 六 单位脉冲响应 上页 下页 目录 134 七 线性定常系统的重要特征 1 对输入信号积分的响应就等于系统对输入信号响应的积分 2 对输入信号导数的响应就等于系统对输入信号响应的导数 上页 下页 目录 135 3 3二阶系统的时间响应 本节的难点 相关特征指标的计算 本节重点 二阶系统的单位阶跃响应相关特征指标的计算 上页 下页 目录 136 一 二阶系统的时间响应 研究的必要性 在控制工程实践中 二阶系统应用极为广泛 如我们熟悉的现象 钟铃 弹簧 以及电路在受到冲击后的短暂振动 都是二阶系统动态性能的的外在表现 此外 许多高阶系统在一定的条件下可以近似为二阶系统来研究 因此 详细讨论和分析二阶系统的特征具有极为重要的实际意义 上页 下页 目录 137 二 二阶系统的数学模型 定义 用二阶微分方程描述的系统 上页 下页 目录 138 具体实例 m k f模型 为什么会有这样的运动情况呢 上页 下页 目录 139 三 单位阶跃响应 为什么以单位阶跃输入为例 对上式进行拉氏反变换即可求得单位阶跃响应 上页 下页 目录 140 无超调 无振荡 上页 下页 目录 141 求解过程略 详见拉氏反变换 上式表明 系统的单位阶跃响应由稳态分量和瞬态分量组成 其稳态分量为1 瞬态分量包含两个衰减指数项 随着t增加 指数项衰减 响应曲线单调上升 上页 下页 目录 142 阻尼自然频率 上页 下页 目录 143 系统的稳态响应为1 瞬态分量是一个随时间t的增大而衰减的正弦振荡过程 振荡的角频率为它取决于阻尼比和无阻尼自然频率 上页 下页 目录 144 系统的瞬态响应为等幅振荡 振荡频率为无阻尼自然振荡频率 上页 下页 目录 145 推导过程类似于欠阻尼状态 略 上页 下页 目录 146 不同阻尼比下的单位阶跃响应曲线 上页 下页 目录 147 四 二阶系统的瞬态响应指标 二阶系统的两个特征参量阻尼比和无阻尼自然频率决定了整个系统的瞬态响应 的单位阶跃响应的特征量来表示的 为了定量地评价二阶系统的控制质量 必须进一步分析和对系统单位阶跃响应的影响 除了一些不允许产生振荡的控制系统外 通常允许控制系统有适度的振荡特性 以求能有较短的调整时间 因此系统一般工作在欠阻尼 0 4 0 8 状态下 以欠阻尼为例 推导瞬态响应各项特征指标的计算公式 上页 下页 目录 148 1 上升时间tr 响应曲线从零开始上升 第一次到达稳态值所需的时间 称为上升时间 上页 下页 目录 149 2 峰值时间tp 响应曲线C t 从零开始到达第一个峰值所需时间 称为峰值时间 上页 下页 目录 150 3 最大超调量Mp 在响应过程中 输出量C t 超出其稳态值的最大差量与稳态值之比称为超调量 上页 下页 目录 151 4 调整时间ts 响应曲线到达并停留在稳态值的 或 误差范围内所需的最小时间称为调节时间 或过渡过程时间 上页 下页 目录 152 结论 1 欲使系统有满意的瞬态响应指标 必须综合考虑和选择合适的阻尼比和无阻尼自然频率 2 保持不变而增大 对超调量无影响 却可以减小tp ts 即可以提高系统的快速性 3 保持不变而增大 超调量减小 增加相对稳定性 减弱振荡性能 在 随着阻尼比的增大 ts减小 时 随着阻尼比的增大 tr ts均变大 系统快速性变差 4 最佳阻尼比 上页 下页 目录 153 例题1 上页 下页 目录 154 例题2 上页 下页 目录 155 上页 下页 目录 156 157 3 5误差与稳态误差 本节的难点 静态误差系数的计算和运用 本节重点 准确性的相关分析误差的相关概念静态误差系数的计算 上页 下页 目录 158 准确性 即系统的精度 是对控制系统的基本要求之一 系统的精度是用系统的误差来度量的 系统的误差可分为动态误差和稳态误差 动态误差是指误差随时间变化的过程值 而稳态误差是指误差的终值 本节只讨论常用的稳态误差 问题的引出 上页 下页 目录 159 定义 一 误差的概念 是指被控对象的实际输出信号与希望输出信号之差 即 一般关系 由于实际系统中希望输出不便于测量 而且输入与输出往往是量纲不同而不便比较 所以常用偏差的定义来代替 上页 下页 目录 160 偏差 即输入信号与反馈信号之差 因此一般用系统的偏差信号E s 来定义系统的误差 即 偏差 误差 上页 下页 目录 161 二 稳态误差 误差 瞬态误差和稳态误差稳态误差 终值定理 稳态误差包括给定稳态误差ess和扰动误差essd 前者表征了系统的精度 后者反映了系统的抗干扰能力 即系统的刚度 引起的因素 系统的结构 参数和输入量的形式等 上页 下页 目录 162 三 给定稳态误差 给定输入信号作用下的稳态误差 表征了系统的精度 上页 下页 目录 163 四 扰动引起的稳态误差 在扰动信号 如负载的突变 电源的波动等 作用下产生的误差 表征了系统的抗干扰能力 对于线性系统 系统总的稳态误差等于输入信号和干扰信号分别作用时产生的稳态误差的代数和 输入信号误差为 假设干扰为零 干扰信号误差为 假设输入为零 求输出信号对扰动信号的传递函数 根据误差定义 上页 下页 目录 164 设系统的开环传函为 称为零型系统 称为I型系统 称为II型系统 系统的型别以来划分 目的 1 可以根据已知的输入信号形式 迅速判断是否存在稳态误差及稳态误差的大小 2 系统阶数m n的大小与系统型别无关 且不影响稳态误差的数值 五 系统的类型 一般 型及 型系统很难稳定 所以在工程上一般不采用 上页 下页 目录 165 已知 定义位置误差系数 六 静态位置误差系数 0型系统对于阶跃响应具有稳态误差 当开环增益足够大时 稳态误差可以足够小 但由于过高的开环增益会使系统不稳定 所以也不能太高 对于 型及以上的系统 稳态误差为零 上页 下页 目录 166 已知 定义速度误差系数 七 静态速度误差系数 可见 0型系统不能跟踪斜坡输入 型系统可以跟踪但有一定的误差 型及以上的系统能精确跟踪斜坡输入 稳态误差为零 上页 下页 目录 167 已知 八 静态加速度误差系数 定义加速度误差系数 0型和 型系统不能跟踪加速度输入信号 型系统可以跟踪但有一定的误差 型及以上的系统能精确跟踪斜坡输入 稳态误差为零 上页 下页 目录 168 误差归类 注意 对于线性系统 稳态误差具有叠加性质 求正弦输入信号的稳态误差可用频率特性的定义求得幅值误差和相位差 稳态误差只对稳定系统有意义 上页 下页 目录 169 解 首先检验系统的稳定性 经检验可得系统稳定 由于是线性系统 具有叠加性质 K 例题1 上页 下页 目录 170 式中K为开环增益 将开环传递函数转化为尾1的标准型后可得 所以 K 20 上页 下页 目录 171 已知系统方框图如所示 求当输入r t 2t 1时系统的稳态误差ess 系统属I型系统 K 10 172 已知系统方框图如图所示 求当输入r t 1时系统的稳态误差ess 系统属I型系统 K 10 173 第4章控制系统的频率特性分析 4 1频率特性概述 4 2频率特性的表示方法 4 3控制系统的闭环频响 4 4系统辨识 上页 下页 目录 4 5系统瞬态响应指标与时间响应指标的关系 4 6bode稳定判据及系统的相对稳定性 174 本章的教学大纲 1 掌握频率特性的定义 幅频 相频 实频 虚频的计算 教学重点 频率特性的含义 Bode图 利用系统开环Bode图判别闭环稳定性及稳定裕度 难点是Bode图的画法 2 熟悉Bode图 了解Nyquist图 3 掌握频率特性用于系统稳定性判别及稳定裕度 4 了解最小相位系统与闭环频率特性 上页 下页 目录 175 4 1频率特性概述 本节的难点 频率特性的应用 本节重点 频率特性的概念频率特性的推导及应用 上页 下页 目录 176 问题的提出 对于自动控制系统 可以进行时域分析 也可以利用系统的频率特性分析系统的性能 频率响应法 又称频域分析法 是分析和设计系统的一种有效经典方法 优点如下 不需求解便可判断性能现代手段测试省去建模的麻烦系统分析 综合 校正方便快捷 时域分析的不足 不适用于高阶系统 3 4阶以上 对于系统如何调整结构参数不能很好说明 上页 下页 目录 177 一 频率特性的特点 1 频率特性具有明确的物理意义 它可以用实验的方法来确定 这对于难以列写微分方程式的元部件或系统来说 具有重要的实际意义 2 由于频率响应法主要通过开环频率特性的图形对系统进行分析 因而具有形象直观和计算量少的特点 3 频率响应法不仅适用于线性定常系统 而且还适用于传递函