第一章 控制系统典型环节及Matlab使用

，自动限制原理和应用，2017，第一章自动限制的一般概念，1-1自动限制操作，1-2自动限制的基本方法，控制控制系统性能要求的1-3，1-1自动限制操作，通常在自动限制技术中，控制操作的机械装置为控制对象，控制表征这些机械装置运行状态的物理参数受控作业可以概括为：也就是说，使受控对象的受控量等于指定值。自动控制和自动控制系统概念，水位自动控制系统，控制工作：保持水箱内部的恒定水位；控制装置：气动阀门，控制器；控制对象：水箱，供水系统；控制：水箱水位高度；给定值：控制器拨号指针校准的预定义水位高度；测量装置：浮子；比较设备：控制器拨号；干扰：径流和流入的变化保持破坏水位不变；自动限制是没有人直接参与的控制，基本操作是不直接参与，仅使用控制单元操纵控制目标，从而控制量等于给定值。自动控制系统：表示能够完成自动控制操作的设备，通常由控制设备和控制目标组成。1-2自动限制的基本方法，控制，值h，自动限制方块图，在上图中，控制目标以外的部分统称为控制单元，必须具有以下三个功能部件：测量元素：用于测量控制或干涉。比较组件：与指定值进行比较。执行组件：比较后，根据偏差生成执行角色来操作控制目标，控制参与信号来自三个通道：给定值、干扰量和控制量。开环控制由给定值操纵的开环控制干涉补偿由开环控制偏差控制的调整闭环控制复合控制，分析自动控制的一些基本控制方法，一，根据给定值操纵的开环控制，计算，运行，管理对象，给定值，干涉，由给定值操纵的开环控制系统原理方框图，炉温控制系统、炉温控制系统原理框图、定时开关、炉子、电阻丝、由给定值控制的开环控制，特点：控制装置仅由给定值控制受控对象。优点：控制系统结构简单，相对便宜。缺点：对指定值可能发生的控制偏差没有修改能力，抗干扰能力不足，控制精度不高。第二，干涉补偿的开环控制，定义：使用干涉信号生成控制角色，以及干涉对控制量的直接影响补偿。计算、测量、受控对象、执行、执行、碰撞、受控量、特征：仅补偿可测量的碰撞，不可测量的碰撞和受控对象，对每个功能组件的内部参数更改对受控量的影响，在系统本身中无法控制。应用对象：存在强烈干涉，变化严重。水位高度控制系统图，水位高度控制系统原理方框图，3，通过偏差控制闭环，特点：计算控制对象与给定值的差异，控制对象。优点：自动调整干涉和内部参数变更所导致的变更。计算比较，执行，控制对象，测量，根据系统原理框图的偏差调整，如上图所示，反馈返回信号由给定值和减法，即偏差控制，反之称为正反馈。该控制方法具有更高的控制精度，因为无论是干扰的作用还是系统结构参数的变化，如果控制柄偏离指定值，系统将自行补偿。但是，如果闭环控制系统的参数不太合适，控制体积的摆动很大，或者系统可能无法运行。飞机自动驾驶系统图，控制操作：系统在任何扰动下保持飞机的俯仰角度不变。起诉对象：飞机。控制：飞机的俯仰角度。，俯仰角控制系统原理框图，4，复合控制，复合控制是开环控制和闭环控制的结合。基本上，为了提高系统的控制精度，基于包含输入信号或扰动的闭环控制环路。a .按输入补偿，b .按扰动效果补偿，控制系统的1-3性能要求，定义：通常，当系统通过给定值或干扰信号工作时，控制控制对象更改的整个过程称为系统的动态过程。项目经常从稳定性、速度、准三个方面评价控制系统。稳定：表示动态过程的稳定性。快速：表示动态进程的快速性。准：表示动态流程的最终准确性。稳定：表示控制系统动态进程曲线的动态进程的平滑度。如上图所示，当外力作用下系统的输出逐渐与预期一致时，系统稳定，如曲线所示。相反，输出如曲线，系统不稳定。快速：表示动态进程的快速、快速，即动态进程进行的持续时间。说明过程时间越短，系统快速性越好，反之，如曲线所示，系统响应越迟钝。稳定快速地反映了系统动态过程性能的好坏。表示快速稳定，系统动态精度高。准：表示系统在动态过程结束后对指定值的控制(或反馈)的偏差。这种偏差称为稳态误差，是反映系统后期稳态性能的稳态精度的指标。这种分析的稳定性、速度、准三个方面的性能指标往往取决于特定情况下的控制对象，同一系统的稳定性、速度、准要求相互制约。主要内容：2.1比例链接2.2Matlab单响应曲线2.3微分方程和传递函数2.4数学模型的Matlab绘制2.5积分链接2.6Matlab双响应曲线2.7其他典型链接2.8Matlab分析系统性能，使用2章控制系统的典型链接和Matlab，1.1比例链接，1.1.1自动限制概念，控制：按指定(包括固定)更改特定物理量，以确保生产安全、经济性和产品质量要求的技术手段。自动控制：应用自动仪表或控制装置代替人，自动控制机械设备或生产工艺以满足所需的状态或性能要求。指导问题：1。自动限制的含义；比例链接输入与输出的关系；控制系统扰动的影响。1.1比例链接，2 .自动控制系统，所谓系统，是执行规定功能实现预定目标的一些相互关联单位的组合体。图1-1晶闸管电源直流电动机系统图，1.1比例链路，3 .自动控制系统分类，(1)根据输入量的变化规律分类，1)固定值控制系统，2)伺服控制系统，3)程序控制系统，(2)根据系统传输信号特性分类，1)连续控制系统，2)离散控制系统，(3)数学模型的概念，描述系统的输入、输出和内部物理量的相互关系的数学表达式，称为系统的数学模型。2 .比例连接的数学模型，微分方程为，传递函数为，列是写微分方程的一般方法，示例1。列写入RC网络的微分方程，如图所示。r，解：用kirchhoff的法则得到：i是流经电阻r和容量c的电流，去掉中间变量I，得到：命令(时间常数)，微分方程如下：第三，传递函数示例，示例1。图中显示的RLC手动网络，电感为l(亨利)，电阻为r(欧姆)，电容为c(方法)，输入电压ui(t)和输出电压uo(t)之间的传递函数。为了提高系统的性能，经常引入图的手动网络作为校正因素。被动网络一般由电阻、电容、电感组成，可以使用电路理论轻松求出动态方程，并通过拉普拉斯变换找到传递函数。使用直接求的方法。因为电阻、电容、电感的复合阻抗分别为r、1/cs、Ls，串行并行运算关系等于同一个电阻。传递函数为，1.1比例链接，a)图1-2比例链接功能框和阶段响应a)块b)阶段响应，图1-3比例链接实例，绘制1.2MATLAB单个响应曲线，指导问题：1。专业英语TransferFun、Zero-pole、Step、SineWave、Scope意思；模拟波形全屏显示工作阶段；比例链接模拟结果的含义；1.2.1MATLAB工作环境简介，1 .MATLAB软件简介，MATLAB(矩阵实验室)是MATrixLABoratory的缩写，是由美国TheMathWorks创建的业务数学软件。MATLAB是算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、渲染函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用于创建用户界面和调用用其他语言(包括C、C、Java、Python和fortran)编写的程序。1.2MATLAB绘制单个响应曲线。2.MATLAB软件操作界面，有很多方法可用于(1)启动MATLAB以启动MATLAB。最常用的方法是直接双击桌面上的快捷方式图标。如果表格中没有快捷方式图标，可以从开始。开始程序“MATLAB 6.5 .”，图1-4MATLAB默认桌面平台，绘制1.2MATLAB单个响应曲线，(2)命令窗口命令窗口是用户与MATLAB交互的窗口，窗口中的符号“”表示MATLAB已准备就绪您可以输入指令、计算或绘制图形。(3)“命令历史记录”窗格显示所有命令的历史记录，并显示使用时间。双击命令行可在命令窗口中执行该行中的命令并显示执行结果。与双击命令行一样，单击命令行并按Enter键。(4)“工作区窗口”(workspace window)工作区是由运行MATLAB程序或命令创建的所有变量组成的空间，它由三部分组成：当前内存中的MATLAB变量名称(Name)、变量的值(Value)和变量的类型双击其中一个文件，可以在程序编辑器中查看该文件的内容。1.2MATLAB绘制单个响应曲线，3 .MATLAB基本操作命令；(1)计算功能；示例1-1查找算术操作；解决：在MATLAB的commandwindow窗口中输入(9 * (10-1) 19)/2 ans=25，2，3，1；3，2，1 a=12323321，1.2 MATLAB绘制单个响应曲线，示例1-3冒号，增量1的行变量解决方案定义：MATLAB的commandwindow窗口中a=233608a=2345678a=Y=sin(x)。* cos(x)；(“添加”表示需要对位置元素进行操作。否则，矩阵运算)plot(x，y)程序运行后，打开图形窗口以绘制图1-5所示的曲线。图1-5执行曲线，1.2MATLAB绘制单个响应曲线，示例1-5绘制3d圆柱解决方案：在MATLAB的commandwindow窗口中，输入x，y=mesh grid(-833600 . 533333r=sqrt(x . 2y . 2)EPS；(epsmatlab的最小浮点)z=sin(r)。/r；运行Mesh(x，y，z)程序后，打开要在其中绘制曲线的图形窗口，如图1-6所示。图1-6三维圆柱曲线，1.2MATLAB是单响应曲线，1.2.2SIMULINK模拟接口，SIMULINK是TheMathworks提供的用于结构图形编程和系统模拟的专用软件包，用于MATLAB设计、模拟和分析动态系统。1 .输入SIMULINK，启动MATLAB，然后。单击MATLAB窗口中的“开始”按钮或在命令窗口中输入SIMULINK命令，进入SIMULINK模块库导航界面。，2 .通用模块简介，(1)连续系统模块库(Continuous)，(2)系统输入模块库(Sources)，(3)系统输出模块库(Sinks)，1.2MATLAB绘制单个响应曲线按住鼠标左键并将选定的模块拖动到模拟界面，如图1-7所示。图1-7模拟界面，1.3MATLAB单响应曲线，然后单击“startSIMULINK”观察输出波形，如图1-8所示。图1-8:阶跃响应，1.4微分方程和传递函数，指导问题：1。微分方程推导阶段；传递函数的概念；传递函数的性质；1.4.1微分方程，这是描述自动限制系统(或组件)动态特性的最直接、最基本的方法。可以获得描述系统(或组件)动态特性的其他形式的数学模型。列写微分方程的目的是确定系统的输出量和参考输入量或扰动输入量之间的函数关系。1.4微分方程和传递函数，示例1-6图1-9是RLC串行电路。输出电压，输入电压，测试列创建微分方程。解决方案：(1)根据kirchhoff电压定律，图1-9: RLC电路，1.4微分方程和传递函数，(2)联立方程，中间变量剔除：RLC无源网络的动态数学模型是二次常数系数线性微分方程。1.4.2传递函数，传递函数表示系统的电感，电容为0初始值，即0初始条件，系统(或链路)输出量的拉普拉斯变化与输入量的拉普拉斯变化之比，通常以G(s)表示。1.5数学模型的MATLAB表示引导问题：1.num，den的含义。2.使用系数时，如果发生二次电源不连续性，如何处理？3.使用MATLAB创建数学模型，1.5.1控制系统的参数模型，线性常量系统的传递函数G