机电系统的建模、分析与仿真NCH1.

1、机电系统的建模、分析与仿真课程概要：B1绕系统动丿j学理论、控制理 论在机电工程中的应用，讨论以机电耦合 为特征的复杂系统的数学建模、数值模拟 和动态特性分析方法。参考教材：机电控制工程，高钟毓、 王永梁编著，清华大学出版社。第一章：概述一、关丁机电系统1系统系统：宽泛的概念，类似丁研究对象,一般由 研究者根据其兴趣来界定一个系统的组成内容。研究一个系统，一个系统的固有性质，我们所最 关心的问题输入/输出特性O输：;糸统 入;模型A输二出用数学的方法对输入/输出特性进行描述，亦即 数学模型,是我们 惯丁采用，也是普 遍乐于接受的方法。第一章：概述一2.控制系统-控制：使系统产生我 们所预想的行

2、为。2控制方法学控制论控制系统的构成：开 坯与嵐坯（反遗）控制 控制系统的设计问题： 受控対象的输入/输出沁 特性+控制器（律）设讣 T系统输入/输出特性分析关于机屯系统控制器受K输岀/ q对反馈测伙魏1o）反馈iciw系统前馈（G开环控创杲统反tn控制器冷一（C更介栓制系统采样器伺服传动- =数字信号数字控制一报倍号顺序控制系统.过;微处受控理机T对線iiT输出关于机电系统第一章：概述3 机电控制系统以机械装置或机器为控制对象、以电子装置（包 括微处理机）为控制器的控制系统。应用模拟控制技术的机电系统应用微处理机技术的机电系统：适应复杂控制律采样数据控制系统原理机电控制系统的输仝分类：系统、

3、系统、第一章：概述关于机电系统伺服传动控制：基本的机 电控制问题位置和速 度的动态控制基于模拟或数字控制技术何戢枚大M lI功率 枚大Htt/W应用：数控机床、工业机器人、 坐标测量机、 自动导引车等示例：I 业机器人的关节伺 服传动系统wn IEIM电住数字控制系统：拦工 由计算机生成 数字形式的指I 令驱动机器cncEW CNC软件机床 NC 与 CNC点位控制、直线运动控制、1v1请入及iW序1几何语句开关nt今(XtY.ZtF)AMtS.T俎（内增9开关指令输出母序纸带阅读机编输 操作扳连续路径（轮 廓）控制示例：数控机圧丄1b令|比校H位-| ttXWK外） 描补制回络疾口整制主袖連

4、度.刀具选择切削液等第一章：概述关于机电系统顺序控制系统：按规定次序执行一组操作继电器逻辑、固态集成电路、微处理机、PC等 加工 应用：数控贷 机床、E*占 机器人、性 自动化嗷 造单元沪旷 示例：人自动装配机机菇人卸料传送其他过榨可编程第一章：概述关于机电系统过程控制系统：対生产过程的物理量进行控制机械、冶金、化工、电力、建产 材行业等生产过程的控制刀貝岸柔性制造单元、CIM 示例：柔性人丿宾卸站制造单元一 具有生产规 划和动态调 度能力第一章：概述关于机电系统共性关键技术涉及的【中央机鼻机基木问题：计鼻机辅助严I 受控机电对缩 及控制元件卅计算机辅助制造1一n）Nc自动化#件摩数学模型、境

5、 制系统原K翠會j_ 理与分析自習閉外向动小车自动加工自动示自动檢骏料徹运自动装IE 检査第一章：概述关于数学模型（以下内容可参考系统动力学，Katsuhiko Ogata著j中文译名：尾形克彦; 以及其它同类书目。）二、关于数学模型数学模型的目的和作用：在系统的最初设 计阶段或投入制造之前对其动态特性进行 预测，这种预测以数值模拟或称仿真的方 式进行，其依据是基于系统动力学特性的 数学描述，也就是数学模型。数学模型是 设计工具。4 机电系统的数学模型用数学模型描述机电一体化产甜或系统的控制原 理，并通过对数学模型的分析进行系统优化设计。第一章：概述关于数学模型对于数学模型的要求：简单性与精确

6、性的 矛盾，分析成木与模型有效性的矛盾；数 学模型是对r实际物理系统的近似数学描 述，而非物理系统木身，重要的是数学模 型耍能够满足设计需要。数学模型的建立方法：分析系统结构原理, 定义系统变量-将物理定律应用丁系统各 组成元件，并进行综合得到描述输入输出 关系的（微分）方程式一模型骑证（实骑 验证）第一章：概述关于数学模型注意到数学模型的内容除方程式外，通常还包扌舌前提假设、约束条件和适用范围。数学模型的类型第一章：概述关于线性系统三、关于线性系统线性和非线性微分方程线性微分方程:仅含因变量及其r数线性组合 a + 5x + 10x = 0线性常（时不变）微分方程上+（cos2r）x = 0

7、尊性时書微分方程 非线性微分方程:龙+ &21“ +兀=（） 3x + x + x + x = sin cot线性系统和非线性系统因数学模型微分方程 的类型而区分线性系统的叠加凰第一章：概述关于拉氏变换四、拉氏变换与线性常微分方程的求解1 拉氏变换的定义若/是分段光滑的，并存在一个正的常数6 使在/趋于无穷大时，e-l/（z）l趋于0,则拉普拉斯 积分（7W敛，s是复变量。并定义拉普拉斯变换“注意到对于大多数常见函数，拉氏变换是存在的; 但若/的增长速度超过指数函数，如，刮其 拉氏变换不存在。第一章：概述关于拉氏变换2. 拉氏变换的性质1笛 XF(f)2细 士 /a（OJ - FM 土 弘）3

8、珂訥)/(0)4$*/(&) - HF($) - ”(0土)- /(0)5径僚f卜-気土）d卅7where f（t） 护6珂（皿卜 +gs7珂 丫 J(罗Jjrmg8勾/（列卜 乍为/耐L第一章：概述关于拉氏变换9“(2卜竽10j ft) dt = lim F(j)if J /(r) dt exists110初值定理/(0+)=limsF($)卷积定理5/1 (0* /2(/)=斗J： Z (r 0/2(/*卜 F (s)佗(S)第一章：概述关于拉氏变换3. 拉氏反变换直接查表法部分分式展开法F( = K(s + ZiX$ + 6)(s + S)A (s + oXs + “2)(s + 几)a

9、n= + + -S+ 门 S + p2s + pfl10sin(ot3 J2 + ai211cos M3* +沖12sinh u)t3F a213cosh uts14扣十）1s(s + a)151 一1ke )c a(s + a)(s + b)16s(beae )b a($ + a)($ + b)171 (亠1y.-oxcbt、1也I +(&ae)adLa _ bs(s + a)($ + b)第一章：概述关于拉氏变换第一章：概述关于拉氏变换241 - 7=1=3 Sin3八/1 d r + 4) vi -2.MY$ tan 1S(Q + “y + 4)251 COS 3“ + Q)26om s

10、in aQ (Q + /)27sin ur * cur cos aw2(7 +283 (? +29/ cos a4(H + )230 :$一5三(8$ 如 -COS*)(aif # 型)& -话(H 屍)(/ 胡)31(sin t + ax cos wr) 2mF(? + 込 2no18-z(l - 一ate ) a 1$( + o)219g(w - 1 + e)(T1/($ + a)20eat sin u)t3(s + a)2 + a?21e at cos 3(s + a(s -4- a)2 + cu222=尸7 sin 3八/1 - 2r VI疋? + “3涉 + UX23产esin(on

11、/1 (2_ 6)VI.,一|/1 一厂e = tan Ss1 + 2(cjns + ai第一章：概述关于拉氏变换第一章：概述关于拉氏变换4. 应用拉氏变换求解线性常微分方程对微分方程中的每一项作拉氏变换，并应 川微分定理，将微分方程变换为s域中的代 数方程；由代数方程解出因变量的拉氏变换；对因变量的拉氏变换作拉氏反变换，即得 到因变量的时域函数。第一章：概述关于拉氏变换例仁 自由振动方Wc + 2(cox + corx = 0, 1 初始条件x(o)=丘() = b|?X(5)-(0)-i(0)+ 茗 $X(0()+研 X(0 = 0” +2(cons + co (s + $|+ )必一吐=e严-严)、X($) d($ + 25)+ b _ as + b + 2aa)n+$1 一 $2b + aa)n .a cos69dZ h=- sin coat例2