基础知识机电控制工程资料课件

21十二月20221机电控制工程17十二月20221机电控制工程21十二月20222教师资料姓名：张嵘办公地点：五金库2006联系方法：71335E-mail：rongzh@17十二月20222教师资料21十二月2022317十二月2022321十二月20224课程内容机电系统建模电机的原理与控制伺服系统分析实验教学计划第1~8周

讲课第9~14周 实验第15周 课程设计讨论第16周 考试17十二月20224课程内容21十二月20225考核要求项目比例备注作业15％布置后两周内交齐，过时无效实验30％实验完成后两周内交齐，过时无效大作业15％第16周交齐考试40％开卷17十二月20225考核要求项目比例备注作业15％布置后21十二月20226机电控制工程第一章基础知识17十二月20226机电控制工程第一章基础知识21十二月20227概述内容术语定义典型机电控制系统（自学）系统数学模型系统响应性能指标控制器设计17十二月20227概述内容21十二月20228术语系统定义任何存在因果关系的一组物理元件输入：因输出：果数学模型线性、定常、确定、集中参数、动态常系数线性微分方程物理特性机电系统第一节术语定义17十二月20228术语第一节术语定义21十二月20229控制与控制系统控制按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法控制系统靠调节能量输入的方法，使得某些物理量受到控制的一类系统17十二月20229控制与控制系统21十二月202210控制系统分类开环、闭环控制系统17十二月202210控制系统分类21十二月202211控制系统分类串联、串并联17十二月202211控制系统分类21十二月202212控制系统分类复合控制系统前馈控制器引入输入信号的导数分量，加快系统对输入信号的响应速度17十二月202212控制系统分类前馈控制器引入输入信号21十二月202213控制系统分类模拟、数字控制系统调节、跟踪、伺服、过程控制系统17十二月202213控制系统分类21十二月202214第二节典型机电控制系统本节自学17十二月202214第二节典型机电控制系统本节自学21十二月202215第三节系统数学模型概述目的了解控制对象的特性进行定量分析构成物理定律和系统关系特点抽象近似形式传递函数、状态方程17十二月202215第三节系统数学模型概述21十二月202216输入－输出模型17十二月202216输入－输出模型21十二月202217状态方程17十二月202217状态方程21十二月202218传递函数17十二月202218传递函数21十二月202219传递函数转换为状态方程17十二月202219传递函数转换为状态方程21十二月202220传递函数转换为状态方程17十二月202220传递函数转换为状态方程21十二月202221状态方程转换为传递函数17十二月202221状态方程转换为传递函数21十二月202222方块图17十二月202222方块图21十二月202223理论推导列微分方程组线性化处理拉氏变换（代数方程组）画方块图方块图简化，或消去代数方程组中间变量输出输入之比即传递函数17十二月202223理论推导21十二月202224实验测得频率特性17十二月202224实验测得频率特性21十二月202225第四节系统响应时间响应单位脉冲、单位阶跃、单位斜坡输入时间域描述瞬态响应、稳态响应方法：反拉氏变换，部分分式展开17十二月202225第四节系统响应时间响应21十二月202226频率响应正弦输入频率域描述稳态响应复函数方法：极坐标、对数坐标17十二月202226频率响应21十二月202227第五节性能指标稳定性系统工作的必要条件，但不充分。稳态误差t→∞时的性能度量拉氏域s→0输入输出必须等价，需转换为单位反馈系统。位置、速度、加速度误差系数17十二月202227第五节性能指标稳定性21十二月202228相应于输入信号的稳态误差不考虑干扰信号，考虑系统在输入常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差位置误差系数速度误差系数加速度误差系数稳态误差17十二月202228相应于输入信号的稳态误差不考虑干21十二月202229稳态误差系统类别单位阶跃单位斜坡单位加速度0型I型II型开环低频增益越高，

相应于输入信号的闭环稳态误差越小17十二月202229稳态误差系统类别单位阶跃单位斜坡21十二月202230稳态误差干扰引起的稳态误差要减小干扰引起的稳态误差， ，即干扰输入点之前的增益要大，甚至带积分17十二月202230稳态误差干扰引起的稳态误差要减21十二月202231稳态误差减小系统误差的途径反馈通道的精度直接影响系统误差，要避免在反馈通道引入干扰对于输入引起的误差，增大系统开环放大倍数，提高系统型次对于干扰引起的误差，在前向通道干扰点前增大放大倍数17十二月202231稳态误差减小系统误差的途径21十二月202232瞬态响应时域指标阶跃输入调整时间ts超调量σ上升时间tr上升时间td17十二月202232瞬态响应21十二月20223317十二月20223321十二月202234瞬态响应频域指标正弦输入带宽BW振荡度MP剪切频率ωc相位裕量φM闭环开环17十二月202234瞬态响应闭环开环21十二月20223517十二月20223521十二月20223617十二月20223621十二月20223717十二月20223721十二月202238第六节控制器设计一般设计思路确定受控系统物理组成推导受控系统传递函数GP(s)分析受控系统特性与需求间的差距选择适当形式的控制器GC(s)补足受控系统的不足根据已知条件，列写方程组，求解GC(s)中的未知数，或仿真确定参数17十二月202238第六节控制器设计一般设计思路21十二月202239增益提高，相对误差下降17十二月202239增益提高，相对误差下降21十二月202240控制系统的设计要求高的增益：准确小的延迟：稳定和快速17十二月202240控制系统的设计要求21十二月202241PID控制器比例：提供全频带的增益，可加宽系统频带，但降低稳定性积分：提供低频增益，对高频影响小，但带来相位滞后，降低稳定性。微分：提供高频增益（会放大噪声），相位超前，可改善稳定性和快速性。17十二月202241PID控制器积分控制器

引入积分校正使低频增益↑，提高型次相位裕量↓剪切频率？稳态误差↓稳定性↓不利于提高引入积分控制的目的是 提高低频增益和型次，降低稳态误差控制器设计积分控制器引入积分校正使稳态误差↓引入积分控制的目的是比例-积分(PI)控制器当偏差大时，当偏差小时，比例控制起主要作用；积分控制起主要作用。控制器设计比例-积分(PI)控制器当偏差大时，比例控制起主

既可以降低稳态误差，又可以调整(↑↓)剪切频率；对相位裕量的影响也可以比较小。当控制器设计 既可以降低稳态误差，又可以调整(↑↓)剪切频率；当控制微分部分：控制量正比于偏差变化率当偏差变化快时，当偏差变化慢时，微分控制起主要作用；比例控制起主要作用。比例-微分(PD)控制器控制器设计微分部分：控制量正比于偏差变化率当偏差变化快时，微分控制PD校正器的作用：(1)提供正的相位裕量 不稳定→稳定 超调量大→小(2)提高剪切频率(快)PD校正器的缺点：控制量高频噪声大控制器设计PD校正器的作用：控制器设计比例微分积分误差大误差变化快误差积分大快速接近期望值降低振荡，“阻尼”

提高稳态精度起作用的主要条件效果控制器设计比例误差大快速接近期望值起作用的主要条件效果控制器PID控制器可以校正哪些系统？控制器设计开环传递函数闭环传递函数PID控制器可以校正哪些系统？控制器设计开环传递函数闭环控制器设计开环传递函数

闭环特征多项式控制器设计开环传递函数闭环特征多项式开环阶次闭环阶次可调极点个数1 2 22 3 33 4 3PID控制器可以对（开环）2阶以下系统，任意配置极点对（开环）3阶以上系统，配置3个主导极点——解决大部分线性SISO系统的控制问题控制器设计开环阶次闭环阶次可调极点个数PID控制器可以控制21十二月202251超前－滞后控制器超前环节：改善相位特性，增加稳定裕量。滞后：抑制中频和高频增益，同时较惯性环节带来较小的相位滞后。17十二月202251超前－滞后控制器21十二月202252实例对象传递函数17十二月202252实例对象传递函数21十二月202253控制对象伯德图17十二月202253控制对象伯德图21十二月202254控制器17十二月202254控制器21十二月202255控制器伯德图17十二月202255控制器伯德图21十二月202256系统开环伯德图17十二月202256系统开环伯德图21十二月202257系统闭环伯德图17十二月202257系统闭环伯德图21十二月202258本节作业1.3、1.4、1.5、1.617十二月202258本节作业21十二月202259机电控制工程17十二月20221机电控制工程21十二月202260教师资料姓名：张嵘办公地点：五金库2006联系方法：71335E-mail：rongzh@17十二月20222教师资料21十二月20226117十二月2022321十二月202262课程内容机电系统建模电机的原理与控制伺服系统分析实验教学计划第1~8周

讲课第9~14周 实验第15周 课程设计讨论第16周 考试17十二月20224课程内容21十二月202263考核要求项目比例备注作业15％布置后两周内交齐，过时无效实验30％实验完成后两周内交齐，过时无效大作业15％第16周交齐考试40％开卷17十二月20225考核要求项目比例备注作业15％布置后21十二月202264机电控制工程第一章基础知识17十二月20226机电控制工程第一章基础知识21十二月202265概述内容术语定义典型机电控制系统（自学）系统数学模型系统响应性能指标控制器设计17十二月20227概述内容21十二月202266术语系统定义任何存在因果关系的一组物理元件输入：因输出：果数学模型线性、定常、确定、集中参数、动态常系数线性微分方程物理特性机电系统第一节术语定义17十二月20228术语第一节术语定义21十二月202267控制与控制系统控制按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法控制系统靠调节能量输入的方法，使得某些物理量受到控制的一类系统17十二月20229控制与控制系统21十二月202268控制系统分类开环、闭环控制系统17十二月202210控制系统分类21十二月202269控制系统分类串联、串并联17十二月202211控制系统分类21十二月202270控制系统分类复合控制系统前馈控制器引入输入信号的导数分量，加快系统对输入信号的响应速度17十二月202212控制系统分类前馈控制器引入输入信号21十二月202271控制系统分类模拟、数字控制系统调节、跟踪、伺服、过程控制系统17十二月202213控制系统分类21十二月202272第二节典型机电控制系统本节自学17十二月202214第二节典型机电控制系统本节自学21十二月202273第三节系统数学模型概述目的了解控制对象的特性进行定量分析构成物理定律和系统关系特点抽象近似形式传递函数、状态方程17十二月202215第三节系统数学模型概述21十二月202274输入－输出模型17十二月202216输入－输出模型21十二月202275状态方程17十二月202217状态方程21十二月202276传递函数17十二月202218传递函数21十二月202277传递函数转换为状态方程17十二月202219传递函数转换为状态方程21十二月202278传递函数转换为状态方程17十二月202220传递函数转换为状态方程21十二月202279状态方程转换为传递函数17十二月202221状态方程转换为传递函数21十二月202280方块图17十二月202222方块图21十二月202281理论推导列微分方程组线性化处理拉氏变换（代数方程组）画方块图方块图简化，或消去代数方程组中间变量输出输入之比即传递函数17十二月202223理论推导21十二月202282实验测得频率特性17十二月202224实验测得频率特性21十二月202283第四节系统响应时间响应单位脉冲、单位阶跃、单位斜坡输入时间域描述瞬态响应、稳态响应方法：反拉氏变换，部分分式展开17十二月202225第四节系统响应时间响应21十二月202284频率响应正弦输入频率域描述稳态响应复函数方法：极坐标、对数坐标17十二月202226频率响应21十二月202285第五节性能指标稳定性系统工作的必要条件，但不充分。稳态误差t→∞时的性能度量拉氏域s→0输入输出必须等价，需转换为单位反馈系统。位置、速度、加速度误差系数17十二月202227第五节性能指标稳定性21十二月202286相应于输入信号的稳态误差不考虑干扰信号，考虑系统在输入常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差位置误差系数速度误差系数加速度误差系数稳态误差17十二月202228相应于输入信号的稳态误差不考虑干21十二月202287稳态误差系统类别单位阶跃单位斜坡单位加速度0型I型II型开环低频增益越高，

相应于输入信号的闭环稳态误差越小17十二月202229稳态误差系统类别单位阶跃单位斜坡21十二月202288稳态误差干扰引起的稳态误差要减小干扰引起的稳态误差， ，即干扰输入点之前的增益要大，甚至带积分17十二月202230稳态误差干扰引起的稳态误差要减21十二月202289稳态误差减小系统误差的途径反馈通道的精度直接影响系统误差，要避免在反馈通道引入干扰对于输入引起的误差，增大系统开环放大倍数，提高系统型次对于干扰引起的误差，在前向通道干扰点前增大放大倍数17十二月202231稳态误差减小系统误差的途径21十二月202290瞬态响应时域指标阶跃输入调整时间ts超调量σ上升时间tr上升时间td17十二月202232瞬态响应21十二月20229117十二月20223321十二月202292瞬态响应频域指标正弦输入带宽BW振荡度MP剪切频率ωc相位裕量φM闭环开环17十二月202234瞬态响应闭环开环21十二月20229317十二月20223521十二月20229417十二月20223621十二月20229517十二月20223721十二月202296第六节控制器设计一般设计思路确定受控系统物理组成推导受控系统传递函数GP(s)分析受控系统特性与需求间的差距选择适当形式的控制器GC(s)补足受控系统的不足根据已知条件，列写方程组，求解GC(s)中的未知数，或仿真确定参数17十二月202238第六节控制器设计一般设计思路21十二月202297增益提高，相对误差下降17十二月202239增益提高，相对误差下降21十二月202298控制系统的设计要求高的增益：准确小的延迟：稳定和快速17十二月202240控制系统的设计要求21十二月202299PID控制器比例：提供全频带的增益，可加宽系统频带，但降低稳定性积分：提供低频增益，对高频影响小，但带来相位滞后，降低稳定性。微分：提供高频增益（会放大噪声），相位超前，可改善稳定性和快速性。17十二月202241PID控制器积分控制器

引入积分校正使低频增益↑，提高型次相位裕量↓剪切频率？稳态误差↓稳定性↓不利于提高引入积分控制的目的是 提高低频增益和型次，降低稳态误差控制器设计积分控制器引入积分校正使稳态误差↓引入积分控制的目的是比例-积分(PI)控制器当偏差大时，当偏差小时，比例控制起主要作用；积分控制起主要作用。控制器设计比例-积分(PI)控制器当偏差大时，比例控制起主

既可以降低稳态误差，又可以调整(↑↓)剪切频率；对相位裕量的影响也可以比较小。当控制器设计 既可以降低稳态误差，又可以调整(↑↓)剪切频率；当控制微分部分：控制量正比于偏差变化率当偏差变化快时，当偏差变化慢时，微分控制起主要作用；比例控制起主要作用。比例-微分(PD)控制器控制器设计微分部分：控制量正比于偏差变化率当偏差变化快时，微分控制PD校正器的作用：(1