控制與控制系統(tǒng)講座教學課件

培養(yǎng)無師自通能力可以預言，未來的“文盲”將不再是目不識丁的人，而是一些沒有學會學習方法，不會自己鉆研問題，沒有預見能力、分析能力的人。7/23/20231武漢理工大學機電學院容一鳴2.關于控制與控制系統(tǒng)閥門水箱浮子給定液位實際液位物質(zhì)流干擾信號杠桿一7/23/20232武漢理工大學機電學院容一鳴2.1控制系統(tǒng)的基本概念大腦腳踏油門汽車車速表期望車速實際車速反饋信號偏差汽車的恒速控制驅(qū)動系能量流道路坡度等的影響7/23/20233武漢理工大學機電學院容一鳴汽車的行駛軌線控制大腦方向盤汽車眼睛期望軌線實際軌線反饋信號偏差轉(zhuǎn)向系能量流橫風等的影響7/23/20234武漢理工大學機電學院容一鳴定義：控制與自動控制所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機器、設備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量、輸出)自動地按照預定的規(guī)律運行?？刂凭褪前凑疹A先給定的目標，改變系統(tǒng)行為或性能的方法學。7/23/20235武漢理工大學機電學院容一鳴2.1.1控制系統(tǒng)基本組成與工作原理控制器執(zhí)行器受控對象檢測器輸入輸出反饋信號干擾信號能量流物質(zhì)流信息流控制規(guī)律偏差信號控制器：現(xiàn)代控制系統(tǒng)一般采用計算機，完成比較、放大、變換等信號處理工作，輸出控制規(guī)律；比較器就是最簡單的控制器。執(zhí)行器和受控對象合稱受控系統(tǒng)，它一般是一個能量傳動系統(tǒng)，一個動態(tài)系統(tǒng)。7/23/20236武漢理工大學機電學院容一鳴2.1.2反饋控制原理檢測輸出比較得偏差糾正偏差控制的目的？——輸入是什么？輸出是什么？——描述對象特征的某個物理量輸出如何檢測？受控對象是誰？基于負反饋基礎上的檢測偏差用以糾正偏差的控制原理稱之為反饋控制原理。7/23/20237武漢理工大學機電學院容一鳴2.1.3控制過程的物理本質(zhì)從物理本質(zhì)上看，控制過程是一種信息處理及控制能量（物質(zhì)、信息）按給定規(guī)律進行轉(zhuǎn)移的過程?？刂破鲌?zhí)行器受控對象檢測器輸入輸出反饋信號干擾信號能量流物質(zhì)流信息流控制規(guī)律偏差信號提高信息處理能力，以最短的時間和（或）最小的控制代價，實現(xiàn)系統(tǒng)按預定的規(guī)律進行能量轉(zhuǎn)移，這就是控制系統(tǒng)設計所要解決的中心問題。不論控制理論如何發(fā)展，最優(yōu)控制始終是控制的核心問題。7/23/20238武漢理工大學機電學院容一鳴2.1.4對控制系統(tǒng)的性能要求表示性能指標td、tr、Mp和ts的單位階躍響應曲線瞬態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定性7/23/20239武漢理工大學機電學院容一鳴2.2動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型此式為二階常系數(shù)線性微分方程慣性力粘性力彈性力外力或內(nèi)力7/23/202310武漢理工大學機電學院容一鳴數(shù)學模型的方塊圖表示

方塊圖描述了系統(tǒng)中信號轉(zhuǎn)換、傳遞的過程，給出了系統(tǒng)的工作原理。7/23/202311武漢理工大學機電學院容一鳴動態(tài)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型運動微分方程S的代數(shù)方程拉普拉斯變換按傳遞函數(shù)定義，有系統(tǒng)輸出響應：即線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，定義為零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。7/23/202312武漢理工大學機電學院容一鳴系統(tǒng)的特征根與極點N階系統(tǒng)有n個特征根。特征根只能是0、實數(shù)、復數(shù)（必共扼出現(xiàn)）。特征方程為齊次方程為特征方程的根稱為特征根，特征根是系統(tǒng)系數(shù)的組合。系統(tǒng)特征根決定了系統(tǒng)的性能!7/23/202313武漢理工大學機電學院容一鳴系統(tǒng)的特征根與極點系統(tǒng)的特征方程分母稱為系統(tǒng)的特征多項式系統(tǒng)特征根系統(tǒng)極點根據(jù)傳遞函數(shù)定義，有輸入—輸出模型7/23/202314武漢理工大學機電學院容一鳴控制系統(tǒng)的分析內(nèi)容與方法分析的內(nèi)容穩(wěn)定性分析，動態(tài)性能分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析主要分析方法時域分析方法、頻域分析方法時域分析的實質(zhì)就是求解描述系統(tǒng)性能的運動微分方程7/23/202315武漢理工大學機電學院容一鳴2.3

控制系統(tǒng)的時域分析為了衡量系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時能對不同系統(tǒng)的性能進行比較，通常采用單位階躍函數(shù)作為測試信號。相應地，系統(tǒng)的響應稱為單位階躍響應。任何復雜系統(tǒng)都是由簡單的一階、二階系統(tǒng)組成任何復雜信號都是由簡單信號疊加而成的—傅立葉級數(shù)線性穩(wěn)定系統(tǒng)響應輸入的微分(積分)響應的微分(積分)輸入脈沖函數(shù)階躍函數(shù)加速度函數(shù)速度函數(shù)積分積分微分7/23/202316武漢理工大學機電學院容一鳴2.3.1一階系統(tǒng)的階躍響應舉例

特點：有一個蓄能元件，含時間常數(shù)，具有慣性，輸出滯后輸入。

：時間常數(shù)響應分析7/23/202317武漢理工大學機電學院容一鳴2.3.2二階系統(tǒng)的階躍響應分析7/23/202318武漢理工大學機電學院容一鳴二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與極點根據(jù)系統(tǒng)阻尼比ζ的值，二階系統(tǒng)有：7/23/202319武漢理工大學機電學院容一鳴欠阻尼二階系統(tǒng)的響應曲線7/23/202320武漢理工大學機電學院容一鳴控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標注意：響應的平穩(wěn)性與快速性是相互矛盾的。時間指標：響應的快速性。最大超調(diào)量：相對穩(wěn)定性，響應的平穩(wěn)性，系統(tǒng)的阻尼程度。7/23/202321武漢理工大學機電學院容一鳴2.4控制系統(tǒng)的頻域分析頻率特性是控制理論最基本的概念之一頻率響應？穩(wěn)定的系統(tǒng)對正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應。頻率響應有什么特性？如何求系統(tǒng)的頻率響應？為什么可以用頻率響應來研究系統(tǒng)的性能？7/23/202322武漢理工大學機電學院容一鳴2.4.1頻率響應與頻率特性頻率響應的特點①穩(wěn)態(tài)輸出與輸入相比，都是同頻率的正弦函數(shù)，但幅值不同，相位不同。②穩(wěn)態(tài)輸出的幅值為輸入幅值的一個相應的倍數(shù)；③相位比輸入相位滯后一個角度。幅值比它是頻率ω的函數(shù)，稱為幅頻特性；相位差它是頻率ω的函數(shù)，稱為相頻特性。結論幅值比、相位差隨頻率ω變化頻率響應的這種特性，用頻率特性描述。頻率響應：系統(tǒng)對正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應穩(wěn)定系統(tǒng)Xi=AisinωtXo=Ao(ω)sin[ωt+φ(ω)]7/23/202323武漢理工大學機電學院容一鳴2.4.2頻率特性的定義線性穩(wěn)定系統(tǒng)在正弦信號作用下，當頻率從零變化到無窮時，穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的幅值比、相位差隨頻率變化的特性，稱為頻率特性。頻率特性由幅頻特性和相頻特性兩部分組成。7/23/202324武漢理工大學機電學院容一鳴幅頻特性和相頻特性幅頻特性相頻特性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)正弦輸出信號與相應的正弦輸人信號的幅值之比隨輸入頻率的變比而變化的特性稱為幅頻特性，它描述了系統(tǒng)對輸入信號幅值的放大、衰減特性。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)正弦輸出信號與相應的正弦輸入信號的相位之差隨輸入頻率的變化而變化的特性稱為相頻特性，它描述了系統(tǒng)輸出信號相位對輸入信號相位的超前、遲后特性。7/23/202325武漢理工大學機電學院容一鳴頻率特性的求取方法兩個復數(shù)積或商的模等于兩個復數(shù)的模的積或商；兩個復數(shù)積或商的相位等于兩個復數(shù)的相位的和（加）或差（減）。注意復數(shù)的運算：7/23/202326武漢理工大學機電學院容一鳴頻率特性的求取舉例傳遞函數(shù)和頻率特性為幅頻特性

相頻特性

若輸入為:

則穩(wěn)態(tài)輸出為:

7/23/202327武漢理工大學機電學院容一鳴頻率特性的物理意義⑴表明系統(tǒng)跟蹤、復現(xiàn)不同頻率信號的能力。⑵系統(tǒng)的頻率特性隨頻率而變化的根本原因：系統(tǒng)有蓄能元件、有慣性，對頻率高的輸入，系統(tǒng)來不及響應。當頻率低時，系統(tǒng)能正確響應、跟蹤、復現(xiàn)輸入信號；當頻率高時，系統(tǒng)輸出幅值衰減近似為0，相位嚴重滯后，系統(tǒng)不能跟蹤、復現(xiàn)輸入。7/23/202328武漢理工大學機電學院容一鳴頻率特性的物理意義⑶系統(tǒng)的頻率特性是系統(tǒng)的固有特性，取決于系統(tǒng)結構和參數(shù)。時間常數(shù)一旦確定，頻率特性隨之而定，幅頻特性、相頻特性也就確定，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)能跟蹤復現(xiàn)的信號的頻率越低?？刂葡到y(tǒng)具有低通濾波器特性。7/23/202329武漢理工大學機電學院容一鳴對數(shù)幅頻特性坐標圖的坐標系對數(shù)幅頻特性圖中的橫坐標也稱為頻率ω軸，采用對數(shù)分度，但標注頻率的實際值，單位是rad/s；7/23/202330武漢理工大學機電學院容一鳴對數(shù)幅頻特性圖中的縱坐標為L(ω)，表示對數(shù)幅頻特性的函數(shù)值。線性分度，單位是分貝dB。7/23/202331武漢理工大學機電學院容一鳴對數(shù)相頻特性的縱坐標表示相頻特性的函數(shù)值，單位是度（°）。7/23/202332武漢理工大學機電學院容一鳴7/23/202333武漢理工大學機電學院容一鳴2.4機電一體化系統(tǒng)機電一體化是機械工程學中采用電子工程學的體現(xiàn)。機電一體化是把機械學和電子學有機結合起來，提供更加優(yōu)越技術的一種技術。機械技術的機械學和電子技術的電子學組合起來的總稱。日本機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所(1981.3)：機電一體化這個詞乃是機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進了電子技術，并將機械裝置和電子設備以及軟件等有機結合起來構成的系統(tǒng)的總稱。美國ASME1984年提出現(xiàn)代機械系統(tǒng)的定義：由計算機信息網(wǎng)絡協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。Mechanics—Electronics7/23/202334武漢理工大學機電學院容一鳴機電一體化系統(tǒng)的組成五官頭腦手足骨骼心臟傳感器計算機執(zhí)行器機械本體動力人體的五大部分機電一體化產(chǎn)品的五大部分7/23/202335武漢理工大學機電學院容一鳴機電一體化系統(tǒng)的一般結構控制器執(zhí)行器機械本體檢測器A/D接口D/A驅(qū)動動力源現(xiàn)代系統(tǒng)一般采用計算機信息儲存、分析處理數(shù)值計算、分析發(fā)出各種控制命令完成各種動作行為、狀態(tài)檢測機身機架工作臺提供能量去驅(qū)動執(zhí)行機構信號轉(zhuǎn)換7/23/202336武漢理工大學機電學院容一鳴機電一體化相關技術精密機械技術計算機與信息處理技術系統(tǒng)技術——接口技術自動控制技術傳感與檢測技術驅(qū)動技術（伺服控制，功