机械控制工程基础复习市公开课一等奖省赛课微课金奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制工程总复习,第1页,1.控制概念及学习主要内容,自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之到达预期状态或性能,要,求,。,主要内容：给定输入求输出,；,输出是否满足要求；对控制系统了解,第2页,例：,篮球运动员投篮：人力对篮球控制,收音机调台：调谐旋钮与电台频率关系,收音机音量控制：旋转角度与音量关系,输入量,控制器,输出量,执行、,控制关系,第3页,2.自动控制系统基本组成,被控对象：,要求实现自动控制机器设备或生产过程,被控制量：,（指被控制系统所要控制物理量，普通指系统,输出量,）,给定值：,依据生产要求，被控制量需要到达数值,扰动：,给定值和扰动通称为,输入量,。,控制装置：,能够对被控对象起控制作用设备总称,第4页,3.控制系统分类,开环系统,闭环系统,第5页,按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定给定值对应一定输出量。系统控制精度取决于系统事先调整精度。对于工作过程中受到扰动或特征参数改变无法自动赔偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱场所,。,输出不影响输入，对输出不需要测量，通常轻易实现；,组成系统元部件精度高，系统精度才能高；,系统稳定性不是主要问题,；,开环控制：,开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用,而没有反向联络控制过程。,主要特点,：,控制方式,：,控制器,被控制,对象,给定值,输出,量,按给定值,控制原,理方框图,开环控制方,式,第6页,输出影响输入，所以能减弱或抑制干扰；,低精度元件可组成高精度系统；,因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很主要。,闭环控制,：,是指控制器与控制对象之间现有顺向作用又有反向,联络控制过程。,主要特点,：,控制方式,：,反馈控制,，反馈按反馈极性不一样分成两种形式：正反馈，负反馈。,控制器,被控制,对象,输入量,输出量,闭环控制,经典方框图,扰动,第7页,4.本书主要内容,输入信号,系统,输出信号,经典信号,计算结果,建模,时间响应,频率响应,稳定性分析,关键内容：输入与输出关系,第8页,一、经典输入信号,为了便于对系统进行分析，设计和比较，依据系统常碰到输入信号形式。在数学描述上加以理想化一些基本输入函数，称为经典输入信号。,控制系统中惯用经典输入信号有：单位阶跃、单位斜坡（速度）函数、单位加速度（抛物线）函数、单位脉冲函数和正弦函数。,第9页,二、系统建模主要内容,物理系统微分方程建立,传递函数概念,经典步骤传递函数,系统方框图及其变换,求解微分方程：即求系统输出,第10页,用解析法建立运动方程步骤是：,1）,分析系统工作原理和系统中各变量间关系，确定出待研究元件或系统输入量和输出量；,2）,从输入端入手（闭环系统普通从比较步骤入手），依据各元件所遵照物理，化学，生物等规律，列写各自方程式，但要注意负载效应。所谓负载效应，就是考虑后一级对前一级影响。,3）,将全部方程联解，消去中间变量，得出系统输入输出标准方程。所谓标准方程包含三方面内容：,将与输入量相关各项放在方程右边，与输出量相关各项放在方程左边；各导数项按降幂排列；将方程系数经过元件或系统参数化成含有一定物理意义系数。,第11页,微分方程式编写,例,RC,电路,取u,1,为输入量,u,2,为输出量,第12页,例弹簧阻尼系统,f,粘滞摩擦系数,k,弹簧系数,v,物体相正确移动速度,两边取拉氏变换,整理得,第13页,结构图等效变换方法,1 三种经典结构可直接用公式,2 相邻综合点可交换位置,3 相邻引出点可交换位置,注意事项：,1,不是,经典结构,不可,直接用公式,2 引出点综合点,相邻,，,不可,交换位置,第14页,三、时域法经典控制过程,瞬态响应,指系统在经典输入信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态响应过程。又称,动态过程或过渡过程,。,瞬态响应能够提供关于系统稳定性、响应速度及阻尼情况等信息。,稳态响应,指系统在经典输入信号作用下，当初间,t,趋于无穷时，系统输出量表现方式。稳态响应又称,稳态过程,。,稳态响应能够提供系统相关稳态误差信息。,第15页,一阶系统时域分析,无零点一阶系统,(s)=,Ts+1,k,T,时间常数,(画图时取k=1,T=0.5),k(t)=,T,1,e,-,T,t,h(t)=1-e,-t/T,c(t)=t-T+Te,-t/T,第16页,一阶系统响应小结,闭环传递函数,输入信号,时域,输出响应,e,ss,0,1(t),0,t,T,无穷大,等价关系：,系统对输入信号导数响应，就等于系统对该输入信号响应导数；,系统对输入信号积分响应，就等于系统对该输入信号响应积分。,第17页,二阶系统时域分析,标准形式,经典响应分析,特征参数,对系统性能,影响,第18页,经典二阶系统时域分析,R(s),C(s),R(s),C(s),微分方程标准形式,：,阻尼比，,无阻尼自振频率。,传递函数及方框图：,等效开环传函及方框图：,第19页,特征根在根平面上分布：,z,1,不等负实根,z,1,相等负实根,1,z,0,共轭复根,z,=0,共轭虚根,z,0,正（正实部）根,特征方程：,特征根：,第20页,2,-1,S,1,2,=,-,n,n,S,1,2,=,-,n,-,n,=,S,1,2,=,j,n,0,1,1,0,1,j,0,j,0,j,0,j,0,二,阶系统单位阶跃响应定性分析,2,(s)=,s,2,+2,n,s+,n,2,n,2,-,j,1,-,2,n,S,1,2,=,n,h(t),=,1,T,2,t,T,1,T,2,1,e,+,T,1,t,T,2,T,1,1,e,+,h(t)=1,-(1+,n,t),e,-,t,n,h(t)=1,-,cos,n,t,j,0,j,0,j,0,j,0,T,1,1,T,2,1,1,1,01,0,sin(,d,t+),e,-,t,h(t)=,1-,2,1,1,n,过阻尼,临界阻尼,欠阻尼,零阻尼,第21页,二阶系统瞬态响应有以下特点：,参数,对瞬态响应曲线形状影响极大。,当0,，瞬态响应是,等幅振荡,，频率为,n,。,n,称为,无阻尼振荡角频率,，系统被称为,无阻尼系统,。,01,时，瞬态响应是一个从-1到0单调递增过程。,阻尼系数,和,n,决定了二阶系统瞬态响应特征，称为二阶系统,特征参数,。,第22页,2）,一定时，,n,越大，瞬态响应分量衰减越快速,系统能够更加快到达稳态值，响应快速性越好。,第23页,瞬态响应性能指标,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,最大超调量,M,p,调整时间,t,s,上述指标反应了系统平稳性,第24页,上升时间,t,r,:,(1)响应曲线从零时刻出发,首次抵达稳态值,所需时间。,(2)对无超调系统，响应曲线,从稳态值,10%,上升到,90%,所需时间。,峰值时间,t,p,:,响应曲线从零上升到,第一个峰值,所需时间。,评价系统平稳性性能指标,第25页,最大超调量,M,p,：,响应曲线最大峰值与稳态值之差。通惯用百分数表示：,评价系统平稳性性能指标,调整时间,t,s,:,响应曲线抵达并保持在允许误差范围,（,稳态值,2%,或,5%）,内所需时间。,第26页,系统稳态性能衡量：稳态误差,稳态误差计算：,第27页,给定输入,给定稳态误差终值,0型系统,I型系统,型系统,1(t),1/(1+K),0,0,t,1/K,0,t,2,/2,1/K,三种经典输入下对应于“0”“I”“,”型三种系统,有九种情况，误差计算公式列表以下：,第28页,频率响应,频率特征,奈奎斯特图,波得图,频率特征定义：,线性定常系统（或元件）频率特征是指：在零初始条件下稳态输出正弦信号与输入正弦信号复数比。,第29页,例：如图所表示电气网络传递函数为,若输入为正弦信号：,其拉氏变换为：,输出拉氏变换为：,其拉氏反变换为：,第30页,其稳态响应为：,上式表明：,对于正弦输入，其输入稳态响应依然是一个同频率正弦信号。但幅值降低，相角滞后。,输入输出为正弦函数时，能够表示成复数形式，设输入为Xe,j0,，输出为Ye,j,，则输出输入之复数比为：,幅值频率特征,相角频率特征,第31页,频率特征,G(j),也能够表示成实部和虚部复数形式。,第32页,奈奎斯特图：,G(s)=,0.5s+1,1,0.25,2,+1,A(,),=,1,()=-tg,-1,0.5,j,0,1,ImG(j,),ReG(j,),0,0.5,1,2,4,5,8,20,o,(,),A(,),0,1,-,14.5,0.97,-,26.6,0.89,-,45,0.71,-63.4-68.2-76 -84,0.450.370.240.05,第33页,对数频率特征曲线（,Bode,图）,在半对数坐标纸上绘制，由,对数幅频特征,和,对数相频特征,两条曲线所组成。,频率对数分度,半对数坐标：横坐标不均匀，而纵坐标是均匀刻度。,十倍频程,十倍频程,十倍频程,十倍频程,十倍频程,第34页,0.1,0.2,1,2,10,20,100,0db,20db,40db,-20db,-40db,L(,),+20,8db,返回,惯性步骤L(,),第35页,系统稳定性分析,稳定概念,稳定充分必要条件,稳定判据,第36页,临界稳定,：若系统在扰动消失后，输出与原始平衡状态间存在恒定偏差或输出维持等幅振荡，则系统处于临界稳定状态。,注意：经典控制论中，临界稳定也视为不稳定。,第37页,稳定必要条件,系统特征各项系数含有相同符号，且无零系数。,设系统 特征根为,p,1,、p,2,、p,n-1,、p,n,则,若系统稳定，必有p,i,0,所以上式各项系数均大于零。,第38页,s,n,a,0,a,2,a,4,a,6,s,n1,a,1,a,3,a,5,a,7,s,n2,b,1,b,2,b,3,b,4,s,n3,c,1,c,2,c,3,c,4,s,2,e,1,e,2,s,1,f,1,s,0,g,1,判据系统极点实部为正实数根数目等于劳斯表中第一列系数符号改变次数。,特征方程,劳斯表,第39页,