控制与控制系统讲座.ppt
2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,1,系统、信号与控制,大器虽然晚年成，卓荦全凭弱冠争。多识前贤蓄其德，莫抛心力贸才名。,清龚自珍【己亥杂诗】,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,2,培养无师自通能力,可以预言，未来的“文盲”将不再是目不识丁的人，而是一些没有学会学习方法，不会自己钻研问题，没有预见能力、分析能力的人。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,3,2.关于控制与控制系统,阀门,水箱,浮子,给定液位,实际液位,物质流,干扰信号,杠杆,一,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,4,2.1 控制系统的基本概念,大脑,脚踏油门,汽车,车速表,期望车速,实际车速,反馈信号,偏差,汽车的恒速控制,驱动系,能量流,道路坡度等的影响,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,5,汽车的行驶轨线控制,大脑,方向盘,汽车,眼睛,期望轨线,实际轨线,反馈信号,偏差,转向系,能量流,横风等的影响,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,6,定义：控制与自动控制,所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量、输出)自动地按照预定的规律运行。,控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,7,2.1.1 控制系统基本组成与工作原理,控制器,执行器,受控对象,检测器,输入,输出,反馈信号,干扰信号,能量流物质流信息流,控制规律,偏差信号,控制器：现代控制系统一般采用计算机，完成比较、放大、变换等信号处理工作，输出控制规律；比较器就是最简单的控制器。执行器和受控对象合称受控系统，它一般是一个能量传动系统，一个动态系统。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,8,2.1.2 反馈控制原理,检测输出,比较得偏差,纠正偏差,控制的目的？输入是什么？,输出是什么？描述对象特征的某个物理量,输出如何检测？,受控对象是谁？,基于负反馈基础上的检测偏差用以纠正偏差的控制原理称之为反馈控制原理。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,9,2.1.3 控制过程的物理本质,从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及控制能量（物质、信息）按给定规律进行转移的过程。,控制器,执行器,受控对象,检测器,输入,输出,反馈信号,干扰信号,能量流物质流信息流,控制规律,偏差信号,提高信息处理能力，以最短的时间和（或）最小的控制代价，实现系统按预定的规律进行能量转移，这就是控制系统设计所要解决的中心问题。不论控制理论如何发展，最优控制始终是控制的核心问题。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,10,对控制系统的性能要求,瞬态性能,稳态性能,稳定性,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,11,2.2 动态系统的数学模型,此式为二阶常系数线性微分方程,惯性力,粘性力,弹性力,外力或内力,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,12,数学模型的方块图表示,方块图描述了系统中信号转换、传递的过程，给出了系统的工作原理。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,13,动态系统的传递函数模型,运动微分方程,S的代数方程,拉普拉斯变换,按传递函数定义，有,系统输出响应：,即,线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,14,系统的特征根与极点,N阶系统有n个特征根。特征根只能是0、实数、复数（必共扼出现）。,特征方程为,齐次方程为,特征方程的根称为特征根，特征根是系统系数的组合。,系统特征根决定了系统的性能!,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,15,系统的特征根与极点,系统的特征方程,分母称为系统的特征多项式,系统特征根,系统极点,根据传递函数定义，有输入输出模型,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,16,控制系统的分析内容与方法,分析的内容,稳定性分析，动态性能分析、稳态误差分析,主要分析方法,时域分析方法、频域分析方法,时域分析的实质就是求解描述系统性能的运动微分方程,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,17,2.3 控制系统的时域分析,为了衡量系统的动态性能，同时能对不同系统的性能进行比较，通常采用单位阶跃函数作为测试信号。相应地，系统的响应称为单位阶跃响应。,任何复杂系统都是由简单的一阶、二阶系统组成,任何复杂信号都是由简单信号叠加而成的傅立叶级数,线性稳定系统,响应,输入的微分(积分),响应的微分(积分),输入,脉冲函数,阶跃函数,加速度函数,速度函数,积分,积分,微分,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,18,一阶系统的阶跃响应,举例,特点：有一个蓄能元件，含时间常数，具有惯性，输出滞后输入。,：时间常数,响应分析,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,19,2.3.2 二阶系统的阶跃响应分析,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,20,二阶系统的传递函数与极点,根据系统阻尼比的值，二阶系统有：,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,21,欠阻尼二阶系统的响应曲线,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,22,控制系统的动态性能指标,注意：响应的平稳性与快速性是相互矛盾的。,时间指标：响应的快速性。,最大超调量：相对稳定性，响应的平稳性，系统的阻尼程度。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,23,2.4 控制系统的频域分析,频率特性是控制理论最基本的概念之一,频率响应？,稳定的系统对正弦输入的稳态响应。,频率响应有什么特性？,如何求系统的频率响应？,为什么可以用频率响应来研究系统的性能？,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,24,2.4.1 频率响应与频率特性,频率响应的特点,稳态输出与输入相比，都是同频率的正弦函数，但幅值不同，相位不同。,稳态输出的幅值为输入幅值的一个相应的倍数；,相位比输入相位滞后一个角度。,幅值比,它是频率的函数，称为幅频特性；,相位差,它是频率的函数，称为相频特性。,结论,幅值比、相位差随频率变化频率响应的这种特性，用频率特性描述。,频率响应：系统对正弦信号的稳态响应,稳定系统,Xi=Aisint,Xo=Ao()sint+(),2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,25,2.4.2 频率特性的定义,线性稳定系统在正弦信号作用下，当频率从零变化到无穷时，稳态输出与输入的幅值比、相位差随频率变化的特性，称为频率特性。频率特性由幅频特性和相频特性两部分组成。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,26,幅频特性和相频特性,幅频特性,相频特性,系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输人信号的幅值之比随输入频率的变比而变化的特性称为幅频特性，它描述了系统对输入信号幅值的放大、衰减特性。,系统稳态正弦输出信号与相应的正弦输入信号的相位之差随输入频率的变化而变化的特性称为相频特性，它描述了系统输出信号相位对输入信号相位的超前、迟后特性。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,27,频率特性的求取方法,两个复数积或商的模等于两个复数的模的积或商；两个复数积或商的相位等于两个复数的相位的和（加）或差（减）。,注意复数的运算：,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,28,频率特性的求取举例,传递函数和频率特性为,幅频特性,相频特性,若输入为:,则稳态输出为:,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,29,频率特性的物理意义,表明系统跟踪、复现不同频率信号的能力。,系统的频率特性随频率而变化的根本原因：,系统有蓄能元件、有惯性，对频率高的输入，系统来不及响应。,当频率低时，系统能正确响应、跟踪、复现输入信号；当频率高时，系统输出幅值衰减近似为0，相位严重滞后，系统不能跟踪、复现输入。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,30,频率特性的物理意义,系统的频率特性是系统的固有特性，取决于系统结构和参数。,时间常数一旦确定，频率特性随之而定，幅频特性、相频特性也就确定，时间常数越大，系统能跟踪复现的信号的频率越低。控制系统具有低通滤波器特性。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,31,对数幅频特性坐标图的坐标系,对数幅频特性图中的横坐标也称为频率轴，采用对数分度，但标注频率的实际值，单位是rad/s；,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,32,对数幅频特性图中的纵坐标为L()，表示对数幅频特性的函数值。线性分度，单位是分贝dB。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,33,对数相频特性的纵坐标表示相频特性的函数值，单位是度（）。,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,34,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,35,2.4 机电一体化系统,机电一体化是机械工程学中采用电子工程学的体现。机电一体化是把机械学和电子学有机结合起来，提供更加优越技术的一种技术。机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的总称。,日本机械振兴协会经济研究所(1981.3)：机电一体化这个词乃是机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成的系统的总称。,美国ASME1984年提出现代机械系统的定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。,MechanicsElectronics,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,36,机电一体化系统的组成,五官,头脑,手足,骨骼,心脏,传感器,计算机,执行器,机械本体,动力,人体的五大部分,机电一体化产品的,五大部分,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,37,机电一体化系统的一般结构,控制器,执行器,机械本体,检测器,A/D接口D/A,驱动,动力源,现代系统一般采用计算机,信息储存、分析处理数值计算、分析发出各种控制命令,完成各种动作,行为、状态检测,机身机架工作台,提供能量去驱动执行机构,信号转换,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,38,机电一体化相关技术,精密机械技术,计算机与信息处理技术,系统技术接口技术,自动控制技术,传感与检测技术,驱动技术（伺服控制，功率传动）,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,39,2023/10/1,武汉理工大学机电学院 容一鸣,40,3.信号处理与分析,
