機(jī)械控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)

1、整理ppt控制工程總復(fù)習(xí)整理ppt1.控制的概念及學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容 自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制裝置自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制裝置代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求求。 主要內(nèi)容：給定輸入求輸出主要內(nèi)容：給定輸入求輸出；輸出是否滿(mǎn)足輸出是否滿(mǎn)足要求；對(duì)控制系統(tǒng)的了解要求；對(duì)控制系統(tǒng)的了解整理ppt例： 籃球運(yùn)動(dòng)員投籃：人力對(duì)籃球的控制 收音機(jī)調(diào)臺(tái)：調(diào)諧旋鈕與電臺(tái)頻率的關(guān)系 收音機(jī)音量控制：旋轉(zhuǎn)角度與音量的關(guān)系輸入量輸入量控制器控制器輸出量輸出量執(zhí)行、執(zhí)行、控制關(guān)系整理ppt2.

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成被控對(duì)象：被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程程被控制量：被控制量：（指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一（指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的般指系統(tǒng)的輸出量輸出量）給定值：給定值：根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值擾動(dòng)：擾動(dòng)：給定值和擾動(dòng)通稱(chēng)為給定值和擾動(dòng)通稱(chēng)為輸入量輸入量。控制裝置：控制裝置：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱(chēng)能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱(chēng)整理ppt3.控制系統(tǒng)的分類(lèi) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)整理ppt按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸

3、出量單向傳遞。一定的按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過(guò)程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過(guò)程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合。 輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常容易實(shí)現(xiàn)；輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常容易實(shí)現(xiàn)；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)

4、的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問(wèn)題系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問(wèn)題；開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制是指控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用開(kāi)環(huán)控制是指控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用 而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)：控制方式控制方式：控制器被控制對(duì)象給定給定值值輸出輸出量量按給定值控制的原理方框圖開(kāi)環(huán)控制方開(kāi)環(huán)控制方式式整理ppt輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。閉環(huán)控制閉環(huán)控制：是指控制器

5、與控制對(duì)象之間既有順向作用又有反向是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又有反向 聯(lián)系的控制過(guò)程。聯(lián)系的控制過(guò)程。主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)：控制方式控制方式：反饋控制反饋控制，反饋按反饋極性的不同分成兩種形式：，反饋按反饋極性的不同分成兩種形式：正反饋，負(fù)反饋。正反饋，負(fù)反饋。 控制器控制器被控制被控制對(duì)象對(duì)象輸入量輸入量輸出量輸出量閉環(huán)控制閉環(huán)控制典型方框圖典型方框圖擾動(dòng)擾動(dòng)整理ppt4.本書(shū)主要內(nèi)容輸入輸入信號(hào)信號(hào)系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出信號(hào)信號(hào)典型典型信號(hào)信號(hào)計(jì)算計(jì)算結(jié)果結(jié)果建模時(shí)間響應(yīng)頻率響應(yīng)穩(wěn)定性分析核心內(nèi)容：輸入與輸出的關(guān)系整理ppt整理ppt二、系統(tǒng)建模的主要內(nèi)容 物理系統(tǒng)微分方程的建立 傳遞函數(shù)

6、的概念 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 系統(tǒng)的方框圖及其變換 求解微分方程：即求系統(tǒng)的輸出整理ppt 1）分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關(guān)系，確分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關(guān)系，確定出待研究元件或系統(tǒng)的輸入量和輸出量；定出待研究元件或系統(tǒng)的輸入量和輸出量； 2）從輸入端入手（閉環(huán)系統(tǒng)一般從比較環(huán)節(jié)入手），從輸入端入手（閉環(huán)系統(tǒng)一般從比較環(huán)節(jié)入手），依據(jù)各元件所遵循的物理，化學(xué)，生物等規(guī)律，列寫(xiě)依據(jù)各元件所遵循的物理，化學(xué)，生物等規(guī)律，列寫(xiě)各自方程式，但要注意負(fù)載效應(yīng)。所謂負(fù)載效應(yīng)，就各自方程式，但要注意負(fù)載效應(yīng)。所謂負(fù)載效應(yīng)，就是考慮后一級(jí)對(duì)前一級(jí)的影響。是考慮后一級(jí)對(duì)前一級(jí)的影響。 3）將

7、所有方程聯(lián)解，消去中間變量，得出系統(tǒng)輸入輸將所有方程聯(lián)解，消去中間變量，得出系統(tǒng)輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)方程。所謂標(biāo)準(zhǔn)方程包含三方面的內(nèi)容：出的標(biāo)準(zhǔn)方程。所謂標(biāo)準(zhǔn)方程包含三方面的內(nèi)容：將與輸入量有關(guān)的各項(xiàng)放在方程的右邊，與輸出量有將與輸入量有關(guān)的各項(xiàng)放在方程的右邊，與輸出量有關(guān)的各項(xiàng)放在方程的左邊；關(guān)的各項(xiàng)放在方程的左邊；各導(dǎo)數(shù)項(xiàng)按降冪排列；各導(dǎo)數(shù)項(xiàng)按降冪排列；將方程的系數(shù)通過(guò)元件或系統(tǒng)的參數(shù)化成具有一定將方程的系數(shù)通過(guò)元件或系統(tǒng)的參數(shù)化成具有一定物理意義的系數(shù)。物理意義的系數(shù)。整理ppt微分方程式的編寫(xiě) 例 RC電路 取u1為輸入量,u2為輸出量21)(uRitu2uq Cdqidt122uudtdu

8、RC整理ppt例彈簧阻尼系統(tǒng)例彈簧阻尼系統(tǒng)fsFFFFmakyFsfvFfFkydtdyfdtydm22f 粘滯摩擦系數(shù)k 彈簧系數(shù)v 物體相對(duì)的移動(dòng)速度兩邊取拉氏變換兩邊取拉氏變換 sFskysfsysyms2整理得整理得 kfsmssFsy21整理ppt結(jié)構(gòu)圖等效變換方法結(jié)構(gòu)圖等效變換方法1 三種典型結(jié)構(gòu)可直接用公式三種典型結(jié)構(gòu)可直接用公式2 相鄰綜合點(diǎn)可互換位置相鄰綜合點(diǎn)可互換位置3 相鄰引出點(diǎn)可互換位置相鄰引出點(diǎn)可互換位置注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：1 不是不是典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)不可不可直接用公式直接用公式2 引出點(diǎn)綜合點(diǎn)引出點(diǎn)綜合點(diǎn)相鄰相鄰，不可不可互換位置互換位置整理ppt三、時(shí)域法典型控制

9、過(guò)程三、時(shí)域法典型控制過(guò)程整理ppt一階系統(tǒng)時(shí)域分析一階系統(tǒng)時(shí)域分析無(wú)零點(diǎn)的一階系統(tǒng)無(wú)零點(diǎn)的一階系統(tǒng) (s)=Ts+1k, T時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)(畫(huà)圖時(shí)取畫(huà)圖時(shí)取k=1,T=0.5)k(t)=T1e-Tth(t)=1-e-t/Tc(t)=t-T+Te-t/T整理ppt一階系統(tǒng)響應(yīng)小結(jié)一階系統(tǒng)響應(yīng)小結(jié)閉環(huán)傳遞閉環(huán)傳遞函數(shù)函數(shù)輸入信號(hào)輸入信號(hào)時(shí)域時(shí)域 輸出響應(yīng)輸出響應(yīng)ess 01(t) 0t T 無(wú)窮大無(wú)窮大0tTeTtTt0)1 (2122teTTttTt01teTt)0(1teTTt)(t221t11TS等價(jià)關(guān)系：等價(jià)關(guān)系：系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)，就等于系統(tǒng)對(duì)該輸系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)，就等

10、于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)；入信號(hào)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)； 系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)積分的響應(yīng)，就等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)積分的響應(yīng)，就等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的積分。應(yīng)的積分。整理ppt二階系統(tǒng)的時(shí)域分析 標(biāo)準(zhǔn)形式 典型響應(yīng)分析 特征參數(shù) 對(duì)系統(tǒng)性能的對(duì)系統(tǒng)性能的影響n(yōu)整理ppt)()()(2)(d 2222trtcdttdcdttcnnn s2n222nns R(s)C(s) )s(snn 22 R(s)C(s) 2sR(s)C(s) 222nnns )2s(s G(S) 2nn微分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式： 阻尼比，n無(wú)阻尼自振頻率。傳遞函數(shù)及方框圖：等效的開(kāi)環(huán)傳函及方框圖：整理ppt特征根在根平面上的分

11、布：特征根在根平面上的分布：1S2nn21、ImRe101 1 1 不等負(fù)實(shí)根不等負(fù)實(shí)根 1 1 相等負(fù)實(shí)根相等負(fù)實(shí)根 1 1 0 0 共軛復(fù)根共軛復(fù)根 =0 =0 共軛虛根共軛虛根ImRe101253344 0 0 正（正實(shí)部）根正（正實(shí)部）根0222nnwsws特征方程：特征方程：特征根：特征根：整理ppt2 - 1S1,2=-nnS1,2=-n-n=S1,2 =jn01101j0j0j0j0二二階系統(tǒng)單位階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)定性分析階躍響應(yīng)定性分析2(s)=s2+2ns+n2n2-j1-2 nS1,2=nh(t)= 1T2tT1T21e+T1tT2T11e+h(t)= 1-(1+nt) e

12、- tnh(t)= 1-cosntj0j0j0j0T11T2111010sin(dt+)e- t h(t)=1-211n過(guò)阻尼過(guò)阻尼臨界阻尼臨界阻尼欠阻尼欠阻尼零阻尼零阻尼整理ppt二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)有如下特點(diǎn)：參數(shù) 對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)曲線的形狀影響極大。當(dāng)0，瞬態(tài)響應(yīng)是等幅振蕩，頻率為n。n稱(chēng)為無(wú)阻尼振蕩角頻率，系統(tǒng)被稱(chēng)為無(wú)阻尼系統(tǒng)。 01時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)是一個(gè)從-1到0單調(diào)遞增的過(guò)程。阻尼系數(shù)和n決定了二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特征，稱(chēng)為二階系統(tǒng)的特征參數(shù)。整理ppt2）一定時(shí)，一定時(shí)，n越大，瞬態(tài)響應(yīng)分量衰減越迅速越大，瞬態(tài)響應(yīng)分量衰減越迅速系系統(tǒng)能夠更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，響應(yīng)的快速性越好。統(tǒng)能夠更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，

13、響應(yīng)的快速性越好。整理ppt瞬態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo) 上升時(shí)間tr 峰值時(shí)間tp 最大超調(diào)量Mp 調(diào)整時(shí)間ts 上述指標(biāo)反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性整理ppt上升時(shí)間tr:(1)響應(yīng)曲線從零時(shí)刻出發(fā)首次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間。(2)對(duì)無(wú)超調(diào)系統(tǒng)，響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間。峰值時(shí)間tp:響應(yīng)曲線從零上升到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。評(píng)價(jià)系統(tǒng)平穩(wěn)性的性能指標(biāo)整理ppt最大超調(diào)量 Mp：響應(yīng)曲線的最大峰值與穩(wěn)態(tài)值之差。通常用百分?jǐn)?shù)表示：%100)()()(cctcMpp評(píng)價(jià)系統(tǒng)平穩(wěn)性的性能指標(biāo)調(diào)整時(shí)間ts:響應(yīng)曲線到達(dá)并保持在允許誤差范圍（穩(wěn)態(tài)值的2%或5%）內(nèi)所需的時(shí)間。整理ppt系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的衡量：穩(wěn)

14、態(tài)誤差系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的衡量：穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算：)()(1)(lim)(lim)(00sHsGssRssEeessssss整理ppt給定輸入給定輸入給定穩(wěn)態(tài)誤差的終值給定穩(wěn)態(tài)誤差的終值0 0型系統(tǒng)型系統(tǒng)I I型系統(tǒng)型系統(tǒng)型系統(tǒng)型系統(tǒng)1(t)1(t)1/(1+K)1/(1+K)0 00 0t t1/K1/K0 0t t2 2/2/21/K1/K三種典型輸入下對(duì)應(yīng)于三種典型輸入下對(duì)應(yīng)于“0”“I”“”0”“I”“”型三型三種系統(tǒng)種系統(tǒng)有九種情況，誤差的計(jì)算公式列表如下：有九種情況，誤差的計(jì)算公式列表如下：整理ppt頻率響應(yīng) 頻率特性 奈奎斯特圖 波得圖頻率特性的定義：頻率特性的定義：線性定常系統(tǒng)

15、（或元件）的頻率特性是指：在零線性定常系統(tǒng)（或元件）的頻率特性是指：在零初始條件下穩(wěn)態(tài)輸出的正弦信號(hào)與輸入正弦信號(hào)的復(fù)初始條件下穩(wěn)態(tài)輸出的正弦信號(hào)與輸入正弦信號(hào)的復(fù)數(shù)比。數(shù)比。整理ppt111111)()(12sRCsCsRCssUsU例：如圖所示電氣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為例：如圖所示電氣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為若輸入為正弦信號(hào)：若輸入為正弦信號(hào)：tUumsin11其拉氏變換為：其拉氏變換為：2211)(sUsUm221211)(sUssUm輸出拉氏變換為：輸出拉氏變換為：其拉氏反變換為：其拉氏反變換為：)arctansin(112212212tUeUumtm整理ppt其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：)arct

16、ansin(1lim2212tUumt111sin()11mUtjj上式表明：上式表明：對(duì)于正弦輸入，其輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍然是一個(gè)同頻率正弦信號(hào)。但幅值降低，相角滯后。輸入輸出為正弦函數(shù)時(shí)，可以表示成復(fù)數(shù)形式，設(shè)輸入輸出為正弦函數(shù)時(shí)，可以表示成復(fù)數(shù)形式，設(shè)輸入為輸入為XeXej0 j0，輸出為，輸出為YeYej j，則輸出輸入之復(fù)數(shù)比為：，則輸出輸入之復(fù)數(shù)比為：)(0)(jjjjeAeXYXeYe)(A幅值頻率特性幅值頻率特性)(相角頻率特性相角頻率特性整理ppt頻率特性頻率特性G(j)也可以表示成實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)形式。也可以表示成實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)形式。)()()(jQPjG)(cos)()(A

17、P)(sin)()(AQ22)()()(QPA)()(arctan)(PQ整理ppt奈奎斯特圖：奈奎斯特圖：G(s) = 0.5s+110.25 2+1A()=1() = -tg-10.5 j01ImG(j)ReG(j) 00.51245820o o()A()01-14.50.97-26.60.89-450.71-63.4 -68.2 -76 -840.450.370.240.05整理ppt對(duì)數(shù)頻率特性曲線（對(duì)數(shù)頻率特性曲線（Bode圖）圖） 在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制，由在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制，由對(duì)數(shù)幅頻特性對(duì)數(shù)幅頻特性和和對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)相頻特性相頻特性?xún)蓷l曲線所組成。兩條曲線所組成。 頻率的對(duì)數(shù)分度半對(duì)

18、數(shù)坐標(biāo)：橫坐標(biāo)不均勻，而縱坐標(biāo)是均勻刻度。半對(duì)數(shù)坐標(biāo)：橫坐標(biāo)不均勻，而縱坐標(biāo)是均勻刻度。十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程十倍頻程整理ppt0.1 0.21210201000db20db40db-20db-40dbL()+2015 . 01)(ssG410)(ssG8dbo90 o45 o0 慣性環(huán)節(jié)L()整理ppt系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定的概念 穩(wěn)定的充分必要條件 穩(wěn)定判據(jù)整理ppt臨界穩(wěn)定臨界穩(wěn)定：若系統(tǒng)在擾動(dòng)消失后，輸出與原始的平衡狀態(tài)間存在恒定的偏差或輸出維持等幅振蕩，則系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。注意：經(jīng)典控制論中，臨界穩(wěn)定也視為不穩(wěn)定。注意：經(jīng)典控制論中，臨界穩(wěn)定也視為不穩(wěn)定。整理ppt穩(wěn)定的必要條件穩(wěn)定的必要條件系統(tǒng)特征各項(xiàng)系數(shù)具有相同的符號(hào)，且無(wú)零系數(shù)。0asa.sasa) s (Dn1n1n1n0設(shè)系統(tǒng) 特征根為p1、p2、pn-1、pn則 021np