基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)電控制工程課件

1、26 七月 20221機(jī)電控制工程26 七月 20222教師資料姓名：張嶸辦公地點(diǎn)：五金庫2006聯(lián)系方法：71335E-mail：26 七月 2022326 七月 20224課程內(nèi)容機(jī)電系統(tǒng)建模電機(jī)的原理與控制伺服系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃第18周講課 第914周實(shí)驗(yàn) 第15周課程設(shè)計(jì)討論 第16周考試 26 七月 20225考核要求項(xiàng)目比例備注作業(yè)15布置后兩周內(nèi)交齊，過時(shí)無效實(shí)驗(yàn)30實(shí)驗(yàn)完成后兩周內(nèi)交齊，過時(shí)無效大作業(yè)15第16周交齊考試40開卷26 七月 20226機(jī)電控制工程第一章 基礎(chǔ)知識(shí)26 七月 20227概述內(nèi)容術(shù)語定義典型機(jī)電控制系統(tǒng)（自學(xué)）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)控制器設(shè)計(jì)

2、26 七月 20228術(shù)語系統(tǒng)定義任何存在因果關(guān)系的一組物理元件輸入：因輸出：果數(shù)學(xué)模型線性、定常、確定、集中參數(shù)、動(dòng)態(tài)常系數(shù)線性微分方程物理特性機(jī)電系統(tǒng)第一節(jié) 術(shù)語定義26 七月 20229控制與控制系統(tǒng)控制按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的方法控制系統(tǒng)靠調(diào)節(jié)能量輸入的方法，使得某些物理量受到控制的一類系統(tǒng)26 七月 202210控制系統(tǒng)分類開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)26 七月 202211控制系統(tǒng)分類串聯(lián)、串并聯(lián)26 七月 202212控制系統(tǒng)分類復(fù)合控制系統(tǒng)前饋控制器引入輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)分量，加快系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度 26 七月 202213控制系統(tǒng)分類模擬、數(shù)字控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)、跟蹤、伺服

3、、過程控制系統(tǒng)26 七月 202214第二節(jié) 典型機(jī)電控制系統(tǒng)本節(jié)自學(xué)26 七月 202215第三節(jié) 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述目的了解控制對(duì)象的特性進(jìn)行定量分析構(gòu)成物理定律和系統(tǒng)關(guān)系特點(diǎn)抽象近似形式傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程26 七月 202216輸入輸出模型26 七月 202217狀態(tài)方程26 七月 202218傳遞函數(shù)26 七月 202219傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程26 七月 202220傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程26 七月 202221狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)26 七月 202222方塊圖26 七月 202223理論推導(dǎo)列微分方程組線性化處理拉氏變換（代數(shù)方程組）畫方塊圖方塊圖簡化，或消去代數(shù)方程組中間變量輸出

4、輸入之比即傳遞函數(shù)26 七月 202224實(shí)驗(yàn)測得頻率特性26 七月 202225第四節(jié) 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)單位脈沖、單位階躍、單位斜坡輸入時(shí)間域描述瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方法：反拉氏變換，部分分式展開26 七月 202226頻率響應(yīng)正弦輸入頻率域描述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)復(fù)函數(shù)方法：極坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)26 七月 202227第五節(jié) 性能指標(biāo)穩(wěn)定性系統(tǒng)工作的必要條件，但不充分。穩(wěn)態(tài)誤差t時(shí)的性能度量拉氏域s 0輸入輸出必須等價(jià)，需轉(zhuǎn)換為單位反饋系統(tǒng)。位置、速度、加速度誤差系數(shù)26 七月 202228相應(yīng)于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差 不考慮干擾信號(hào)， 考慮系統(tǒng)在輸入 常值、斜坡、二次曲線信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差 位置誤差系數(shù) 速度誤

5、差系數(shù) 加速度誤差系數(shù) 穩(wěn)態(tài)誤差 26 七月 202229穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)類別單位階躍單位斜坡單位加速度0型I型II型開環(huán)低頻增益越高，相應(yīng)于輸入信號(hào)的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差越小 26 七月 202230穩(wěn)態(tài)誤差 干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差 要減小干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差， ，即干擾輸入點(diǎn)之前的增益要大，甚至帶積分 26 七月 202231穩(wěn)態(tài)誤差 減小系統(tǒng)誤差的途徑反饋通道的精度直接影響系統(tǒng)誤差，要避免在反饋通道引入干擾 對(duì)于輸入引起的誤差，增大系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)型次對(duì)于干擾引起的誤差，在前向通道干擾點(diǎn)前增大放大倍數(shù)26 七月 202232瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)域指標(biāo)階躍輸入調(diào)整時(shí)間ts超調(diào)量上升時(shí)間tr上升時(shí)間td26

6、 七月 20223326 七月 202234瞬態(tài)響應(yīng)頻域指標(biāo)正弦輸入帶寬BW振蕩度MP剪切頻率c相位裕量M閉環(huán)開環(huán)26 七月 20223526 七月 20223626 七月 20223726 七月 202238第六節(jié) 控制器設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)思路確定受控系統(tǒng)物理組成推導(dǎo)受控系統(tǒng)傳遞函數(shù)GP(s)分析受控系統(tǒng)特性與需求間的差距選擇適當(dāng)形式的控制器GC(s)補(bǔ)足受控系統(tǒng)的不足根據(jù)已知條件，列寫方程組，求解GC(s)中的未知數(shù)，或仿真確定參數(shù)26 七月 202239增益提高，相對(duì)誤差下降26 七月 202240控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高的增益：準(zhǔn)確小的延遲：穩(wěn)定和快速26 七月 202241PID控制器比例：提

7、供全頻帶的增益，可加寬系統(tǒng)頻帶，但降低穩(wěn)定性積分：提供低頻增益，對(duì)高頻影響小，但帶來相位滯后，降低穩(wěn)定性。微分：提供高頻增益（會(huì)放大噪聲），相位超前，可改善穩(wěn)定性和快速性。積分控制器 引入積分校正使 低頻增益，提高型次 相位裕量 剪切頻率？ 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)定性 不利于提高 引入積分控制的目的是 提高低頻增益和型次，降低穩(wěn)態(tài)誤差 控制器設(shè)計(jì)比例-積分 ( PI ) 控制器 當(dāng)偏差大時(shí)， 當(dāng)偏差小時(shí)， 比例控制起主要作用； 積分控制起主要作用。 控制器設(shè)計(jì)既可以降低穩(wěn)態(tài)誤差，又可以調(diào)整()剪切頻率； 對(duì)相位裕量的影響也可以比較小。當(dāng) 控制器設(shè)計(jì)微分部分：控制量正比于偏差變化率 當(dāng)偏差變化快時(shí)， 當(dāng)偏

8、差變化慢時(shí)， 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 控制器設(shè)計(jì)PD校正器的作用：(1) 提供正的相位裕量 不穩(wěn)定穩(wěn)定超調(diào)量大小(2) 提高剪切頻率 (快)PD校正器的缺點(diǎn)： 控制量高頻噪聲大 控制器設(shè)計(jì)比例 微分 積分 誤差大 誤差變化快 誤差積分大 快速接近期望值 降低振蕩，“阻尼” 提高穩(wěn)態(tài)精度 起作用的主要條件 效果 控制器設(shè)計(jì)PID控制器可以校正哪些系統(tǒng)？ 控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù) 閉環(huán)傳遞函數(shù) 控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù) 閉環(huán)特征多項(xiàng)式 開環(huán)階次 閉環(huán)階次 可調(diào)極點(diǎn)個(gè)數(shù) 122 233 343 PID控制器可以 對(duì)（開環(huán)）2階以下系統(tǒng)，任意配置極點(diǎn) 對(duì)（開環(huán)）3階以上系統(tǒng)，配置3個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn) 解決大部分線性SISO系統(tǒng)的控制問題 控制器設(shè)計(jì)26 七月 202251超前滯后控制器超前環(huán)節(jié)：改善相位特性，增加穩(wěn)定裕量。滯后：抑制中頻和高頻增益，同時(shí)較慣性環(huán)節(jié)帶來較小的相位滯后。26 七月 202