控制與控制系統(tǒng)講座教學(xué)課件

培養(yǎng)無師自通能力可以預(yù)言，未來的“文盲”將不再是目不識(shí)丁的人，而是一些沒有學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)方法，不會(huì)自己鉆研問題，沒有預(yù)見能力、分析能力的人。7/23/20231武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.關(guān)于控制與控制系統(tǒng)閥門水箱浮子給定液位實(shí)際液位物質(zhì)流干擾信號(hào)杠桿一7/23/20232武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(shí)際車速反饋信號(hào)偏差汽車的恒速控制驅(qū)動(dòng)系能量流道路坡度等的影響7/23/20233武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(shí)際軌線反饋信號(hào)偏差轉(zhuǎn)向系能量流橫風(fēng)等的影響7/23/20234武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴定義：控制與自動(dòng)控制所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量、輸出)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行?？刂凭褪前凑疹A(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的方法學(xué)。7/23/20235武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(duì)象檢測(cè)器輸入輸出反饋信號(hào)干擾信號(hào)能量流物質(zhì)流信息流控制規(guī)律偏差信號(hào)控制器：現(xiàn)代控制系統(tǒng)一般采用計(jì)算機(jī)，完成比較、放大、變換等信號(hào)處理工作，輸出控制規(guī)律；比較器就是最簡(jiǎn)單的控制器。執(zhí)行器和受控對(duì)象合稱受控系統(tǒng)，它一般是一個(gè)能量傳動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。7/23/20236武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.1.2反饋控制原理檢測(cè)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(duì)象特征的某個(gè)物理量輸出如何檢測(cè)？受控對(duì)象是誰？基于負(fù)反饋基礎(chǔ)上的檢測(cè)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(xué)機(jī)電學(xué)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(jìn)行轉(zhuǎn)移的過程。控制器執(zhí)行器受控對(duì)象檢測(cè)器輸入輸出反饋信號(hào)干擾信號(hào)能量流物質(zhì)流信息流控制規(guī)律偏差信號(hào)提高信息處理能力，以最短的時(shí)間和（或）最小的控制代價(jià)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，這就是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.1.4對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求表示性能指標(biāo)td、tr、Mp和ts的單位階躍響應(yīng)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.2動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴數(shù)學(xué)模型的方塊圖表示

方塊圖描述了系統(tǒng)中信號(hào)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型運(yùn)動(dòng)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(yīng)：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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴系統(tǒng)的特征根與極點(diǎn)N階系統(tǒng)有n個(gè)特征根。特征根只能是0、實(shí)數(shù)、復(fù)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴系統(tǒng)的特征根與極點(diǎn)系統(tǒng)的特征方程分母稱為系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式系統(tǒng)特征根系統(tǒng)極點(diǎn)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(xué)機(jī)電學(xué)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(dòng)態(tài)性能分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析主要分析方法時(shí)域分析方法、頻域分析方法時(shí)域分析的實(shí)質(zhì)就是求解描述系統(tǒng)性能的運(yùn)動(dòng)微分方程7/23/202315武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.3

控制系統(tǒng)的時(shí)域分析為了衡量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)能對(duì)不同系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，通常采用單位階躍函數(shù)作為測(cè)試信號(hào)。相應(yīng)地，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為單位階躍響應(yīng)。任何復(fù)雜系統(tǒng)都是由簡(jiǎn)單的一階、二階系統(tǒng)組成任何復(fù)雜信號(hào)都是由簡(jiǎn)單信號(hào)疊加而成的—傅立葉級(jí)數(shù)線性穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)輸入的微分(積分)響應(yīng)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.3.1一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)舉例

特點(diǎn)：有一個(gè)蓄能元件，含時(shí)間常數(shù)，具有慣性，輸出滯后輸入。

：時(shí)間常數(shù)響應(yīng)分析7/23/202317武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.3.2二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析7/23/202318武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與極點(diǎn)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴欠阻尼二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線7/23/202320武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)注意：響應(yīng)的平穩(wěn)性與快速性是相互矛盾的。時(shí)間指標(biāo)：響應(yīng)的快速性。最大超調(diào)量：相對(duì)穩(wěn)定性，響應(yīng)的平穩(wěn)性，系統(tǒng)的阻尼程度。7/23/202321武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(yīng)？穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。頻率響應(yīng)有什么特性？如何求系統(tǒng)的頻率響應(yīng)？為什么可以用頻率響應(yīng)來研究系統(tǒng)的性能？7/23/202322武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.4.1頻率響應(yīng)與頻率特性頻率響應(yīng)的特點(diǎn)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(gè)相應(yīng)的倍數(shù)；③相位比輸入相位滯后一個(gè)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(jié)論幅值比、相位差隨頻率ω變化頻率響應(yīng)的這種特性，用頻率特性描述。頻率響應(yīng)：系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)Xi=AisinωtXo=Ao(ω)sin[ωt+φ(ω)]7/23/202323武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(hào)作用下，當(dāng)頻率從零變化到無窮時(shí)，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(xué)機(jī)電學(xué)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(hào)與相應(yīng)的正弦輸人信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)幅值的放大、衰減特性。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)正弦輸出信號(hào)與相應(yīng)的正弦輸入信號(hào)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(hào)相位對(duì)輸入信號(hào)相位的超前、遲后特性。7/23/202325武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴頻率特性的求取方法兩個(gè)復(fù)數(shù)積或商的模等于兩個(gè)復(fù)數(shù)的模的積或商；兩個(gè)復(fù)數(shù)積或商的相位等于兩個(gè)復(fù)數(shù)的相位的和（加）或差（減）。注意復(fù)數(shù)的運(yùn)算：7/23/202326武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴頻率特性的物理意義⑴表明系統(tǒng)跟蹤、復(fù)現(xiàn)不同頻率信號(hào)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(duì)頻率高的輸入，系統(tǒng)來不及響應(yīng)。當(dāng)頻率低時(shí)，系統(tǒng)能正確響應(yīng)、跟蹤、復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)；當(dāng)頻率高時(shí)，系統(tǒng)輸出幅值衰減近似為0，相位嚴(yán)重滯后，系統(tǒng)不能跟蹤、復(fù)現(xiàn)輸入。7/23/202328武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)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(jié)構(gòu)和參數(shù)。時(shí)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(shí)間常數(shù)越大，系統(tǒng)能跟蹤復(fù)現(xiàn)的信號(hào)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴對(duì)數(shù)幅頻特性坐標(biāo)圖的坐標(biāo)系對(duì)數(shù)幅頻特性圖中的橫坐標(biāo)也稱為頻率ω軸，采用對(duì)數(shù)分度，但標(biāo)注頻率的實(shí)際值，單位是rad/s；7/23/202330武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴對(duì)數(shù)幅頻特性圖中的縱坐標(biāo)為L(zhǎng)(ω)，表示對(duì)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(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴對(duì)數(shù)相頻特性的縱坐標(biāo)表示相頻特性的函數(shù)值，單位是度（°）。7/23/202332武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴7/23/202333武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴2.4機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化是機(jī)械工程學(xué)中采用電子工程學(xué)的體現(xiàn)。機(jī)電一體化是把機(jī)械學(xué)和電子學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，提供更加優(yōu)越技術(shù)的一種技術(shù)。機(jī)械技術(shù)的機(jī)械學(xué)和電子技術(shù)的電子學(xué)組合起來的總稱。日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所(1981.3)：機(jī)電一體化這個(gè)詞乃是機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。美國(guó)ASME1984年提出現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的定義：由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和（或）機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)。Mechanics—Electronics7/23/202334武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成五官頭腦手足骨骼心臟傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器機(jī)械本體動(dòng)力人體的五大部分機(jī)電一體化產(chǎn)品的五大部分7/23/202335武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴機(jī)電一體化系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)控制器執(zhí)行器機(jī)械本體檢測(cè)器A/D接口D/A驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源現(xiàn)代系統(tǒng)一般采用計(jì)算機(jī)信息儲(chǔ)存、分析處理數(shù)值計(jì)算、分析發(fā)出各種控制命令完成各種動(dòng)作行為、狀態(tài)檢測(cè)機(jī)身機(jī)架工作臺(tái)提供能量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)轉(zhuǎn)換7/23/202336武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院容一鳴機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)精密機(jī)械技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)——接口技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)傳感與檢測(cè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（伺服控制，功