机电工程控制基础 第一章.

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1、下一页章目录 上一页退出 华中农业大学工程技术学院：杨 方 机电工程控制基础机电工程控制基础 学时： 40+8/2.5 考试：闭卷考试 参考书目： 1. 胡寿松主编。自动控制原理。第五版。 北京：科学出版社，2007 2. 李友善主编自动控制原理国防工业出版社 3. Morris Dries “Linear Control System Engineering” （线性控制系统 工程）北京：清华大学出版社，2005 4. C. Dorf, Robert H. Bishop. “Modern Control Systems”（现代控制 系统 第九版）. 北京：清华大学出版社，2008 下一页章目

2、录 上一页退出 机电工程控制基础课程说明 教学目标： 1. 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进 行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法 2. 如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预 定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 控制论为理论基础，研究机电工程中广义系统 的动力学问题；同时，它又是一种方法论。学习本课 程的目的在于使学生结合工程实际，应用经典控制论 中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的 问题 教学内容： 下一页章目录 上一页退出 课程成绩确定方法： 本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主要由平 时成绩、实验、考试成绩三部分组成。每项

3、说明如下： 1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况、回答问题 情况等 2.实验：实验准备情况及平时做实验的完成情况 3.考试：闭卷，卷面考试成绩 最终成绩的给定大约按如下公式得到： 平时成绩+实验+考试成绩 三者比重大约分别为：20%、20 % 、60% 下一页章目录 上一页退出 主要内容 第一章 控制系统导论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析 基础知识 分析方法 工程应用 下一页章目录 上一页退出 第一章第一章 控制系统导论 1.1 自动控制的基本原

4、理：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象 、控制装置和自控系统等概念。了解自动控制理论发展的主要阶段。 1.2 自动控制系统示例： 1.3 控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义 和信息特征 1.4 对控制系统的基本要求：明确对自控系统的基本要求，正确理 解三大性能指标的含义。 1.5 自动控制系统的分析与设计工具 下一页章目录 上一页退出 1.1 1.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念 v 自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加 的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象） 的某个工作状

5、态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。 v 自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来， 组成一个有机总体。 v 自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。 v 控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动 态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。 v 控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的 确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 下一页章目录 上一页退出 二、自动控制理论的发展阶段及其特点二、自动控制理论的发展阶段及其特点 1 经典控制理论 2现代控制理论 研究范围：单输入-单输出 研究范围：多输入-多

6、输出系统 线性定常系统 研究问题：稳定性、快速性、 研究问题：稳定性、快速性、 准确性、最优控制 准确性 研究方法：状态空间分析法 研究方法：时域分析法 （时域） 根轨迹法 工具： 状态方程 频域分析法 数学基础： 微分方程 工具： 传递函数 线性代数 数学基础：常微分方程 概率论与数理统计 复变函数 泛函分析 3 智能控制理论 研究基础：控制论、信息论、仿生学 下一页章目录 上一页退出 三、反馈控制原理三、反馈控制原理 反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的 过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越 小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 反馈控制：就是采用负反馈并利用偏

7、差进行控制的过程， 又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过 程是闭合的，故也称为闭环控制。 眼睛脑手 输入量 （书的位置） 输出量 （手的位置） 眼睛 下一页章目录 上一页退出 被控量：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。 被控量又称输出量、输出信号 。 给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电压）。 人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测手的位置； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较， 并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3）执行：根据控制量控制手臂移动。 工程实践中，这些设备依其功能分别称为测量元件、

8、比较元件和执行 元件，并统称为控制装置。 下一页章目录 上一页退出 u0 ? u -K FDCFKZ TG uk ua ut n Ia SM 系统示例：系统示例： 龙门刨床速度控制系统原理图龙门刨床速度控制系统原理图 工作原理：负载 速度 ut u uk ua 速度 龙门刨床速度控制系统方块图龙门刨床速度控制系统方块图 n：被控量；u0：给定量；ua：控制量；ut：反馈量；u：偏差量 下一页章目录 上一页退出 v方块图的概念 方框 控制装置和被控对象分别用方框表示 信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号 线表示 输入信号 进入方框的信号 输出信号 离开方框的信号 系统的输出量

9、 被控对象的输出量，即被控量，最右端 系统的输入量 系统方块图的最左端 信号线 方框 信号线 输入信号输出信号 下一页章目录 上一页退出 四、反馈控制系统的基本组成四、反馈控制系统的基本组成 各元件的作用 测量元件：检测被控制的物理量（传感器、测速发电机等）。 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（参据量）。 比较元件：将测量元件检测的被控量与给定元件给出的期望值比较，求出其偏差。 放大元件：偏差信号放大，推动执行元件。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件（补偿元件）：产生控制作用的元件（电子电路或计算机）。 其结构或参数便于调整，以改善系统的性能。 下一页章

10、目录 上一页退出 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成 符号与术语： ：比较元件：是测量元件与给定量进行比较； ：表示负反馈； ：表示正反馈； 前向通道：从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路； 反馈通路：从输出端到输入端的传输通道； 主回路： 内回路： 扰动量：系统不希望有的外作用，破坏有用输入对系统的控制。 下一页章目录 上一页退出 五、自动控制系统的基本控制方式五、自动控制系统的基本控制方式 1 1、反馈控制方式、反馈控制方式 反馈控制方式是指系统的被控制量（输出量）与控制作用 之间存在着负反馈的控制方式。 优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系 统 误差（偏差）的能力，

11、因而有效地提高了系统的精度 。 缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。 下一页章目录 上一页退出 2 2、开环控制方式、开环控制方式 开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向 作用而没有反向联系的控制过程。采用开环控制方式的系 统称为开环控制系统。 优点：结构简单，成本低廉，易于实现，适用于精度要 不高的场合 缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低 下一页章目录 上一页退出 龙门 刨床速度开环控制系统原理图 按给定量开环控制系统方框图 按扰动开环控制系统方框图 下一页章目录 上一页退出 复合控制方式：将反馈控制和扰动控制相结合称复合控制方式。 3 3、复合控制方式、复合控制方式

12、优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动 缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性 电压 放大器 功率放大器 电动机 电压 放大器 测速发电机 uo - 负反馈 n Mc 电阻R 顺馈 下一页章目录 上一页退出 下一页章目录 上一页退出 分析自动控制系统，指出输入量，输出量，控制方式？ 画出其功能框图？ 1.2 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例 术语：被控对象，输入量（设定量）， 输出量（被控量），反馈量， 偏差量，前向通道，反馈通道， 理想输出，实际输出 下一页章目录 上一页退出 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按控制方式分类：（1）开环控制；（2）反馈

13、控制；（3）复合控制 按给定量的变化规律分类 恒值系统：给定量（参据量）不变，要求被控量维持某个特定 的值。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被 控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。 随动系统：给定量（参据量）是预先未知的随时间任意变化的 函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。（跟 踪系统）跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。 程序控制系统：参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求 被控量迅速、准确地加以复现。 下一页章目录 上一页退出 连续系统和离散系统（按照系统内信号的 传递形式分类） 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模 拟量传递的系

14、统。 如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码 形式传递的系统则称为离散系统。离散系统要用差分方 程描述。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生 ，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制 系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计 算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计 算机控制系统。 下一页章目录 上一页退出 线性系统和非线性系统（按照组成系统的元 件特性分类） 线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的 系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠 加原理。 在动态研究中，如果系统在多个输入作用下的 输出等于各输入单独作用下的输出和（可加性 ），并且当输入增大倍数时，输出相应增大同 样的倍数（均匀性），就满足叠加原理，因而 系统可以看成线性系统 下一页章目录 上一页退出 线性定常系统 如果描述一个线性系统的微分方程的系数为常数，那么称 系统为线性定常系统。 如 线性时变系统 如果描述一个线性系统的微分方程的系数为时间的 函数，那么称系统为线性时变系统。 如 下一页章目录 上一页退出 非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系 统。其只能用非线性微分（或差分）方程描述，不满足 叠加原理。 因此非线性系统对两个输入量的响应不能单独进行计算，因此系统分 析将比较困难，很难找到一般通用方法。但