2019年控制与控制系统讲座课件.ppt

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1、系统、信号与控制⑵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】9/19/20211武汉理工大学机电学院容一鸣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。9/19/20212武汉理工大学机电学院容一鸣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一9/19/20213武汉理工大学机电学院容一鸣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

2、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9/19/20214武汉理工大学机电学院容一鸣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9/19/20215武汉理工大学机电学院容一鸣定义：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。9/19/

3、20216武汉理工大学机电学院容一鸣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。9/19/20217武汉理工大学机电学院容一鸣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

4、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。9/19/20218武汉理工大学机电学院容一鸣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。

5、9/19/20219武汉理工大学机电学院容一鸣2.1.4对控制系统的性能要求表示性能指标td、tr、Mp和ts的单位阶跃响应曲线瞬态性能稳态性能稳定性9/19/202110武汉理工大学机电学院容一鸣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9/19/202111武汉理工大学机电学院容一鸣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。9/19/202112武汉理工大学机电学院容一鸣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

6、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。9/19/202113武汉理工大学机电学院容一鸣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!9/19/202114武汉理工大学机电学院容一鸣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9

7、/19/202115武汉理工大学机电学院容一鸣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9/19/202116武汉理工大学机电学院容一鸣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

8、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9/19/202117武汉理工大学机电学院容一鸣2.3.1一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9/19/202118武汉理工大学机电学院容一鸣2.3.2二阶系统的阶跃响应分析9/19/202119武汉理工大学机电学院容一鸣二阶系统的传递函数与极点根据系统阻尼比ζ的值，二阶系统有：9/