自动控制理论_02对控制系统的性能要求.ppt

课 程 回 顾 自动控制的概念 自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。 水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，使△h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。 例1 家用冰箱温度控制系统 例2 炉温控制系统 炉温控制系统方框图 水温调节系统工作原理图 水温调节系统 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性 / 非线性 按系统参数是否随时间变化 定常 / 时变 按信号传递的形式 连续 / 离散 按输入输出变量的多少 单变量 / 多变量 当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。 一. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定 二. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高 三. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速 四.灵敏度 系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。 五.抗干扰性 系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。 第二章 自动控制系统的数学模型 2-1 控制系统微分方程的建立 2-2 非线性微分方程的线性化 2-3 传递函数 2-4 动态结构图 2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统的几种传递函数 引 言 控制系统的输入和输出之间动态关系的数学表达式即为数学模型。数学模型是分析和设计自动控制系统的基础。 表示形式 电气系统三元件 2-1 控制系统微分方程的建立 例1.RLC电路：列写以ui(t)为输入量，以uo(t)为输出量的网络微分方程。 例2 电枢控制式直流电机 例3.机械位移系统 求在外力F(t)作用下，位移的运动方程。 首先确定输入F(t),输出y(t) 其次：理论依据 1.牛顿第二定律 物体所受的合外力等于物体质量与加速度的乘积 2.牛顿第三定律 作用力等于反作用力,现在我们单独取出m进行分析。这里不考虑重力的影响。（达朗贝尔原理） 例4 吊车吊臂随动 控制系统 任务是控制机械负载，使其位置与输入手柄的位置相协调。 解：首先确定总输入θr总输出θc （1）电位器对——也称为电桥，由完全相同的两个电位器组成，用来检测输入θr与输出θc之间的角偏差，是控制系统中常用的误差检测器之一。 两个电位器的滑臂分别与输入手柄及负载轴相连，当输入轴的角位置θr与负载轴的角位置θc不相等时，出现角位置差： 根据戴维宁定理，求复杂电路中任何一个支路的电流时，可以把电路的所有其它部分看成一台具有电动势u0和内阻R0的发电机。那么，电桥的等效电路为： 电桥输出电压 （2）晶体管放大器.在本例中，放大器的输入电压为u，等于电桥的输出电压uε与测速发电机的反馈电压ut之差 2-2 非线性微分方程的线性化 一、对弱非线性的线性化 如果元件的非线性因素较弱或者不在系统线性工作范围以内，则它们对系统的影响很小，就可以忽略。 注意：这几种方法只适用于一些非线性程度较低的系统，对于某些严重的非线性，如 不能作线性化处理，一般用相平面法及描述函数法进行分析。 预 习 一般情况下，电桥电阻RL比R0要大10倍以上，这时认为R0 /RL趋于0，那么电桥的数学模型为 当负载阻抗很大时，电桥的输出电压uε与两个电位器电刷之间的偏差角θε成正比。 输出电压为ua （3）.直流测速发电机. 它的输入是电机轴的角速度 ,输出是电压 .它与角速度成正比。测速发电机的微分方程为 （4）.电枢控制式直流电动机. 它的输入电压为 ， 输出为电机轴的转角 。 由于随动系统总是工作在平衡点附近的小偏差范围内,可以认为放大器工作在线性段,而大输入信号时出现的饱和非线性可以忽略,从而得到简化的数学模型 .