控制工程理论基础end..doc

机械工程控制理论基础 张 克 仁 目录 自动控制系统的基本原理 控制系统的工作原理和基本要求 控制系统的基本类型 典型控制信号 控制理论的内容和方法 控制系统的数学模型 机械系统的数学模型 液压系统的数学模型 电气系统的数学模型 线性控制系统的卷积关系式 拉氏变换 傅氏变换 拉普拉斯变换 拉普拉斯变换的基本定理 拉普拉斯逆变换 第四章 传递函数 第一节 传递函数的概念与性质 线性控制系统的典型环节 系统框图及其运算 多变量系统的传递函数 第五章 时间响应分析 概述 单位脉冲输入的时间响应 单位阶跃输入的时间响应 高阶系统时间响应 频率响应分析 谐和输入系统的定态响应 频率特性极坐标图 频率特性的对数坐标图 由频率特性的实验曲线求系统传递函数 控制系统的稳定性 稳定性概念 劳斯判据 乃奎斯特判据 对数坐标图的稳定性判据 控制系统的偏差 控制系统的偏差概念 输入引起的定态偏差 输入引起的动态偏差 第九章 控制系统的设计和校正 第一节 综述 希望对数幅频特性曲线的绘制 校正方法与校正环节 控制系统的增益调整 控制系统的串联校正 控制系统的局部反馈校正 控制系统的顺馈校正 自动控制系统的基本原理 定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。 控制系统的工作原理和基本要求 控制系统举例与结构方框图 一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用 表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。 图1 人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。 图2 图示为液面高度控制系统原理图。试画出控制系统方块图 和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。 解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正， 可保持液面高度稳定。 图3 图4 图5 结构方块图说明： 1.信号线：带有箭头的直线（可标时间或象函数）U(t),U(s)； 2.引用线：表示信号引出或测量的位置； 3．比较点：对两个以上的同性质信号的加减运算环节； 4．方 框：代表系统中的元件或环节。 方块图中要注明元件或环节的名称，函数框图要写明函数表达式。 二．控制系统的组成 1．给定环节：给出输入信号，确定被控制量的目标值。 2．比较环节：将控制信号与反馈信号进行比较，得出偏差值。 3．放大环节：将偏差信号放大并进行必要的能量转换。 4．执行环节：各种各类。 5．被控对象：机器、设备、过程。 6．测量环节：测量被控信号并产生反馈信号。 7．校正环节：改善性能的特定环节。 三．控制系统特点与要求 1．目的：使被控对象的某一或某些物理量按预期的规律变化。 2．过程：即“测量——对比——补偿”。 或“检测偏差——纠正偏差”。 3．基本要求：稳定性 系统必须是稳定的，不能震荡； 快速性 接近目标的快慢程度，过渡过程要小； 准确性 控制系统的基本类型 1．开环变量控制系统（仅有前向通道） 图6 2．闭环变量控制系统 开环系统：优点：结构简单、稳定性能好； 缺点：不能纠偏，精度低。 闭环系统：与上相反。 第三节 典型控制信号 输入信号是多种多样的，为了对各种控制系统的性能进行统一的评价，通常选定几种外作用形式作为典型外作用信号，并提出统一的性能指标，作为评价标准。 1．阶跃信号 x(t)=0 t＜0 X(t)=A t≥0 图7 当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1（t）。 阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡过程性能时通常都选择阶跃函数为典