第1讲-最终版-控制工程基础.ppt

* 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方程描述，不满足叠加原理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。 * 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。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。 * 1.4 控制系统的性能指标 基本要求 尽管每个控制系统可能都有不同的特殊要求，但对每一类系统被控量变化全过程提出的共同要求都是一样的，可以总结为三方面：稳定性、快速性、准确性，即稳，准，快三个要求。 理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的，因为什么呢？惯性！ 当一个控制系统的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。 实际的调节过程分为两个阶段: a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。） t 0 1 输入r(t) t 0 1 输出c(t) 1 2 理想的 调节过程 实际 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。 * 稳定性—控制系统运行的必要条件，不稳定的系统不能工作 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。 * 稳态误差—过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量 指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。 y(t) t 0 y(t) t 0 y(t) t 0 y(t) t 0 (a) (b) (c) (d) * 动态性能—系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好 当系统受到外部扰动的影响或者参考输入发生变化时，被控量会随之发生变化，经过一段时间，被控量恢复到原来的平衡状态或到达一个新的给定状态，称这一过程为过渡过程。 在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量?p ,上升时间Tr ，峰值时间Tp ,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等特征量表示。 超调量 上升时间Tr 峰值时间Tp 调整时间Ts 振荡次数u 稳定系统的典型单位阶跃响应曲线 典型外作用 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。 选取原则 （1）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。 （3）数学表达式简单，便于理论分析。 t r(t) R t r(t) Rt r(t) t 0 （1）阶跃函数 （2）斜坡函数（匀速函数） （3）抛物线函数（匀加速函数） R=1时，称为单位阶跃函数，记为l(t) 。R(S)=1/S。 R=1时，称为单位斜坡函数 R=1/2时，称为单位抛物线函数 ?t r(t) ? h 1/h t r(t) r(t) t （4）脉冲函数 （5）正弦函数 当 ，A=1时，则称为单位脉冲函数。 1.5 自动控制系统的研究方法 自动控制研究的三个基本问题： 建立数学模型 系统性能分析 控制器设计 分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型， 然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。 综合： 在已知被控对象和稳态性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。 本课程目标 　　 以简单的线性时不变系统为对象，学习控制系统的分析、设计与实现，切身体会实施控制的全过程，牢固建立反馈控制的理念，培养实施控制的能力。 若性能满足规范要求，则设计工作结束 建立控制目标 步骤1 确定控制变量 步骤2 给定各变量的控制要求（设计目标） 步骤3 确定系统结构选择执行机构