曾孟雄机械控制基础课件.ppt

机械工程控制基础 江南大学 机械学院 张超锋 MbE-Mail：zcf830703@163.com 第一章 绪论 第一节 自动控制理论的应用 第二节 控制系统的分类 第三节 控制系统的基本组成 第四节 控制系统的基本要求 第五节 控制系统的反展 第一节 自动控制理论的应用 航空航天 军事 交通系统 钢铁生产 制造系统及机器人 家用电器 第二节 控制系统的分类 按输入量的特征分类 恒值控制系统，随动系统和程序控制系统 按反馈分类 开环控制，闭环控制和复合控制 按系统中传递信号的性质分 连续控制和离散控制系统 按系统的数学描述 线性控制系统和非线性控制系统 按输入输出信号的数量 单变量（经典控制）和多变量系统（现代控制） 按系统闭环回路的数目 单回路和多回路控制系统 第三节 控制系统的基本组成 给定环节 被控对象 测量环节 比较环节 放大环节 干扰信号 执行环节 校正环节 控制系统职能框图 控制系统传递函数框图 第四节 控制系统的基本要求 稳定性：稳 瞬态响应：快 稳态响应：准 因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的要求有所侧重。如：恒值系统---对稳（平衡）要求严格。而对随动系统---快、准要求高。 同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平稳性，过渡过程又很迟缓。 (a) (b) (c) (e) (d) (f) (a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。 第五节 控制系统的发展 （1）工业化促使自动控制装置产生 最早工业应用的自动装置：1769年Watt发明的飞球式蒸汽机调速器。一种凭借直觉的实证性发明。 （2） 最早的稳定性研究 J.C.Maxwell，1868年发表《论调节器》，研究调节器的微分方程，线性化处理（第二章内容），系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。 （3） 系统稳定判据 基于时域分析法，由Hurwitz（1895年）和 E.J.Routh（1884年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据 。（第三章内容） 基于频域分析法，由 H.Nyquist（1932年）提出奈氏判据，Bode(1927年）提出了对数频率特性的方法。 （第四章内容） （4） 50年代末期所讨论的内容主要有：系统数学模型的建立、时域分析祛、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正（第五章内容） 、非线性系统和采样控制系统分析法等，也被称为经典控制理论。 本章小结 自动控制理论的内容 控制系统的分析 典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) 数学模型 (传递函数,状态方程) 性能指标 (稳态误差,超调量) 控制系统的设计 性能要求 (性能指标,约束条件) 控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验) 习题1.7 1.8 第二章 控制系统的数学模型 什么叫系统的数学模型以及怎样建模？ 为什么要用微分方程来描述元件或子系统特性？ 为什么要对微分方程进行Laplace变换？ 怎样建立整个系统的数学模型？ 前言 数学模型的探讨 基于机理分析的数学模型 数学模型：就是描述系统输入/输出变量之间，以及内部各变量之间相互关系的数学表达式。 建模方法：由决定系统特性的物理学定律写成。 机械系统 牛顿定律，胡克定律 液压系统 流体力学 电网络和电动机 欧姆定律和克希霍夫定律 热力学和能量守恒 数学模型就是和这些物理学定律打交道。 牛顿第一定律： 胡 克 定 律： 流体力学： 欧姆定律： 克希霍夫定律： 热力学： 能量守恒 牛顿第二定律： 惯性 牛顿第三定律： 作用力与反作用力 阻尼力： 线性、齐次、可加 基于实验的数学模型 黑匣子 人为设定 仪器检测 未知系统 实验设计--选择实验条件 模型阶次--适合于应用的适当的阶次 已知知识和辨识目的 参数估计--最小二乘法 模型验证—将实际输出与模型的计算输出进行比较，系统模型需保证两个输出之间在选定意义上的接近 系统数学模型建立过程 微分方程 优点： 1.能将不同的物理量之间的关系统一成一个物理量的函数方程。 2.能描述系统的动态性能。 （随时间变化的规律，时域） 子系统传