机械工程控制课件

1、三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanic

2、al & Material Engineering系统：按一定规律联系在一起的元素的集合。广义系统：具备系统要素的一切事物或对象。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering实质是检测偏差再纠正偏差。实质是检测偏差再纠正偏差。123三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College

3、 of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材

4、料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engin

5、eering 依据系统及元件各变量之间所遵循的物理或化学规律列写出相应的数学关系式，建立模型。时间域：时间域：微分方程、差分方程、状态方程复数域：复数域：传递函数、结构图 频率域：频率域：频率特性 人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型进行逼近。这种方法也称为三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering( ),dyy tdt三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Mate

6、rial Engineering机械运动的实质： 牛顿定理、能量守恒定理阻尼 质量 弹簧 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering22( )( )( )( )d x tdx tmBkx tf tdtdt( )f t( )x t2122( )( )( )( )d x tmf tf tf tdt1( )f t2( )f t1( )( )dx tf tBdt2( )( )f tkx t！静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响。1 1）微分方程的系数取决于系统的结构参数）微分

7、方程的系数取决于系统的结构参数2 2）阶次等于独立储能元件的数量）阶次等于独立储能元件的数量三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering线性系统在多个输入的作用下，其总输出等于各个输入单独作用而产生的输出之和。 1212()()()()( )f xxf xf xfxf x能用微分方程描述的系统为线性系统，否则为非线性系统。 将一些非线性方程在一定的工作范围内用近似的线性方程来代替，使之成为线性定常微分方程三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾

8、College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineeringfkyycym kcsmssFsYsG21)()()(!传递函数的直接计算法iidtd)(is三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of

9、 Mechanical & Material EngineeringsseekkkkdjjvcllllbiisTsTsTssssKsG12211221) 12() 1() 12() 1()(三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering)()(tKxtxrc( )G sK)()()(tKxtxdttdxTrcc( )1KG sTs1. 1. 比例环节：比例环节：三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical &

10、 Material Engineering)()(tKxdttdxTrc( )KG ssdttdxKtxrc)()(KssXsXsGrc)()()(1)()()(TsKTssXsXsGrc三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering！脱离了物理系统的模型！脱离了物理系统的模型！脱离了物理系统的模型形象直观地描述系统中各

11、元件间的相互关系及其功能以及信号在系统的传递、变换过程。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 表示信号引出或测量的位置和传递方向。同一信号线上引出的信号，其性质、大小完全一样。 带有箭头的直线，箭头表示信号的传递方向， 直线旁标记信号的时间函数或象函数。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering! 注意量纲!求和点可以有多个输入，但输出是唯一的三峡大学

12、机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 运算规则 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 运算规则 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 运算规则 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾Colleg

13、e of Mechanical & Material Engineering12121322123233111G (s)G (s)+1G (s)G (s)+1G (s)G (s)+G (s)11+G (s)G (s(C(s)R)H (s)(s)()H+G (s)H (s)(s)Hs三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Enginee

14、ring三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering1.强烈振荡过程2.振荡过程3.单调过程4.微振荡过程 系统在某一输入信号作下，其输出量从初始状态到进入稳定状态前的响应过程。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering1. 1. 一阶系统的单位阶跃响应：一阶系统的单位阶跃响应：ssR1)(11111)(TsTssTssCtTetc11)(时间增长，无稳态误差

15、性质： 1）T 暂态分量 瞬态响应时间 极点距离虚轴 2）T 暂态分量 瞬态响应时间 极点距离虚轴 (t0)三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering2. 2. 一阶系统的单位斜坡响应：一阶系统的单位斜坡响应：tTTeTttc1)(21)(ssRTsTsTssTssC11111)(22(t0)性质：性质：1）经过足够长的时间(4T)，输出 增长速率近似与输入相同；2）输出相对于输入滞后时间T；3）稳态误差=T三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知

16、识回顾College of Mechanical & Material Engineering3. 3. 一阶系统的单位脉冲响应：一阶系统的单位脉冲响应：tTeTtc11)(TsTTssC11111)(t0)1)(sR三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering0222nnss1221nn、P2211nn、jPn、P211221nn、Pn、jP21 欠阻尼：欠阻尼：0 1 无阻尼：无阻尼：=0三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾Colleg

17、e of Mechanical & Material Engineering 0 时，阶跃响应发散，系统不稳定； = 0时，出现等幅振荡01时，分贝数为正；K 0，因此，劳斯稳定判据可以简述为劳斯阵列表中第一列的各数均大于零。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 3213214oiX (s)K(s)X (s)ss( K)sK 3232104D(s)ss(K)sK 4 120310(K )KK12K 性质：第一列符号改变次数= 系统特征方程含有正实部根的个数。控制系统稳定

18、的充要条件：Routh阵列第一列元素不改变符号。 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering02s3s3ss) s (D234各项系数均为正数2s023s2)(0s031s231s01234 特殊情况1：第一列出现0解决方法：用任意小正数代之。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 特殊情况2：某一行元素均为006655)(2345ssssssD6s5/

19、2s62/5s010040s651s651s012345解决方法：全0行的上一行元素构成辅助方程，求导后方程系数构成一个辅助方程。各项系数均为正数求导得:06s5s24010413ss例如：2js2, 13js4, 31s5三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering劳斯阵列出现全零行:系统在系统在s平面有对称分布的根平面有对称分布的根三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material En

20、gineering0asa.sasa) s (Dn1n1n1n0系统的n阶赫乐维茨行列式n2n1n31420531naa0000a0aa00aaa0aaa123n取各阶主子行列式作为1阶（n-1）阶赫尔维兹行列式赫尔维茨行列式赫尔维茨行列式三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering011a0asa) s (D10a00时n2n1n31420531naa0000a0aa00aaa0aaa123n0a11a00时0aaaa0a2120120a .sasa) s (D21120a0

21、0时, a10, a20 a00时, a10三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering0asa .sasa) s (D322130a00时, a10, a20, a30a00时 a1a2 a0 a30a110aaaaaaaa3021203120aaa00aa0aa223120313n2n1n31420531naa0000a0aa00aaa0aaa123n三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & M

22、aterial Engineering0asa.sasa) s (Dn1n1n1n0a10a10, a20a10, a20, a30a1a2 a0 a3a10, a20, a30 , a40421230321aaaaaaa三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineeringa10, a20, a30 , a40421230321aaaaaaaK)2s)(1ss ( sK) s (R) s (C20Ks2s3s3s) s (D2340K 22213K3320K914K值的稳定范围各项系数

23、均为正数a00时,三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material EngineeringD(s)可视为复平面上的向量。特征方程：D(s) = s + p 0 当变化时， D(j)的端点沿虚轴滑动，其相角相应发生变化。在频域：D(j) = p + j若特征根为负实根，系统稳定若特征根为正实根，系统不稳定2)(jD2)(jD三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering特征方程：D(s) =

24、s2 +2ns+ n2 (s+p1)(s+p2)= 0(1)实根情形( 1)当由0时：022)(jD22)( jD三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering根位于右半s平面(2)共轭虚根情形(00 的所有频率范围内，对数相频特性曲线()( 含辅助线 )与-180线的正负穿越次数之差等于m/2时，系统闭环稳定，否则，闭环不稳定。 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engin

25、eering开环特征方程有两个右根，m=2正负穿越数之和-1闭环不稳定。开环特征方程有两个右根，m=2正负穿越数之和+1闭环稳定。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering特征方程最近虚轴的根和虚轴的距离 稳定性裕量可以定量地确定系统离开稳定边界的远近，是评价系统稳定性好坏的性能指标，是系统动态设计的重要依据之一。注意：虚轴是系统的临界稳定边界三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Materi

26、al Engineeringg:在增益交界频率c上系统达到稳定边界所需要的附加滞后量相位裕量。Kg :在增益交界频率 g上,频率特性幅值|G(j)H(j)|的倒数幅值裕量（增益裕度）。gc| )j (H)j (G|lg20Klg20)dB(Kgggg| )()(|1gggjHjGK1| )j (H)j (G|cc)(180)180()(ccg180)(g三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material EngineeringG(j)H (j)轨迹:(1)不包围(-1,j0)点；(2)先穿过单位圆，后穿 过

27、负实轴。gc)j (H)j (Gcc)j (c1| )j (H)j (G|gg0)(Lg三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering6030 g：2K ()6gKdBdB增益裕量相位裕量伺服机构：10-20分贝 40度以上过程控制：3-10分贝20度以上系统响应速度增益裕量相位裕量闭环系统稳定性三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering)5s)(1s (K)

28、s (G三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering：受被控对象的功率要求和所需能源形式、工作 条件限制。伺服电动机、液压/气动伺服马达等；：依赖于被控制量的形式。电位器、热电偶、测 速发电机以及各类传感器等；：取决于输入信号和反馈信号的形式 电位计、旋转变压器、机械式差动装置等等；：由所要求的控制精度和驱动执行元件

29、的要求进 行配置，有些情形下甚至需要几个放大器。电压放大器（或电流放大器）、功率放大器等等，放大元件的增益通常 要求可调。各类控制元件：系统的性能指标、成本、尺寸、质量、环境适应性、易维护性三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering控制系统不可变部分执行机构功率放大器检测装置可变部分放大器、校正装置迫使系统满足给定的性能(设计系统)?三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material En

30、gineering调整增益相角裕量g增加稳态误差增加!大多数情况下，只调整增益不能使系统的性能得到充分地改变，以满足给定的性能指标。L()()00180g1g=0G(s)G(s)/Kc1c三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 根据被控对象及其控制要求，选择适当的控制器及控制规律设计一个满足给定性能指标的控制系统。校正(补偿)：通过改变系统结构，或在系统中增加附加装置或元件对已有的系统（固有部分）进行再设计使之满足性能要求。！控制系统的设计本质上是寻找合适的校正装置(校正

31、装置)三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering：在系统中增加新的环节，以改善系统性能校正方式取决于 系统中信号的性质；技术方便程度；可供选择的元 件；其它性能要求（抗干扰性、环境适应性等）； 经济性串联校正 设计较简单，容易对信号进行各种必要的变 换，但需注意负载效应的影响。反馈校正 可消除系统原有部分参数对系统

32、性能的影响， 元件数也往往较少。同时采用串、并联校正 性能指标要求较高的系统。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 根据性能指标要求确定系统期望的特性，与原有特性进行比较，从而确定校正方式、校正装置的形式及参数。直观、设计的校正装置物理上易于实现。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering频率特性图可以清楚表明系统改变性能指标的方向。频域设计通常通过B

33、ode图进行处理起来十分简单。 （当采用串联校正时，使得校正后系统的Bode图即 为原有系统Bode图和校正装置的Bode图直接相加）对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图。在涉及到高频噪声时，频域法设计比其他方法更为方便。！分析法或者综合法都可应用根轨迹法 和频率响应法实现。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering低频段 (第一个转折频率1之前的频段) 稳态性能中频段 (1 10c) 动态性能高频段 (10c

34、以后的频段) 抗干扰三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material Engineering 根据设计指标而确定的满足系统品质要求的开环对数幅频特性曲线。确定低、中、高三频段；将低、中频部分和中、高频部分连接起来，使Lds()的 连接线与系统固有的对数幅频特性 Ls() 斜率相接近；性能验算。三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material EngineeringPD控制P控制pcKsG)(sTsTKsGdipc1)

35、(PID控制PI控制sTKsGipc1)(比例P Kp比例系数微分D Td微分时常数积分I Ti积分时常数！以串联校正为主sTKsGdpc)( 适用于数学模型已知及大多数数学模型难以确 定的控制系统或过程。 PID 控制参数整定方便，结构灵活 数字PID 控制三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院第八章第八章 知识回顾知识回顾College of Mechanical & Material EngineeringKp1开环增益加大，稳态误差减小；幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；系统稳定程度变差。原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制。对系统性能的影响正好相反。！比例控制器实质是一种增益