英才学院机械工程控制基础教案.docx

《英才学院机械工程控制基础教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《英才学院机械工程控制基础教案.docx（88页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、Chp. 1绪论基本要求(1) 了解机械工程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务； 掌握广义 系统动力学方程的含义。(2) 了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模 型之间的关系。(3)掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存 在的反馈。(4) 了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制 控制系统的方框图。(5) 了解控制系统中基本名词和基本变量。(6) 了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。(7) 了解对控制系统的基本要求。重点与难点本章重点(1)学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动

2、态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。(2)掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框 图。本章难点广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。一、课程简介性质：机械设计制造及其自动化专业的一门技术基础课。学时：60先修课程：高等数学、理论力学、机械原理、大学物理、电工学后续课程：为专业基础和专业课打下一定基础。如I：机械工程测试技术、机电传动控制、 数控机床等。主要内容：本课程是数理基础课与专业课程之间的桥梁。主要内容包括：控制理论的研 究对象与任务、物理系统数学模型建立、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性、系 统的性能分析与校正、系统辩识、控制系统的计

3、算机辅助分析.教材：杨叔子主编，机械工程控制基础，华中科技大学出版社参考书目：(1) KatSUhikOogata.卢伯英等译，现代控制工程(第四版).北京：电子工业出版社， 2003(2)李友善主编：自动控制原理，国防工业出版社，2003教材结构：(1)对研究对象(机械工程)问题建立数学模型chp.2(2)在一定输入下分析系统的输出：时间响应(时域分析)chp.3频率响应(频率分析)chp.4(3)系统性能分析：稳定性判据chp.5(4)系统校正：使系统全面满足性能指标要求chp.6二、对象与任务控制论+工程技术-工程控制论控制论+机械工程一机械工程控制研究对象：研究广义系统在一定外界条件下

4、，从系统初始条件出发的整个动态过程，以 及在这个历程中和历程结束后所表现出来的动态特性和静态特性。分析：(1)广义系统：(a)可大可小，可繁可简，可虚可实。(b) 一般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响应函数等(c)系统具有固有特性，由结构和参数决定(2)外界条件：指对系统的输入(激励)包括认为激励、控制输入、干扰输入等分析系统，就是分析x(t)、h(t). y(t)三者关系(动态历程)三、反馈控制论的中心思想就是“反馈控制”1、定义：将系统输出全部或部分返回到输入端。2、从微分方程中体现反馈3、实例：蒸汽机离心调速器4、说明：(1)人为增加，(2)外反馈与内反馈(3)正反馈与负反馈(

5、4)都引起信息传输与交换四、系统分类1、按反馈分：开环系统：无反馈回路。无反向信息交换，不能进行输出校正(精度低)例:Fig 1.31数控机床进给系统闭环系统：通过反馈环节调节输入，获得高精度输出。例：Fig 1.32附加检测(反馈)装置2、按输出变化：自动调节系统(恒值系统)：在外界干扰下，系统输出基本保持为常量(给定量为恒 值)。随动系统：输出相应于输入按任意规律变化(给定量为变量)。程序控制系统：系统输出按预定程序变化。五、控制系统基本组成环节系统中的环节：1、 控制环节(给定环节)：产生控制信号，可各种形式。2、测量环节：测量被控参量，起反馈作用，一般为非电量电测。3、比较环节：比较输

6、入和反馈量，产生偏差信号。 =Xi-Xb （同一种量）4、 放大环节：用以推动执行元件工作。5、 校正元件：改善系统性能的调节元件。6、 执行元件：对被控对象直接操作。系统中的量：1、 输出量（被控量、被控参量）x0:最终控制的目标值。2、 控制量（给定量）xi:根据设计要求与输出量相适应的预先给定信号。3、 干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。4、 输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。5、反馈量：由输出端引回到输入端的量。6、偏差量：控制量与反馈量之差。7、 误差量：实际输出量与希望输出量之差值。e（t）=x0（t）-x0*

7、（t）六、基本要求“稳、快、准”1、稳定性：系统x（t）对给定目标值XJ的偏离，应随t增长逐渐趋近于零。绝对为零不可能T给出一定的稳定裕度若系统不稳定，X。波动较大或发散，则不能正常工作。不同受控对象对系统稳定性要求不同。2、快速性：指XO达到给定目标值的快速性两种指标衡量： 瞬态响应时间ts（过渡过程时间，调整时间）即：I MO-XO（8）I xj） 的时间tNts 为可靠度指标。一般取0.02或0.05 超调量Mp:欠阻尼下一般有振荡衰减，产生MpMP较小，则过渡过程平稳，MP过大，则系统过渡过程较长。 无振荡则无Mp,但较大ts3、准确性（稳态精度）：过渡过程结束后，x与给定输入量的偏差

8、。Chp. 3时间响应分析基本要求(1) 了解系统时间响应的组成；初步掌握系统特征根的实部和虚部对系统自由响应项的 影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系。(2 ) 了解控制系统时间响应分析中的常用的典型输入信号及其特点。(3)掌握一阶系统的定义和基本参数，能够求解一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响 应及单位斜坡响应；掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义。掌握线性系统中，存在 微分关系的输入，其输出也存在微分关系的基本结论。(4)掌握二阶系统的定义和基本参数；掌握二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应 曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；掌握二阶系统性能指标的定义

9、 及其与系统特征参数之间的关系。(5) 了解主导极点的定义及作用；(6)掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求 法；能够分析系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。(7) 了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。重点与难点重点(1)系统稳定性与特征根实部的关系。(2) 一阶系统的定义和基本参数，一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡 响应曲线的基本形状及意义。(3)二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的 基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统 特征参数之间的关

10、系。(4)系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法；系统的输 入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。难点(1)二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻 尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。(2)系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。建立数学模型后进一步分析、计算和研究控制系统所具有的各种性能。时域分析法利用L变换对系统数学模型求解，可以导出各种时域性能指标。1时间响应及组成1、 响应：古典控制理论中响应即输出，一般都能测量观察到；现代控制理论中，状 态变量不一定都能观察到。能直接观

11、察到的响应叫输出。2、时间响应：系统在输入信号作用下，其输出随时间变化的规律。 若系统稳定，时间响应由瞬态响应和稳态响应组成。3、 瞬态响应：系统在达到稳态响应前的时间响应。4、 稳态响应：当t8时的时间响应。实际给出一个稳态误差, x(t)-() I ()5、过渡过程：在X (t)作用下，系统从初态到达新状态之间出现一个过渡过程。 原因：系统中总有一些储能元件，使输出量不能立即跟随其输入量的变化。 过渡过程中系统动态性能充分体现：快速性：响应是否快速；平稳性：是否有振荡，振荡程度是否剧烈；稳定性：系统最后是否稳定下来。6、 时间响应的数学概念：从数学观点上理解时间响应。线性定常系统一非齐次常

12、系数线性微分方程，其全解二通解+特解通解：对应齐次方程，由系统初始条件引起(零输入响应，自由响应) 特解：由输入信号引起，包括瞬态和稳态响应。例：质量-弹簧单自由度系统动力学方程：myf, (t)+ky(t) =Fcos t全解：y(t)=y (t)+y. (t)(通解+特解)=Asin1,t+Bs t+Ycos t求出A、B、Y,得:张迫响应v(C)F 1P y( 二“ *n*j 4- jr(0)M*kr 一 4 p-pco + 4,一 *con,w零输入响应零状态响应2典型输入信号系统动态性能通过时间响应表现。时间响应不仅取决于系统本身特性，还与输入信号的 形式有关。系统输入信号大多具有随

13、机性质。但从考察系统性能出发，总可以选取一些具有特殊性 质的典型输入信号来替代它们。选取原则：应能使系统充分显露出各种动态性能；能反映系统工作的大部分实际情况； 能反映在最不利输入下系统的工作能力；应是简单函数，便于用数学公式表达、分析和处理。典型输入信号：脉冲信号：理想单位脉冲函数6L(t)=l模拟：碰撞、敲打、冲击等阶跃信号：单位阶跃信号Mt): R=I时，Ll(t)=ls模拟：指令、电压、负荷等的突然转换。 横速信号(斜坡函数)：单位横速信号v(t)： R=I时，Lv(t)=ls2模拟：速度信号恒加速信号：单位横加速信号a：R=I时,La(t)=ls, 模拟：系统输入一个随时间而逐渐增加

14、的信号。正弦信号：Xi(t)=Asin tea a模拟：系统受周期信号作用。本章讨论6和U的时间响应。3 一阶系统定义：可用一阶微分方程描述的系统。传递函数：f, 7+1特征参数：T一、单位脉冲响应：输入:Xi (t)= (t) Xi(S)=I响应：W(S)=X0(S)=G(S)单位脉冲响应: 讨论：只有瞬态项，稳态响应为0;单调下降指数曲线；过渡过程时间Ts:对A=2% Ts=4T惯性环节：一阶系统惯性较大；脉冲信号要求：脉冲宽度 0.1时间常数To二、单位阶跃响应：输入：Xi (t)= l(t) Xi(s)=ls一 _响应：X0(S)= G(S)Xi (s)= 7 4-1 e xiw=rlxl= r1-1-11=1-单位脉冲响应：7i + l S讨论：瞬态项：一 N ,稳态项：0；单调上升指数曲线；过渡过程时间Ts:对A =2% Ts=4T 两种方法求T ： xo(t)=0.632时，t=T原点斜率，竽U=TIf 8时，Mo=I,输入与输出一致;Mw-T a f，求出jt),再方便求出W(t) 4二阶系统定义：可用二阶微分方程描述的系统。0(f)-&r传递函数： + 2p.J+特征参数：系统固有频率3一系统阻尼比0特征方程：s+2 r5+ l0特征根： 一士-1一、单位脉冲响应： 输入：Xi(t