基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)電控制工程資料課件

21十二月20221機(jī)電控制工程17十二月20221機(jī)電控制工程21十二月20222教師資料姓名：張嶸辦公地點(diǎn)：五金庫(kù)2006聯(lián)系方法：71335E-mail：rongzh@17十二月20222教師資料21十二月2022317十二月2022321十二月20224課程內(nèi)容機(jī)電系統(tǒng)建模電機(jī)的原理與控制伺服系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃第1~8周

講課第9~14周 實(shí)驗(yàn)第15周 課程設(shè)計(jì)討論第16周 考試17十二月20224課程內(nèi)容21十二月20225考核要求項(xiàng)目比例備注作業(yè)15％布置后兩周內(nèi)交齊，過(guò)時(shí)無(wú)效實(shí)驗(yàn)30％實(shí)驗(yàn)完成后兩周內(nèi)交齊，過(guò)時(shí)無(wú)效大作業(yè)15％第16周交齊考試40％開卷17十二月20225考核要求項(xiàng)目比例備注作業(yè)15％布置后21十二月20226機(jī)電控制工程第一章基礎(chǔ)知識(shí)17十二月20226機(jī)電控制工程第一章基礎(chǔ)知識(shí)21十二月20227概述內(nèi)容術(shù)語(yǔ)定義典型機(jī)電控制系統(tǒng)（自學(xué)）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)控制器設(shè)計(jì)17十二月20227概述內(nèi)容21十二月20228術(shù)語(yǔ)系統(tǒng)定義任何存在因果關(guān)系的一組物理元件輸入：因輸出：果數(shù)學(xué)模型線性、定常、確定、集中參數(shù)、動(dòng)態(tài)常系數(shù)線性微分方程物理特性機(jī)電系統(tǒng)第一節(jié)術(shù)語(yǔ)定義17十二月20228術(shù)語(yǔ)第一節(jié)術(shù)語(yǔ)定義21十二月20229控制與控制系統(tǒng)控制按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的方法控制系統(tǒng)靠調(diào)節(jié)能量輸入的方法，使得某些物理量受到控制的一類系統(tǒng)17十二月20229控制與控制系統(tǒng)21十二月202210控制系統(tǒng)分類開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)17十二月202210控制系統(tǒng)分類21十二月202211控制系統(tǒng)分類串聯(lián)、串并聯(lián)17十二月202211控制系統(tǒng)分類21十二月202212控制系統(tǒng)分類復(fù)合控制系統(tǒng)前饋控制器引入輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)分量，加快系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度17十二月202212控制系統(tǒng)分類前饋控制器引入輸入信號(hào)21十二月202213控制系統(tǒng)分類模擬、數(shù)字控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)、跟蹤、伺服、過(guò)程控制系統(tǒng)17十二月202213控制系統(tǒng)分類21十二月202214第二節(jié)典型機(jī)電控制系統(tǒng)本節(jié)自學(xué)17十二月202214第二節(jié)典型機(jī)電控制系統(tǒng)本節(jié)自學(xué)21十二月202215第三節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述目的了解控制對(duì)象的特性進(jìn)行定量分析構(gòu)成物理定律和系統(tǒng)關(guān)系特點(diǎn)抽象近似形式傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程17十二月202215第三節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述21十二月202216輸入－輸出模型17十二月202216輸入－輸出模型21十二月202217狀態(tài)方程17十二月202217狀態(tài)方程21十二月202218傳遞函數(shù)17十二月202218傳遞函數(shù)21十二月202219傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程17十二月202219傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程21十二月202220傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程17十二月202220傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程21十二月202221狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)17十二月202221狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)21十二月202222方塊圖17十二月202222方塊圖21十二月202223理論推導(dǎo)列微分方程組線性化處理拉氏變換（代數(shù)方程組）畫方塊圖方塊圖簡(jiǎn)化，或消去代數(shù)方程組中間變量輸出輸入之比即傳遞函數(shù)17十二月202223理論推導(dǎo)21十二月202224實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率特性17十二月202224實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率特性21十二月202225第四節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)單位脈沖、單位階躍、單位斜坡輸入時(shí)間域描述瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方法：反拉氏變換，部分分式展開17十二月202225第四節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)21十二月202226頻率響應(yīng)正弦輸入頻率域描述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)復(fù)函數(shù)方法：極坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)17十二月202226頻率響應(yīng)21十二月202227第五節(jié)性能指標(biāo)穩(wěn)定性系統(tǒng)工作的必要條件，但不充分。穩(wěn)態(tài)誤差t→∞時(shí)的性能度量拉氏域s→0輸入輸出必須等價(jià)，需轉(zhuǎn)換為單位反饋系統(tǒng)。位置、速度、加速度誤差系數(shù)17十二月202227第五節(jié)性能指標(biāo)穩(wěn)定性21十二月202228相應(yīng)于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差不考慮干擾信號(hào)，考慮系統(tǒng)在輸入常值、斜坡、二次曲線信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差位置誤差系數(shù)速度誤差系數(shù)加速度誤差系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差17十二月202228相應(yīng)于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差不考慮干21十二月202229穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)類別單位階躍單位斜坡單位加速度0型I型II型開環(huán)低頻增益越高，

相應(yīng)于輸入信號(hào)的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差越小17十二月202229穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)類別單位階躍單位斜坡21十二月202230穩(wěn)態(tài)誤差干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差要減小干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差， ，即干擾輸入點(diǎn)之前的增益要大，甚至帶積分17十二月202230穩(wěn)態(tài)誤差干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差要減21十二月202231穩(wěn)態(tài)誤差減小系統(tǒng)誤差的途徑反饋通道的精度直接影響系統(tǒng)誤差，要避免在反饋通道引入干擾對(duì)于輸入引起的誤差，增大系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)型次對(duì)于干擾引起的誤差，在前向通道干擾點(diǎn)前增大放大倍數(shù)17十二月202231穩(wěn)態(tài)誤差減小系統(tǒng)誤差的途徑21十二月202232瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)域指標(biāo)階躍輸入調(diào)整時(shí)間ts超調(diào)量σ上升時(shí)間tr上升時(shí)間td17十二月202232瞬態(tài)響應(yīng)21十二月20223317十二月20223321十二月202234瞬態(tài)響應(yīng)頻域指標(biāo)正弦輸入帶寬BW振蕩度MP剪切頻率ωc相位裕量φM閉環(huán)開環(huán)17十二月202234瞬態(tài)響應(yīng)閉環(huán)開環(huán)21十二月20223517十二月20223521十二月20223617十二月20223621十二月20223717十二月20223721十二月202238第六節(jié)控制器設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)思路確定受控系統(tǒng)物理組成推導(dǎo)受控系統(tǒng)傳遞函數(shù)GP(s)分析受控系統(tǒng)特性與需求間的差距選擇適當(dāng)形式的控制器GC(s)補(bǔ)足受控系統(tǒng)的不足根據(jù)已知條件，列寫方程組，求解GC(s)中的未知數(shù)，或仿真確定參數(shù)17十二月202238第六節(jié)控制器設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)思路21十二月202239增益提高，相對(duì)誤差下降17十二月202239增益提高，相對(duì)誤差下降21十二月202240控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高的增益：準(zhǔn)確小的延遲：穩(wěn)定和快速17十二月202240控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求21十二月202241PID控制器比例：提供全頻帶的增益，可加寬系統(tǒng)頻帶，但降低穩(wěn)定性積分：提供低頻增益，對(duì)高頻影響小，但帶來(lái)相位滯后，降低穩(wěn)定性。微分：提供高頻增益（會(huì)放大噪聲），相位超前，可改善穩(wěn)定性和快速性。17十二月202241PID控制器積分控制器

引入積分校正使低頻增益↑，提高型次相位裕量↓剪切頻率？穩(wěn)態(tài)誤差↓穩(wěn)定性↓不利于提高引入積分控制的目的是 提高低頻增益和型次，降低穩(wěn)態(tài)誤差控制器設(shè)計(jì)積分控制器引入積分校正使穩(wěn)態(tài)誤差↓引入積分控制的目的是比例-積分(PI)控制器當(dāng)偏差大時(shí)，當(dāng)偏差小時(shí)，比例控制起主要作用；積分控制起主要作用。控制器設(shè)計(jì)比例-積分(PI)控制器當(dāng)偏差大時(shí)，比例控制起主

既可以降低穩(wěn)態(tài)誤差，又可以調(diào)整(↑↓)剪切頻率；對(duì)相位裕量的影響也可以比較小。當(dāng)控制器設(shè)計(jì) 既可以降低穩(wěn)態(tài)誤差，又可以調(diào)整(↑↓)剪切頻率；當(dāng)控制微分部分：控制量正比于偏差變化率當(dāng)偏差變化快時(shí)，當(dāng)偏差變化慢時(shí)，微分控制起主要作用；比例控制起主要作用。比例-微分(PD)控制器控制器設(shè)計(jì)微分部分：控制量正比于偏差變化率當(dāng)偏差變化快時(shí)，微分控制PD校正器的作用：(1)提供正的相位裕量 不穩(wěn)定→穩(wěn)定 超調(diào)量大→小(2)提高剪切頻率(快)PD校正器的缺點(diǎn)：控制量高頻噪聲大控制器設(shè)計(jì)PD校正器的作用：控制器設(shè)計(jì)比例微分積分誤差大誤差變化快誤差積分大快速接近期望值降低振蕩，“阻尼”

提高穩(wěn)態(tài)精度起作用的主要條件效果控制器設(shè)計(jì)比例誤差大快速接近期望值起作用的主要條件效果控制器PID控制器可以校正哪些系統(tǒng)？控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)PID控制器可以校正哪些系統(tǒng)？控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù)

閉環(huán)特征多項(xiàng)式控制器設(shè)計(jì)開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)特征多項(xiàng)式開環(huán)階次閉環(huán)階次可調(diào)極點(diǎn)個(gè)數(shù)1 2 22 3 33 4 3PID控制器可以對(duì)（開環(huán)）2階以下系統(tǒng)，任意配置極點(diǎn)對(duì)（開環(huán)）3階以上系統(tǒng)，配置3個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)——解決大部分線性SISO系統(tǒng)的控制問(wèn)題控制器設(shè)計(jì)開環(huán)階次閉環(huán)階次可調(diào)極點(diǎn)個(gè)數(shù)PID控制器可以控制21十二月202251超前－滯后控制器超前環(huán)節(jié)：改善相位特性，增加穩(wěn)定裕量。滯后：抑制中頻和高頻增益，同時(shí)較慣性環(huán)節(jié)帶來(lái)較小的相位滯后。17十二月202251超前－滯后控制器21十二月202252實(shí)例對(duì)象傳遞函數(shù)17十二月202252實(shí)例對(duì)象傳遞函數(shù)21十二月202253控制對(duì)象伯德圖17十二月202253控制對(duì)象伯德圖21十二月202254控制器17十二月202254控制器21十二月202255控制器伯德圖17十二月202255控制器伯德圖21十二月202256系統(tǒng)開環(huán)伯德圖17十二月202256系統(tǒng)開環(huán)伯德圖21十二月202257系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖17十二月202257系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖21十二月202258本節(jié)作業(yè)1.3、1.4、1.5、1.617十二月202258本節(jié)作業(yè)21十二月202259機(jī)電控制工程17十二月20221機(jī)電控制工程21十二月202260教師資料姓名：張嶸辦公地點(diǎn)：五金庫(kù)2006聯(lián)系方法：71335E-mail：rongzh@17十二月20222教師資料21十二月20226117十二月2022321十二月202262課程內(nèi)容機(jī)電系統(tǒng)建模電機(jī)的原理與控制伺服系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃第1~8周

講課第9~14周 實(shí)驗(yàn)第15周 課程設(shè)計(jì)討論第16周 考試17十二月20224課程內(nèi)容21十二月202263考核要求項(xiàng)目比例備注作業(yè)15％布置后兩周內(nèi)交齊，過(guò)時(shí)無(wú)效實(shí)驗(yàn)30％實(shí)驗(yàn)完成后兩周內(nèi)交齊，過(guò)時(shí)無(wú)效大作業(yè)15％第16周交齊考試40％開卷17十二月20225考核要求項(xiàng)目比例備注作業(yè)15％布置后21十二月202264機(jī)電控制工程第一章基礎(chǔ)知識(shí)17十二月20226機(jī)電控制工程第一章基礎(chǔ)知識(shí)21十二月202265概述內(nèi)容術(shù)語(yǔ)定義典型機(jī)電控制系統(tǒng)（自學(xué)）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)控制器設(shè)計(jì)17十二月20227概述內(nèi)容21十二月202266術(shù)語(yǔ)系統(tǒng)定義任何存在因果關(guān)系的一組物理元件輸入：因輸出：果數(shù)學(xué)模型線性、定常、確定、集中參數(shù)、動(dòng)態(tài)常系數(shù)線性微分方程物理特性機(jī)電系統(tǒng)第一節(jié)術(shù)語(yǔ)定義17十二月20228術(shù)語(yǔ)第一節(jié)術(shù)語(yǔ)定義21十二月202267控制與控制系統(tǒng)控制按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的方法控制系統(tǒng)靠調(diào)節(jié)能量輸入的方法，使得某些物理量受到控制的一類系統(tǒng)17十二月20229控制與控制系統(tǒng)21十二月202268控制系統(tǒng)分類開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)17十二月202210控制系統(tǒng)分類21十二月202269控制系統(tǒng)分類串聯(lián)、串并聯(lián)17十二月202211控制系統(tǒng)分類21十二月202270控制系統(tǒng)分類復(fù)合控制系統(tǒng)前饋控制器引入輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)分量，加快系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度17十二月202212控制系統(tǒng)分類前饋控制器引入輸入信號(hào)21十二月202271控制系統(tǒng)分類模擬、數(shù)字控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)、跟蹤、伺服、過(guò)程控制系統(tǒng)17十二月202213控制系統(tǒng)分類21十二月202272第二節(jié)典型機(jī)電控制系統(tǒng)本節(jié)自學(xué)17十二月202214第二節(jié)典型機(jī)電控制系統(tǒng)本節(jié)自學(xué)21十二月202273第三節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述目的了解控制對(duì)象的特性進(jìn)行定量分析構(gòu)成物理定律和系統(tǒng)關(guān)系特點(diǎn)抽象近似形式傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程17十二月202215第三節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型概述21十二月202274輸入－輸出模型17十二月202216輸入－輸出模型21十二月202275狀態(tài)方程17十二月202217狀態(tài)方程21十二月202276傳遞函數(shù)17十二月202218傳遞函數(shù)21十二月202277傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程17十二月202219傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程21十二月202278傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程17十二月202220傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程21十二月202279狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)17十二月202221狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)21十二月202280方塊圖17十二月202222方塊圖21十二月202281理論推導(dǎo)列微分方程組線性化處理拉氏變換（代數(shù)方程組）畫方塊圖方塊圖簡(jiǎn)化，或消去代數(shù)方程組中間變量輸出輸入之比即傳遞函數(shù)17十二月202223理論推導(dǎo)21十二月202282實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率特性17十二月202224實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率特性21十二月202283第四節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)單位脈沖、單位階躍、單位斜坡輸入時(shí)間域描述瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方法：反拉氏變換，部分分式展開17十二月202225第四節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)21十二月202284頻率響應(yīng)正弦輸入頻率域描述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)復(fù)函數(shù)方法：極坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)17十二月202226頻率響應(yīng)21十二月202285第五節(jié)性能指標(biāo)穩(wěn)定性系統(tǒng)工作的必要條件，但不充分。穩(wěn)態(tài)誤差t→∞時(shí)的性能度量拉氏域s→0輸入輸出必須等價(jià)，需轉(zhuǎn)換為單位反饋系統(tǒng)。位置、速度、加速度誤差系數(shù)17十二月202227第五節(jié)性能指標(biāo)穩(wěn)定性21十二月202286相應(yīng)于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差不考慮干擾信號(hào)，考慮系統(tǒng)在輸入常值、斜坡、二次曲線信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差位置誤差系數(shù)速度誤差系數(shù)加速度誤差系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差17十二月202228相應(yīng)于輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差不考慮干21十二月202287穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)類別單位階躍單位斜坡單位加速度0型I型II型開環(huán)低頻增益越高，

相應(yīng)于輸入信號(hào)的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差越小17十二月202229穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)類別單位階躍單位斜坡21十二月202288穩(wěn)態(tài)誤差干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差要減小干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差， ，即干擾輸入點(diǎn)之前的增益要大，甚至帶積分17十二月202230穩(wěn)態(tài)誤差干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差要減21十二月202289穩(wěn)態(tài)誤差減小系統(tǒng)誤差的途徑反饋通道的精度直接影響系統(tǒng)誤差，要避免在反饋通道引入干擾對(duì)于輸入引起的誤差，增大系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)型次對(duì)于干擾引起的誤差，在前向通道干擾點(diǎn)前增大放大倍數(shù)17十二月202231穩(wěn)態(tài)誤差減小系統(tǒng)誤差的途徑21十二月202290瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)域指標(biāo)階躍輸入調(diào)整時(shí)間ts超調(diào)量σ上升時(shí)間tr上升時(shí)間td17十二月202232瞬態(tài)響應(yīng)21十二月20229117十二月20223321十二月202292瞬態(tài)響應(yīng)頻域指標(biāo)正弦輸入帶寬BW振蕩度MP剪切頻率ωc相位裕量φM閉環(huán)開環(huán)17十二月202234瞬態(tài)響應(yīng)閉環(huán)開環(huán)21十二月20229317十二月20223521十二月20229417十二月20223621十二月20229517十二月20223721十二月202296第六節(jié)控制器設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)思路確定受控系統(tǒng)物理組成推導(dǎo)受控系統(tǒng)傳遞函數(shù)GP(s)分析受控系統(tǒng)特性與需求間的差距選擇適當(dāng)形式的控制器GC(s)補(bǔ)足受控系統(tǒng)的不足根據(jù)已知條件，列寫方程組，求解GC(s)中的未知數(shù)，或仿真確定參數(shù)17十二月202238第六節(jié)控制器設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)思路21十二月202297增益提高，相對(duì)誤差下降17十二月202239增益提高，相對(duì)誤差下降21十二月202298控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高的增益：準(zhǔn)確小的延遲：穩(wěn)定和快速17十二月202240控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求21十二月202299PID控制器比例：提供全頻帶的增益，可加寬系統(tǒng)頻帶，但降低穩(wěn)定性積分：提供低頻增益，對(duì)高頻影響小，但帶來(lái)相位滯后，降低穩(wěn)定性。微分：提供高頻增益（會(huì)放大噪聲），相位超前，可改善穩(wěn)定性和快速性。17十二月202241PID控制器積分控制器

引入積分校正使低頻增益↑，提高型次相位裕量↓剪切頻率？穩(wěn)態(tài)誤差↓穩(wěn)定性↓不利于提高引入積分控制的目的是 提高低頻增益和型次，降低穩(wěn)態(tài)誤差控制器設(shè)計(jì)積分控制器引入積分校正使穩(wěn)態(tài)誤差↓引入積分控制的目的是比例-積分(PI)控制器當(dāng)偏差大時(shí)，當(dāng)偏差小時(shí)，比例控制起主要作用；積分控制起主要作用?？刂破髟O(shè)計(jì)比例-積分(PI)控制器當(dāng)偏差大時(shí)，比例控制起主

既可以降低穩(wěn)態(tài)誤差，又可以調(diào)整(↑↓)剪切頻率；對(duì)相位裕量的影響也可以比較小。當(dāng)控制器設(shè)計(jì) 既可以降低穩(wěn)態(tài)誤差，又可以調(diào)整(↑↓)剪切頻率；當(dāng)控制微分部分：控制量正比于偏差變化率當(dāng)偏差變化快時(shí)，當(dāng)偏差變化慢時(shí)，微分控制起主要作用；比例控制起主要作用。比例-微分(PD)控制器控制器設(shè)計(jì)微分部分：控制量正比于偏差變化率當(dāng)偏差變化快時(shí)，微分控制PD校正器的作用：(1