《機(jī)電控制理論及應(yīng)用》教案

《機(jī)電控制理論及應(yīng)用》教案概論（2課時(shí)）一、控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展1.控制論的定義二、控制理論的一些基本概念1.習(xí)題、控制系統(tǒng)2.開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)：各環(huán)節(jié)間的信號(hào)只有前向前向通道而沒有反饋通道，這種系統(tǒng)被稱為開環(huán)控制系統(tǒng)例1.直流電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)3.閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)控制過程是雙向進(jìn)行的，信號(hào)變量既有前向通道又有反饋通道，它們形成一個(gè)閉環(huán)，這種系統(tǒng)被稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。例2.直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)4.固有反饋5.平衡與穩(wěn)定三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：穩(wěn)定，臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定。三、控制系統(tǒng)的分類1.按信息傳遞特征：（1）開環(huán)系統(tǒng)（2）閉環(huán)系統(tǒng)（3）復(fù)合環(huán)系統(tǒng)2.按輸出變化規(guī)律：（1）恒值控制系統(tǒng)（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)3．按元件的輸入輸出的特性：（1）線性系統(tǒng)（2）非線性系統(tǒng)4.按系統(tǒng)參數(shù)及變量性質(zhì)：（1）連續(xù)與離散系統(tǒng)（2）確定性與不確定性系統(tǒng)（3）定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)（4）單變量與多變量系統(tǒng)四、控制理論要解決的工程問題1、控制理論方法的重要特征2、步驟和主要內(nèi)容：1.定義系統(tǒng)；2.建立數(shù)學(xué)模型；3.求解各種問題；4.實(shí)踐驗(yàn)證五、應(yīng)用實(shí)例實(shí)例1.關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人（課本P17）實(shí)例2.汽車發(fā)電機(jī)電噴系統(tǒng)（課本P17）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（6課時(shí)）微分方程微分方程可以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程系統(tǒng)微分方程的建立例1．試建立所示各系統(tǒng)的微分方程。其中外力，位移為輸入量；位移為輸出量；（彈性系數(shù)），（阻尼系數(shù)）和（質(zhì)量）均為常數(shù)。解（a）以平衡狀態(tài)為基點(diǎn)，對(duì)質(zhì)塊進(jìn)行受力分析（不再考慮重力影響），如圖解2-1(a)所示。根據(jù)牛頓定理可寫出整理得（b）如圖解2-1(b)所示，取A,B兩點(diǎn)分別進(jìn)行受力分析。對(duì)A點(diǎn)有（1）對(duì)B點(diǎn)有（2）聯(lián)立式（1）、（2）可得：用解析法建立系統(tǒng)微分方程的一般步驟：1.分析系統(tǒng)及各元件的工作原理，選定系統(tǒng)及各元件的輸入和輸出；2.從系統(tǒng)輸入端開始，依據(jù)各元件所遵循的物理規(guī)律，列出它們輸入輸出的動(dòng)力學(xué)方程。3.消去系統(tǒng)輸入和輸出以外的全部中間變量，得出僅包含系統(tǒng)輸入和輸出及其各階導(dǎo)數(shù)的系統(tǒng)微分方程。二、傳遞函數(shù)1.傳遞函數(shù)的定義：?jiǎn)屋斎搿屋敵鼍€性定常系統(tǒng)，在零初始條件下，系統(tǒng)輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比，成為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。拉氏變換的幾個(gè)重要定理（1）線性性質(zhì)：（2）微分定理：例2：求解：（3）積分定理：零初始條件下有：例3：求L[t]=?解：例4：求解：（4）位移定理實(shí)位移定理：例5：解：虛位移定理： （證略）例6：求（5）終值定理（極限確實(shí)存在時(shí)） 例7： 求例8： 求解：例9： 解1：（） 解2： 例10. 求解：穩(wěn)定性與能控能觀性（2課時(shí)）關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性1.大范圍穩(wěn)定與小偏差穩(wěn)定2.輸出穩(wěn)定與狀態(tài)穩(wěn)定3.系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件二、代數(shù)判據(jù)1.勞斯判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：勞斯表第一列各系數(shù)的符號(hào)相同且不為零。謝聶判據(jù)三、頻域判據(jù)1.奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)（1）開環(huán)極點(diǎn)與閉環(huán)極點(diǎn)間的關(guān)系（2）幅角原理（3）Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的敘述2.Nyquist判據(jù)的應(yīng)用（1）最小相位系統(tǒng)（P=0）的穩(wěn)定性（2）條件穩(wěn)定系統(tǒng)（3）Nyquist判據(jù)的等價(jià)敘述3.Bode判據(jù)4.非最小相位系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)性能分析（4課時(shí)）性能指標(biāo)1.穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)只有一個(gè)——穩(wěn)態(tài)誤差。2.瞬態(tài)性能指標(biāo)：（1）時(shí)域瞬態(tài)指標(biāo)（2）頻域瞬態(tài)指標(biāo)3.積分性能指標(biāo)二、穩(wěn)態(tài)誤差1.輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差2.擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)偏差及誤差：（1）一般表達(dá)式（2）擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差esN與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系3.輸入和擾動(dòng)共同作用下的穩(wěn)態(tài)誤差4.改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的途徑三、一階系統(tǒng)1.時(shí)域響應(yīng)性能2.頻域響應(yīng)性能3.性能指標(biāo)4.改善一階系統(tǒng)性能的途徑四、二階性能1.時(shí)域響應(yīng)性能：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)，單位脈沖響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)。2．時(shí)域性能指標(biāo)：上升時(shí)間，峰值時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差。3.頻域響應(yīng)及性能指標(biāo)：開環(huán)頻率響應(yīng)，閉環(huán)頻率響應(yīng)。4.時(shí)域指標(biāo)與頻域指標(biāo)的關(guān)系。5.改善二階系統(tǒng)性能的途徑：1）調(diào)整開環(huán)增益K，2)速度負(fù)反饋，3）串聯(lián)PD校正。五、高階系統(tǒng)1.時(shí)間響應(yīng)性能2.頻率響應(yīng)性能：開環(huán)頻率響應(yīng)和閉環(huán)頻率響應(yīng)。例1、已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試分別求出當(dāng)輸入信號(hào)和時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[]。解：由靜態(tài)誤差系數(shù)法時(shí)，時(shí)，時(shí)，例2、若系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)試求系統(tǒng)頻率特性。解則頻率特性為例3、單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為求系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K和T的取值范圍解：系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為：系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：即例4、某垂直起降飛機(jī)的高度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，試確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的值范圍。解由結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：Routh：S5142KS414KKS3KS2KSS0K