基础知识机电控制工程高钟毓讲稿.ppt

基础知识机电控制工程高钟毓2022/10/21第一页，讲稿共五十五页哦n n教师资料姓名：张嵘办公地点：五金库2006联系方法：71335E-mail：2022/10/22第二页，讲稿共五十五页哦2022/10/23第三页，讲稿共五十五页哦n n课程内容机电系统建模电机的原理与控制伺服系统分析实验n n教学计划第18周讲课 第914周实验 第15周课程设计讨论 第16周考试 2022/10/24第四页，讲稿共五十五页哦n n考核要求项目比例备注作业15布置后两周内交齐，布置后两周内交齐，过时无效过时无效实验30实验完成后两周内交实验完成后两周内交齐，过时无效齐，过时无效大作业15第第1616周交齐周交齐考试40开卷开卷2022/10/25第五页，讲稿共五十五页哦机电控制工程第一章 基础知识2022/10/26第六页，讲稿共五十五页哦概述n n内容术语定义典型机电控制系统（自学）系统数学模型系统响应性能指标控制器设计2022/10/27第七页，讲稿共五十五页哦n n术语系统 定义定义n n任何存在因果关系的一组物理元件任何存在因果关系的一组物理元件n n输入：因输入：因n n输出：果输出：果 数学模型数学模型n n线性、定常、确定、集中参数、动态线性、定常、确定、集中参数、动态n n常系数线性微分方程常系数线性微分方程 物理特性物理特性n n机电系统机电系统第一节 术语定义2022/10/28第八页，讲稿共五十五页哦n n控制与控制系统控制 按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法法控制系统 靠调节能量输入的方法，使得某些物理量受到控靠调节能量输入的方法，使得某些物理量受到控制的一类系统制的一类系统2022/10/29第九页，讲稿共五十五页哦n n控制系统分类开环、闭环控制系统2022/10/210第十页，讲稿共五十五页哦n n控制系统分类串联、串并联2022/10/211第十一页，讲稿共五十五页哦n n控制系统分类复合控制系统前馈控制器引入输入信号的导数分量，前馈控制器引入输入信号的导数分量，加快系统对输入信号的响应速度加快系统对输入信号的响应速度加快系统对输入信号的响应速度加快系统对输入信号的响应速度 2022/10/212第十二页，讲稿共五十五页哦n n控制系统分类模拟、数字控制系统调节、跟踪、伺服、过程控制系统2022/10/213第十三页，讲稿共五十五页哦第二节 典型机电控制系统n n本节自学2022/10/214第十四页，讲稿共五十五页哦第三节 系统数学模型n n概述目的 了解控制对象的特性了解控制对象的特性 进行定量分析进行定量分析构成 物理定律和系统关系物理定律和系统关系特点 抽象近似抽象近似形式 传递函数、状态方程传递函数、状态方程2022/10/215第十五页，讲稿共五十五页哦n n输入输出模型2022/10/216第十六页，讲稿共五十五页哦n n状态方程2022/10/217第十七页，讲稿共五十五页哦n n传递函数2022/10/218第十八页，讲稿共五十五页哦n n传递函数转换为状态方程2022/10/219第十九页，讲稿共五十五页哦n n传递函数转换为状态方程2022/10/220第二十页，讲稿共五十五页哦n n状态方程转换为传递函数2022/10/221第二十一页，讲稿共五十五页哦n n方块图2022/10/222第二十二页，讲稿共五十五页哦n n理论推导列微分方程组线性化处理拉氏变换（代数方程组）画方块图方块图简化，或消去代数方程组中间变量输出输入之比即传递函数2022/10/223第二十三页，讲稿共五十五页哦n n实验测得频率特性2022/10/224第二十四页，讲稿共五十五页哦第四节 系统响应n n时间响应单位脉冲、单位阶跃、单位斜坡输入时间域描述瞬态响应、稳态响应方法：反拉氏变换，部分分式展开2022/10/225第二十五页，讲稿共五十五页哦n n频率响应 正弦输入正弦输入 频率域描述频率域描述 稳态响应稳态响应 复函数复函数 方法：极坐标、对数坐标方法：极坐标、对数坐标2022/10/226第二十六页，讲稿共五十五页哦第五节 性能指标n n稳定性 系统工作的系统工作的必要条件，但不充分。，但不充分。n n稳态误差t t时的性能度量时的性能度量拉氏域s 0输入输出必须等价，需转换为单位反馈系统。输入输出必须等价，需转换为单位反馈系统。位置、速度、加速度误差系数位置、速度、加速度误差系数2022/10/227第二十七页，讲稿共五十五页哦相应于输入信号的稳态误差相应于输入信号的稳态误差相应于输入信号的稳态误差相应于输入信号的稳态误差 不考虑干扰信号，不考虑干扰信号，不考虑干扰信号，不考虑干扰信号，考虑系统在输入考虑系统在输入 常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差 位置误差系数位置误差系数 速度误差系数速度误差系数速度误差系数速度误差系数 加速度误差系数加速度误差系数加速度误差系数加速度误差系数 稳态误差 2022/10/228第二十八页，讲稿共五十五页哦稳态误差 系统类别系统类别单位阶跃单位阶跃单位斜坡单位斜坡单位加速度单位加速度0型型I型型II型型开环低频增益越高，开环低频增益越高，开环低频增益越高，开环低频增益越高，相应于输入信号的闭环稳态误差越小相应于输入信号的闭环稳态误差越小相应于输入信号的闭环稳态误差越小相应于输入信号的闭环稳态误差越小 2022/10/229第二十九页，讲稿共五十五页哦稳态误差 干扰引起的稳态误差干扰引起的稳态误差干扰引起的稳态误差干扰引起的稳态误差 要减小干扰引起的稳态误差，要减小干扰引起的稳态误差，即干扰输入点之前的增益要大，甚至带积分，即干扰输入点之前的增益要大，甚至带积分 2022/10/230第三十页，讲稿共五十五页哦稳态误差 n n减小系统误差的途径 反馈通道反馈通道的精度直接影响系统误差，要避免在反馈的精度直接影响系统误差，要避免在反馈通道引入干扰通道引入干扰 对于输入引起的误差输入引起的误差，增大系统开环放大倍数，增大系统开环放大倍数，提高系统型次提高系统型次对于对于干扰引起的误差，在前向通道，在前向通道干扰点前增干扰点前增大放大倍数大放大倍数2022/10/231第三十一页，讲稿共五十五页哦n n瞬态响应 时域指标时域指标 阶跃输入阶跃输入 调整时间调整时间ts s 超调量超调量 上升时间上升时间tr r 上升时间上升时间t td d2022/10/232第三十二页，讲稿共五十五页哦2022/10/233第三十三页，讲稿共五十五页哦n n瞬态响应 频域指标频域指标 正弦输入正弦输入 带宽带宽BWBW 振荡度振荡度MMP P 剪切频率剪切频率 c c 相位裕量相位裕量 MM闭环闭环开环开环2022/10/234第三十四页，讲稿共五十五页哦2022/10/235第三十五页，讲稿共五十五页哦2022/10/236第三十六页，讲稿共五十五页哦2022/10/237第三十七页，讲稿共五十五页哦第六节 控制器设计n n一般设计思路1.确定受控系统物理组成2.推导受控系统传递函数GP(s)3.分析受控系统特性与需求间的差距4.选择适当形式的控制器GC(s)补足受控系统的不足5.根据已知条件，列写方程组，求解GC(s)中的未知数，或仿真确定参数2022/10/238第三十八页，讲稿共五十五页哦增益提高，相对误差下降2022/10/239第三十九页，讲稿共五十五页哦n控制系统的设计要求高的增益：准确小的延迟：稳定和快速2022/10/240第四十页，讲稿共五十五页哦n nPID控制器比例：提供全频带的增益，可加宽系统频带，但降低稳定性积分：提供低频增益，对高频影响小，但带来相位滞后，降低稳定性。微分：提供高频增益（会放大噪声），相位超前，可改善稳定性和快速性。2022/10/241第四十一页，讲稿共五十五页哦积分控制器积分控制器 引入积分校正使引入积分校正使引入积分校正使引入积分校正使 低频增益低频增益低频增益低频增益，提高型次，提高型次，提高型次，提高型次 相位裕量相位裕量相位裕量相位裕量 剪切频率？剪切频率？剪切频率？剪切频率？稳态误差稳态误差稳态误差稳态误差 稳定性稳定性 不利于提高不利于提高不利于提高不利于提高 引入积分控制的目的是引入积分控制的目的是引入积分控制的目的是引入积分控制的目的是 提高低频增益和型次，降低稳态误差提高低频增益和型次，降低稳态误差提高低频增益和型次，降低稳态误差提高低频增益和型次，降低稳态误差 控制器设计第四十二页，讲稿共五十五页哦比例比例-积分积分积分积分 (PI)控制器控制器控制器控制器 当偏差大时，当偏差大时，当偏差大时，当偏差大时，当偏差小时，当偏差小时，当偏差小时，当偏差小时，比例控制起主要作用；比例控制起主要作用；比例控制起主要作用；比例控制起主要作用；积分控制起主要作用。积分控制起主要作用。控制器设计第四十三页，讲稿共五十五页哦既可以降低稳态误差，又可以调整既可以降低稳态误差，又可以调整既可以降低稳态误差，又可以调整既可以降低稳态误差，又可以调整()()剪切频率；剪切频率；对相位裕量的影响也可以比较小。对相位裕量的影响也可以比较小。当当 控制器设计第四十四页，讲稿共五十五页哦微分部分：控制量正比于偏差变化率微分部分：控制量正比于偏差变化率微分部分：控制量正比于偏差变化率微分部分：控制量正比于偏差变化率 当偏差变化快时，当偏差变化快时，当偏差变化快时，当偏差变化快时，当偏差变化慢时，当偏差变化慢时，当偏差变化慢时，当偏差变化慢时，微分控制起主要作用；微分控制起主要作用；微分控制起主要作用；微分控制起主要作用；比例控制起主要作用。比例控制起主要作用。比例控制起主要作用。比例控制起主要作用。比例比例比例比例-微分微分微分微分 (PD)控制器控制器控制器控制器 控制器设计第四十五页，讲稿共五十五页哦PDPD校正器的作用：校正器的作用：校正器的作用：校正器的作用：(1)(1)提供正的相位裕量提供正的相位裕量提供正的相位裕量提供正的相位裕量 不稳定不稳定不稳定不稳定稳定稳定稳定稳定超调量大超调量大超调量大超调量大小小小小(2)(2)提高剪切频率提高剪切频率提高剪切频率提高剪切频率 (快快快快)PDPD校正器的缺点：校正器的缺点：校正器的缺点：校正器的缺点：控制量高频噪声大控制量高频噪声大控制量高频噪声大控制量高频噪声大 控制器设计第四十六页，讲稿共五十五页哦比例比例 微分微分 积分积分 误差大误差大 误差变化快误差变化快误差变化快误差变化快 误差积分大误差积分大 快速接近期望值快速接近期望值快速接近期望值快速接近期望值 降低振荡，降低振荡，降低振荡，降低振荡，“阻尼阻尼”提高稳态精度提高稳态精度 起作用的主要条件起作用的主要条件起作用的主要条件起作用的主要条件 效果效果效果效果 控制器设计第四十七页，讲稿共五十五页哦PIDPID控制器可以校正哪些系统？控制器可以校正哪些系统？控制器可以校正哪些系统？控制器可以校正哪些系统？控制器设计开环传递函数开环传递函数开环传递函数开环传递函数 闭环传递函数闭环传递函数闭环传递函数闭环传递函数 第四十八页，讲稿共五十五页哦控制器设计开环传递函数开环传递函数 闭环特征多项式闭环特征多项式 第四十九页，讲稿共五十五页哦开环阶次开环阶次 闭环阶次闭环阶次 可调极点个数可调极点个数 1 12 22 2 2 23 33 3 343 PID控制器可以控制器可以控制器可以控制器可以 对（开环）对（开环）对（开环）对（开环）2 2阶以下系统，任意配置极点阶以下系统，任意配置极点 对（开环）对（开环）对（开环）对（开环）3 3阶以上系统，配置阶以上系统，配置3 3个主导极点个主导极点个主导极点个主导极点 解决大部分线性解决大部分线性解决大部分线性解决大部分线性SISOSISO系统的控制问题系统的控制问题系统的控制问题系统的控制问题 控制器设计第五十页，讲稿共五十五页哦n n超前滞后控制器超前环节：改善相位特性，增加稳定裕量。滞后：抑制中频和高频增益，同时较惯性环节带来较小的相位滞后。2022/10/251第五十一页，讲稿共五十五页哦n n实例对象传递函数对象传递函数2022/10/252第五十二页，讲稿共五十五页哦控制对象伯德图控制对象伯德图2022/10/253第五十三页，讲稿共五十五页哦n n控制器2022/10/254第五十四页，讲稿共五十五页哦控制器伯德图控制器伯德图2022/10/255第五十五页，讲稿共五十五页哦