1 / 120

Course

Course. 自动控制原理. Any comments, please feel free to contact me ( 中心楼 617 , Tel.: 83792418 (o)). Review. 系统分析题 : 人在篮球场某个位置定点投篮。 这样的系统是控制系统吗？ 是自动控制系统？ 2. 画系统原理框图 3. 是开环还是闭环系统？. 问答题：控制系统的 5 种分类 ?. Review. 4. 怎样的投篮是闭环控制系统？. 运行上篮？蒙眼上篮动作？.

wright
Download Presentation

Course

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Course 自动控制原理 Any comments, please feel free to contact me (中心楼617, Tel.:83792418(o)) Southeast University, Dept. of Automatic Control

  2. Review 系统分析题: 人在篮球场某个位置定点投篮。 • 这样的系统是控制系统吗？ 是自动控制系统？ 2. 画系统原理框图 3. 是开环还是闭环系统？ 问答题：控制系统的5种分类 ? Southeast University, Dept. of Automatic Control

  3. Review 4. 怎样的投篮是闭环控制系统？ 运行上篮？蒙眼上篮动作？ Southeast University, Dept. of Automatic Control

  4. Chap 2 控制系统的输入-输出模型 2.1 引言 从系统学的角度看，自动控制系统是信号传递和转换的过程。 数学模型(Mathematical Model):用来描述系统中各种信号(或变量)的传递和转换关系的数学表达式 。 1. 建立数学模型的意义: (1)使我们得以暂时离开系统的物理特性，在一般意义下研究控制系统的普遍规律。 (2)从定性的认识上升数学定量的精确认识(严谨的分析) 。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  5. 2.1 引言 2.数学模型分类 (1)按系统运动特性分为： 动态数学模型：描述系统动态过程(未至平衡状态前)规律的数学模型。 静态数学模型：描述系统稳态过程(平衡状态)规律的数学模型。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  6. 2.数学模型分类 统计建模/统计模型(黑箱或灰箱建模)----根据系统的输入/输出(Input/Output,I/O)的实验测试数据，利用统计学的方法建立的数学模型。 优点：避免机理建模的困难，能以一定的精确度描述原系统的变化情况，适合于系统控制与预测；通用性好 缺点：模型中的参数没有明确的物理意义。 (2) 按照建立数学模型的方法分为： 机理建模/机理模型(白箱建模)-----根据系统本身的运动规律(物理、化学等)来建模。 优点：方程式中每个系数都具有其明确的物理意义。 缺点：一般系统的运动规律很复杂，常常是非线性的，简化会导致模型精度降低(参数物理意义变含糊); 通用性差 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  7. 2.数学模型分类 (3) 按照描述数学模型的工具分为： 时域(Time Domain,TD)模型-----微分方程或差分方程描述的数学模型。 优点：有效的数学分析工具多。 复域/频域(Frequency Domain, FD)模型----利用拉氏或傅立叶变换对时域模型变换后得到的模型。 优点：可从工程上测试得到 性质：TD modelFD model Southeast University, Dept. of Automatic Control

  8. 2.数学模型分类 (4) 按照描述变量的不同分为： 输入输出I/O模型-----描述系统输入量和输出量之间关系的数学模型。 优点：模型简单，易于分析 缺点：系统内部其它变量之间的关系和运动规律没有建模 状态空间(State Space, SS)模型----描述系统输入量、输出量和状态量之间关系的数学模型。 优点：描述系统所有变化规律 缺点：较复杂，矩阵分析理论等 Southeast University, Dept. of Automatic Control 性质：I/O model一定条件下SS model

  9. 2.1 引言 3. 建立数学模型的原则： • 兼顾模型的精确度(模型分析和设计的复杂度)和控制系统精度(与模型精确度密切相关)，两者之间的折中。 常用手段：一定范围和前提条件下进行理想化的假设。 例如电子放大器可看成理想的线性放大环节，忽略掉它的非线性成份。(电子放大器的工作范围不超出其线性区) 通信卫星(轨道控制)可以看成一个质点来建模，而不考虑其形状和质量分布。在卫星的姿态控制中则不行！要考虑其天线和太阳能帆板的柔性体特性。 非线性,时变,分布参数 线性,定常,集中参数 • 在此基础上考虑模型的种类，即建立何种模型？ Southeast University, Dept. of Automatic Control

  10. 2.1 引言 4. 时域模型的数学建模的通常步骤： (1)建立物理模型。 要作一些理想化的假设。 (2)列写原始方程。 物理定律: 牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律等 (3)选定系统的输入量、输出量以及状态变量（仅在建立SS模型时要求），消去中间变量，建立适当的I/O模型或SS模型。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  11. 2.2 列写输入-输出(I/O)运动方程 Chap 2 控制系统的输入-输出模型 2.2.1 机械系统 三种理想化的要素： 质量 弹簧 阻尼器 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  12. 阻尼器: 机械表面在滑动接触中运转，则物理系统存在摩擦。 2.2.1 机械系统 (1) 静摩擦力：两个接触表面之间开始运动所需摩擦力。 (2)库仑(动)摩擦力:干表面之间的摩擦力，基本恒定。 (3)粘性摩擦力：被粘性流体分隔的运动表面之间的摩擦力 液压阻尼器: 液压传动系统元件；有时为改善系统动态响应，人为引入 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  13. 质量与惯性要素 Southeast University, Dept. of Automatic Control 力与加速度 力矩与角加速度

  14. (线性)弹性要素 Southeast University, Dept. of Automatic Control 注：弹性要素力的作用点

  15. 阻尼要素 弹性: 力(力矩)与位移差正比 阻尼: 力(力矩)与速度差正比 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  16. 2.2.1 机械系统 例2.1 带阻尼的质量弹簧系统 F=弹簧形变力＋质点运动力＋阻尼力 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  17. 2.2.1 机械系统 (将坐标原点选在系统静止时位置(即初始形变)，重力作用对运动方程没有影响) 引入 为微分算子 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  18. 2.2.1 机械系统 非线性微分方程如何处理？ 什么是光滑函数？ 任意阶导数都存在的函数 非光滑(nonsmooth)函数：本书第八章内容 光滑(smooth)函数：采用近似线性化方法 在系统的某工作点(通常是平衡点)将函数在该点邻域内泰勒级数展开 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  19. Southeast University, Dept. of Automatic Control

  20. 围绕摆杆重心的转动方程为 摆杆重心的水平运动方程为 摆杆重心的垂直运动方程为 小车的水平运动方程为 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  21. 例 2.4 I=ml22/3; 对非线性项分别在摆的平衡点位置线性或当成一个统一非线性项线性化 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  22. 例 2.4 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  23. 2.2.2 电路系统 • 电路系统的基本要素是电阻、电容和电感。 • 支配电路系统的基本定律是基尔霍夫电流和电压定律。基尔霍夫电流定律表明：流入和流出节点的所有电流的代数和等于零；基尔霍夫电压定律表明，在任意瞬间，在电路中沿任意环路的电压的代数和等于零。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  24. 例 2.5 线性还是非线性系统? 电感，电容是线性元件?  Southeast University, Dept. of Automatic Control  概念：相似系统； 意义：

  25. 2.2.3 机电系统 1）机械部分: 电磁力矩=电动机转动力矩＋阻尼力矩 2）电磁部分: 电枢电压＝反电动势+电感电压＋电压 3）机电耦合: 反电动势＝反电动势常数×角速度 电磁力矩=力矩系数×电枢电流 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  26. 2.2.3 机电系统 当电枢回路的电感很小（可以忽略不计）时模型降阶： 称为机电时间常数 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  27. 2.2.4 液位系统 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  28. 2.3 传递函数与系统框图 Chap 2 控制系统的输入-输出模型 2.3.1 传递函数 (Transfer function) 初始条件为零时，线性定常系统的输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比，称为该系统或元件的传递函数。 (三要素定义) Southeast University, Dept. of Automatic Control

  29. 2.3.1 Transfer function 零初始条件： 输入及其各阶导数在t =0-时刻均为0； 输出及其各阶导数在t =0-时刻均为0。 形式上记为： Southeast University, Dept. of Automatic Control

  30. 2.3.1 Transfer function 传递函数的零点 和极点 其中：Kg—传递系数或根轨迹增益； zi—零点（i=1,…,m）； pj—极点（j=1,…,n）。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  31. 2.3.1 Transfer function • 传递函数的性质： （1）传递函数只取决于系统或元件的结构和参数，与输入信号的形式无关 ，但和输入信号的作用位置及输出信号的取出位置有关； （2）传递函数适用范围：线性定常系统； （3）传递函数具有复变函数的所有性质；是复变量s的有理真分式，即分母阶数n≥分子阶数m； Southeast University, Dept. of Automatic Control

  32. 传递函数的性质 （4）传递函数是系统脉冲响应的拉氏变换； (5）传递函数与真正的物理系统不存在一一对应关系；??? (6）由于传递函数的分子多项式和分母多项式的系数均为实数，故零点和极点可以是实数，也可以是成对的共轭复数。 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  33. 2.3.2 方框图 作用：简洁而直观表示信号在系统中的传送过程和系统各个环节的连接方式：串联，并联，反馈 性质：每个框图环节应是相互独立的，即：本环节的输出只由只由输入和环节本身特性决定。 描述： 箭头－－表示信号流向，流入箭头表示输入信号，流出箭头表示输出信号，在直线旁标注信号 方框－－对信号进行的数学变换，内部标注传递函数 信号分支点和信号相加点(见后) Southeast University, Dept. of Automatic Control

  34. 2.3.2 方框图 1. 串联 (cascaded connection) 2-cascaded  n-cascaded Southeast University, Dept. of Automatic Control

  35. cascaded connection 注意： 方框与实际系统中的元部件并非一一对应。 串联电路串联系统 ? 负载效应 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  36. cascaded connection 等价措施：消除负载效应，保证电路独立性 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  37. 2.并联 (parallelconnection) 2.3.2 方框图 2- parallel n- parallel Southeast University, Dept. of Automatic Control Note：相加点符号可+可-

  38. 3.反馈 (feedbackconnection) 前向通道：由偏差输出的通道 反馈通道：由输出反馈信号的通道 2.3.2 方框图 闭环传递函数(closed-loop):从U(s)Y(s)的传递函数 开环传递函数(open loop):组成闭合回路的各串联环节的乘积 (从输入反馈断开点) 正负反馈 单位反馈 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  39. 3.反馈 (feedbackconnection) 闭环系统的特征方程 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  40. 负反馈对扰动的抑制 一般假设: Southeast University, Dept. of Automatic Control Note:扰动只要出现在闭环中，不管在什么位置，都能够被有效抑制；impossible for open loop

  41. 正反馈的特点 1.可以使输入信号被反复放大，小激励产生大输出。 2.使系统不稳定，控制系统中尽量避免。 3. 适用场合： 系统不需保持在某个目标情况 正反馈对企业的发展机制将起到很大的作用。 很弱小的基础不断(循环)发展壮大的过程 教室中的正反馈  Southeast University, Dept. of Automatic Control 教学活动 音响啸叫

  42. 什么是传递函数(Transfer function)？ 三要素定义 Review 极点？零点？ Southeast University, Dept. of Automatic Control

  43. 反馈 (feedbackconnection) 前向通道： 反馈通道： Review 闭环传递函数(closed-loop): 开环传递函数(open loop): 正负反馈 单位反馈 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  44. 2.3.3 典型环节的传递函数 2.3 传递函数与系统框图 • 分析典型环节的意义,6大环节 • 放大环节 • 惯性环节 • 积分环节 • 微分环节 • 延时环节 • 振荡环节 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  45. 放大/比例(Proportional,P)环节 实际系统中的放大环节？（忽略非线性和惯性 ） 齿轮，杠杆 ，分压器，可控硅整流器,液压伺服放大器 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  46. 惯性(inertial)环节 系统有储能元件，对于突变形式的输入不能立即复现，输出总落后于输入 惯性环节的增益 在复平面1个极点S=-1/T 惯性时间常数的物理意义 Southeast University, Dept. of Automatic Control 存在惯性环节系统？含储能元件系统，许多温度系统，忽略电枢电感的直流电机

  47. 积分(Integral,I)环节  积分时间常数 1个极点在复平面原点 I环节具有记忆功能! WHY? 数学解释? 对于控制的意义: Southeast University, Dept. of Automatic Control

  48. 微分(Derivative,D)环节 1个零点在复平面原点 微分时间常数 Southeast University, Dept. of Automatic Control Note:D环节在控制器中需慎用

  49. 延时/时滞(delay)环节 无穷多个零点和极点 延时环节对控制系统的稳定性等有较大影响 ； 延时大的系统不易控制 Southeast University, Dept. of Automatic Control

  50. (二阶)振荡环节 产生原因：含有两种储能元件，因能量相互转换而使输出带有振荡性质 RLC电路、质量弹簧系统、他励直流电机等在适当的参数配合下均是振荡环节 Southeast University, Dept. of Automatic Control

More Related