机械工程控制理论基础.ppt

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1、机械工程控制理论基础张克仁教授目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃

2、输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统

3、的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。第一节控制系统的工作原理和基本要求控制系统举例与结构方框图例1.一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。图2例2.图示为液面高度控制系统原理图。试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面

4、高度稳定。图3图4图5结构方块图说明：1.信号线：带有箭头的直线（可标时间或象函数）U(t),U(s)；2.引用线：表示信号引出或测量的位置；3.比较点：对两个以上的同性质信号的加减运算环节；4.方框：代表系统中的元件或环节。方块图中要注明元件或环节的名称，函数框图要写明函数表达式。二．控制系统的组成1．给定环节：给出输入信号，确定被控制量的目标值。2．比较环节：将控制信号与反馈信号进行比较，得出偏差值。3．放大环节：将偏差信号放大并进行必要的能量转换。4．执行环节：各种各类。5．被控对象：机器、设备、过程。6．测量环节：测量被控信号并产生反馈信号。7．校正环节：

5、改善性能的特定环节。三．控制系统特点与要求1.目的：使被控对象的某一或某些物理量按预期的规律变化。2.过程：即“测量——对比——补偿”。或“检测偏差——纠正偏差”。3.基本要求：稳定性系统必须是稳定的，不能震荡；快速性接近目标的快慢程度，过渡过程要小；准确性第二节控制系统的基本类型1．开环变量控制系统（仅有前向通道）图6-12．闭环变量控制系统图6-2开环系统优点：结构简单、稳定性能好；缺点：不能纠偏，精度低。闭环系统：与上相反。第三节典型控制信号输入信号是多种多样的，为了对各种控制系统的性能进行统一的评价，通常选定几种外作用形式作为典型外作用信号，并提出统一的性

6、能指标，作为评价标准。1．阶跃信号x(t)=0t＜0x(t)=At≥0图7当A=1时，称为单位阶跃信号，写为1(t)。阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用，相应的过渡过程称为阶跃响应。2．脉冲函数数学表达式x(t)=A/T0≤t≤Tx(t)=0其它图8脉冲函数的强度为A，即图形面积。单位脉冲函数（δ函数）定义为δ(t)=1(t)性质有:δ(t)=0t≠0δ(t)=∞t＝0且图9强度为A的脉冲函数x(t)也可写为x(t)=Aδ(t)必须指出，脉冲函数δ(t)在现实中是

7、不存在的，它只有数学上的意义，但它又是很重要的很有效的数学工具。3．斜坡函数（恒速信号）x(t)=Att≥0x(t)=0t＜0图10在研究飞机系统时，常用恒速信号作为外作用来评价过渡过程。4．恒加速信号x(t)=At2/2t≥0x(t)=0t＜0图11在研究卫星、航天技术的系统时，常用恒加速信号作为外作用来评价过渡过程。5．正弦函数（谐波函数、谐和信号）x(t)=xmsin(ωt+φ)t≥0x(t)=0t＜0图126．延时函数（信号）f(t)=x(t-τ)t≥τf(t)=0t＜0图137．随机信号（使用白噪声信号代替）第四节控制理论的研究内容和方法一．经典控制理论

8、1．主要内