控制系统的建模与分析.pdf

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1、机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种：（1）系统分析：已知系统和输入，求系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题；（2）最优控制：已知系统和系统的理想输出，确定输入使得输出尽可能符合给定的最佳要求；（3）最优设计：已知输入和理想输出时，设计系统；（4）滤波与预测：当系统已定，输出已知，要识别输入或输入中的有关信息；（5）系统辨识：已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型。自动控制技术的研究内容1.系统建模：自动控制系统研究的基本内容是对控制系统建立

2、数学模型，简称系统建模。数学模型是描述系统变量之间关系的数学表达式，对连续系统为微分方程，对离散系统为差分方程，在现代控制理论中，要建立状态方程。建模方法：分析法和实验法。分析法是根据物理和化学定律，建立系统的动态方程。实验法是用系统辨识方法，即对系统加入已知信号，记录系统的输出，然后用数学模型近似，从而得到系统的数学模型（著名的“黑箱”建模方法）。计算机控制系统的研究内容2.系统分析：是在系统给定的情况下，研究系统的稳定性、动态性能指标和稳态误差的问题，并且讨论系统的性能指标与结构参数之间的关系。一般采用时域分析和频域分析两种方法。3.系统设计：建立一个能够完成设定的控制

3、任务，满足一定的控制要求的系统。系统控制器的设计称为校正。控制器也称为校正装置。所谓校正指在系统中加入一些可调的装置（机构），使系统的性能指标发生变化，满足设计的要求。通常讲的控制系统设计，是指控制器（校正装置）设计。控制系统建模与仿真分析问题？1、为什么要建立控制系统的数学模型？2、建模的方法与步骤？3、控制系统仿真工具？1仿真分析的意义2建模的基本概念3建模的步骤4直流电机建模实例5MATLAB/SIMULINK简介1、仿真分析的意义科学研究方法：理论、仿真、实验验证相结合计算机仿真：一门新兴技术学科，涉及到专业理论和技术，比如系统分析、控制理论和计算方法等，当在实际系

4、统上进行试验研究比较困难，或者无法实现时，仿真就必不可少了。系统仿真：即模型实验，建立在模型系统上的实验技术，指通过模型实验去研究一个已经存在的或者正在设计的系统的过程。•已存控制系统：–通过定量仿真分析与研究，找到系统的内部结构及参数与系统性能之间的关系。这样，在系统不能按照预先期望的规律运行时，便可通过对模型的分析，适当地改变系统的结构和参数，使其满足规定性能的要求。•未存控制系统：–在设计一个系统之初，对于给定的被控对象及控制任务，可以借助仿真来预测设计思想和不同控制策略，而不招致建造系统所带来的费用浪费，减少设计周期。1、仿真分析的意义控制系统仿真分析的条件：•建

5、模•仿真分析工具计算机仿真的基本内容：1仿真分析的意义2建模的基本概念3建模的步骤4直流电机建模实例5MATLAB/SIMULINK简介2建模的基本概念2.1数学模型数学模型是系统动态特性的数学描述。微分方程式是表示系统数学模型的最基本的形式。2.2建立数学模型的意义•对具体的物理问题、工程问题从定性的认识上升到定量的精确认识的关键！•研究与分析一个机电控制系统，不仅要定性地了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描述系统的动态性能。•仿真分析的基础。2.3控制系统建模的方法•一是分析法，从物理或化学规律出发，建立数学模型并试验验证；•二是实验法，对系统或者元件加入一定形

6、式的输入信号，用求取系统或元件的输出响应的方法，建立数学模型。•本次课采用分析法2.4建立数学模型的原则•理论上，没有一个数学表达式能够绝对准确地描述一个系统，因为，理论上任何一个系统都是非线性的、时变的和分布参数的，都存在随机因素，系统越复杂，情况也越复杂。•而实际工程中，为了简化问题，常常对一些对系统运动过程影响不大的因素忽略，抓住主要问题进行建模，进行定量分析，也就是说建立系统的数学模型应该在模型的准确度和复杂度上进行折中的考虑。2.4建立数学模型的原则•分析系统时，结果的准确程度完全取决于数学模型对给定实际系统的近似程度。•如果简化后的数学模型与实际系统的模型出入很

7、大，那么模型也就失去了它应有的作用。•但这决不意味着数学模型越复杂越好，一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准确性和简化性之间进行折中。既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际出入过大。2.5数学模型的种类•数学模型分为：时域模型复数域模型频率域模型时域模型:包括微分方程、差分方程和状态方程；优点：是在时间域中对控制系统进行描述，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。缺点：计算复杂；难于找出系统的结构参数对控制系统性能影响的一般规律，无法找出改进方案，不便