机械控制工程基础—控制系统的方框图与传递函数.pdf

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1、控制工程基础控制工程基础典型控制系统的组成机械控制工程基础扰动量比较元件控制量输出量—控制系统的方框图输入量给定元件控制元件执行元件被控对象（给定量）（被控量）与传递函数反馈量反馈元件典型控制系统的组成天津大学机械工程学院控制系统一般由若干元件以一定的陈永亮形式连接而成。机械学院1机械学院2控制工程基础控制工程基础名词术语（teminology)名词术语（1）被控对象——要求进行控制的设备、机器或生产过程。（2）被控量——表征被控对象特征的要求控制的物理量。（3）给定元件——确定给定量的元件。（4）给定量——被控量的希望对应值。（

2、5）反馈元件——检测被控量的传感元件。（6）主反馈量——反馈元件的输出。（7）比较元件——求给定量和主反馈量之差的元件（给定量和主反馈量应有相同量纲）。（8）控制元件——根据偏差和要求的控制规律产生的响应的控制方法。（9）执行元件—根据给定量的要求直接对被控对象进行操作。（10）扰动量——使被控量偏离希望值的那些因素（内扰、外扰）。（11）误差信号——输出量实际值与希望值之差。（12）偏差信号——输入量与主反馈量之差。机械学院3注意：误差与偏差不是相同的概念。什么时候误差与偏差相等机械学院？4控制工程基础控制工程基础典型环节传递函

3、数基于Matlab的控制系统设计例:以二阶线性传递函数为被控对象,进行PID控制。从数学模型的角度对组成系统的元件133进行分类。G(s)2s25sSimulink方式：环节：具有某种确定信息传递关系的元件、元件组或元件的一部分。机械学院机械学院61控制工程基础典型环节传递函数控制工程基础典型传递函数举例传递函数的零极点表示1s21s222mGs1()2533ss(s)(s1)b(sz)(sz)(szj)222m1mi1G(s)Ka(ss)(ss)ns3n1n(ss)Gs()i2

4、2i1s2s2ss11s112Gs()2z是G(s)0的根，称之为G(s)的零点。32222222js2s5(s1)2(s1)2(s1)2s是G(s)的根，称之为G(s)的极点。i1bmK称为根增益。Gs()an43(ss224)图象表示：G(s)的零点“0”，G(s)的极点“X”机械学院7机械学院8控制工程基础典型环节传递函数控制工程基础典型环节传递函数一比例环节1.x0(t)Kxi(t)X(s)X(s)oiK2.任何高阶系统都可视为由若干典型环节所组成。X(s)KX(s)

5、0i典型环节有：G(s)K比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环K为比例系数，或称增益节、延迟环节等。3.特征：放大作用，不失真4.例如：齿轮传动系统，电子放大器机械学院9机械学院10控制工程基础典型环节传递函数控制工程基础典型环节传递函数二惯性环节三积分环节输出比例于输入对时间积分的环节称为积分环节KTS11X(s)X(s)ioxo(t)xi(t)dtXTo凡动力学方程为一阶微分方程TxxKx形ooi1TS式的环节为惯性环节，其传递函数为：K1其传递函数为：GG(s)TSTS1特征：积分环节具有记忆功

6、能，主要用于改善系式中：K——增益，T——时间常数统稳态性能。特征：含有储能元件输出滞后于输入若xi(t)1(t)，xo(t)t参见图例如：齿轮齿条系统机械学院11机械学院122控制工程基础典型环节传递函数控制工程基础典型环节传递函数四微分环节2.实际微分环节（具有惯性的微分环节）1.理想微分环节：输出正比于输入的微分。即TSx(t)Tx(t)传函：G(s)oiTS1XiTSX0当TS1时，G(S)TS成为理想微分环节特征：微分环节主要用于改善系统的动态特性，不能理想微分环节的传函为：单独存在。X(s)oG(s)

7、TSX(s)i式中：T——微分时间常数机械学院13机械学院14控制工程基础典型环节传递函数控制工程基础典型环节传递函数五振荡环节具有两个不同形式的储能元件122w称为固有振荡频率1.微分方程：(Tp2xTp1)xoxinT式中：T——固有时间常数，x——阻尼比特征：具有两种储能元件由特征方程：Xo2wn22222s2xwsw0sxwjw1xS2xwSwXnnnnnni2.传递函数：21wnG(s)2222Ts2xTs1s2xwswnn零极点形式时间常数形式机械学院15机械学院16控制工程

8、基础典型环节传递函数控制工程基础典型环节传递函数六一阶微分环节（比例微分）微分方程：xo(TP1)xi说明：（1）一阶微分环节与惯性环节互为倒数传函：G(s)TS1（2）二阶微分环节与振荡环节互为倒数利用此特性，将互为倒数的环节串联，可产生