机电一体化系统设计控制系统设计教学课件.ppt

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1、机电一体化系统设计1第3章控制系统设计3.1概述3.2控制系统的数学模型3.3控制系统性能分析3.4控制系统的综合与校正3.5数字控制系统分析3.6数字控制器设计第3章控制系统设计2第3章控制系统设计3.1概述2.对控制系统的基本要求稳定性、准确性、快速性1.控制系统基本结构图3.1控制系统的基本构成3第3章控制系统设计图3.1直流伺服电动机基本结构3.2.1执行电动机1.直流电动机4第3章控制系统设计3.2控制系统的数学模型图3.2电枢控制直流电动机原理图图3.4激磁控制直流电机原理图：为电机机械时间常数：为电机增益常数：为电机增益常数：为电机电枢时间常数传递函数5第3章控

2、制系统设计2.两相感应电动机图3.6两相电机原理参考相绕组接恒定的交流电压，控制相绕组接交流控制电压。两相定子线圈互相垂直。两相分别产生交变磁场，两个交变磁场合成一个旋转磁场。6第3章控制系统设计图3.7电机力矩-速度曲线图3.8线性化的力矩-速度曲线传递函数：为电动机增益常数：为电动机时间常数两相感应电动机的力矩-速度曲线如图3.7所示。可见，这组曲线具有严重的非线性因素。将其线性化后得到图3.8所示力矩-速度曲线图。7第3章控制系统设计3.2.2典型位置随动系统的数学模型图3.9位置随动系统原理图8第3章控制系统设计9第3章控制系统设计3.3控制系统性能分析3.3.1二阶

3、系统性能分析图3.11标准形式的二阶系统方块图闭环传递函数系统特征方程系统特征根（闭环极点）10第3章控制系统设计系统的极点是随阻尼比和系统的无阻尼振荡频率变化而变化的，极点在S平面上的分布规律如图3.12所示。图3.12二阶系统极点分布(1)当0<ξ<1时，称为欠阻尼状态，方程有一对实部为负的共轭复根。(2)当ξ=1时，称为临界阻尼状态，系统有一对相等的负实根。(4)当ξ=0时，称为零阻尼状态。系统有一对纯虚根。(3)当ξ>1时，称为过阻尼状态，系统有两个不等的负实根。(5)当ζ<0时，称二阶系统为负阻尼系统，此时为两个正实部的特征根系统发散而不稳定。11第3章控制系统设计

4、12第3章控制系统设计3.3.2系统极点在S平面上不同位置时的特性图3.13等...线和等...线的分布图3.14S平面上不同位置极点的输出响应曲线13第3章控制系统设计图示：频率放大;14第3章控制系统设计3.3.3控制系统的性能指标分析系统动态性能主要时域性能指标及系统极点原理调节时间上升时间超调量图3.15系统在S平面上满足时域性能指标的范围15第3章控制系统设计3.4数字控制系统分析3.4.1控制信号的采样与复原计算机控制系统计算机控制系统工作原理：1）将连续时间信号….离散化，即经过采样、量化，编码成数字量后，输入计算机进行运算和处理，由采样／保持电路和A／D转换

5、器实现。2）计算机根据某个控制算法，对输入的数字序列….加以一系列的运算，得到控制量(数字序列)….。….经过D／A转换和保持器后又变成连续信号或模拟信号….，作为被控对象的输入，控制被控对象实现控制目标。16第3章控制系统设计1.信号的采样（1）信号采样的概念●采样：把时间上连续的信号变成时间上离散的采样信号或数字信号的过程。●采样过程：如图3.25所示，采样开关每隔时间T闭合一次，每次闭合时间为τ，对连续信号……进行采样，将它变成时间上离散的采样信号：称……为……的采样信号；T称为采样周期。图3.25采样过程17第3章控制系统设计●采样类型：在采样过程中，采样周期T保持不

6、变——周期采样；在整个计算机控制系统有多个采样开关，这些开关的采样周期都为相等的常数，并且所有的开关都同时开闭——同步周期采样；各采样开关以各自不同的采样周期进行采样——多速率采样；各采样周期是随机变化——随机采样。●理想采样开关：τ＝0，通过理想采样开关采样后的信号……就成为一系列有高度无宽度的脉冲序列如图3.26所示。图3.26理想采样开关后所得的采样脉冲序列18第3章控制系统设计19第3章控制系统设计20第3章控制系统设计（2）信号采样的数学描述1）脉冲函数的采样性质●脉冲函数…如图所示，其数学表达式为…………………………………………………………(3.59)●脉冲强度…

7、…………………………………………………(3.60)●……的采样性质……k＝0，1，2，……(3.61)21第3章控制系统设计●采样信号……的形成由于δ函数具有采样性质，故可认为理想采样开关闭合一次，相当于在该时刻作用一个单位脉冲函数。采样开关以T为周期闭合，相当于一系列单位脉冲函数的作用。单位脉冲函数为……………………………………………………(3.62)则……可以看成是……被连续信号……调幅的结果。即采样过程可以看成是一个脉冲调制过程，输入量……作为调制信号，而……作为载波。因此，采样函数……可表示为…