第5章 自动控制技术综述.ppt

第5章 自动控制技术 ;5.1 概述;5.1.1 控制与控制系统;5.1.1 控制与控制系统;5.1.1 控制与控制系统;5.1.2 系统的分类;5.1.2 系统的分类;5.1.2 系统的分类;5.1.2 系统的分类;5.1.3 系统的过渡过程和性能指标;5.1.3 系统的过渡过程和性能指标;系统的输出和系统的输入是密切相关的，实际系统的输入形式多种多样，为安全和理论分析的方便，常选一些典型的输入形式，包括单位阶跃输入、单位速度(斜坡)输入、单位加速度(抛物线)输入。其中因阶跃信号（如下图所示）对被控变量影响最大，且易实现，便于实验、分析和计算，故常被采用作为系统的输入来研究控制系统。;2. 性能指标 输入作用下所产生控制系统的输出称为响应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程称瞬态响应，是系统短时间响应特性的度量；时间趋于无穷大时系统的输出称为稳态过程，亦称稳态响应，表征系统输出量最终复现输入的程度。任何控制系统的时间响应都包括动态和稳态两过程，即典型输入作用下，控制系统的性能指标由稳态性能和动态性能两部分组成。;5.1.3 系统的过渡过程和性能指标;5.2 控制系统的数学模型;3．建立数学模型的一般原则 合理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数学模型过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际的出入过大。这是在建立系统数学模型的过程中要特别注意的问题。 ; 式中 及 分别为与系统结构和参数有关的常系数。它们与系统的特性有关，一般需通过系统的内部机理分析或大量的实验数据处理才能得到。;(b) 传递函数 复数域模型包括系统传递函数和结构图，传递函数既可表征系统的动态特性，也可用来研究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。 线性定常系统的传递函数定义为零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。其中拉氏变换定义为：;传递函数具有以下性质： (1) 传递函数描述系统本身的动态特性，与输入量大小及性质无关。传递函数分母是系统特征多项式，代表系统固有特性，分子代表输入量与系统间的变换关系。 (2) 传递函数不能描述系统的物理结构。对动态特性相似的不同物理系统可用同一类型的传递函数描述。 (3) 传递函数的量纲取决于输入量和输出量的量纲。 (4) 通常传递函数分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次。分母多项式阶次为n的系统，称为n阶系统。 (5) 传递函数只适用于线性系统。满足线性叠加原理是线性系统的主要性质。 ;(c) 频率特性 频域模型主要描述系统的频率特性，应用频率特性可不需要进行大量的计算，就能比较迅速地分析系统中各个参量对系统性能的影响以及可直接研究闭环系统的稳定性，而不必求出系统的特征根。 将传递函数中 换成 ，即为频率特性。因此，如果已知各个环节的传递函数，就不需要逐一推导每个环节的频率特性，而是以 代替 求取。反之把频率特性中 换成 ，就可得到该环节或系统的传递函数。;1. 机理建模 (1) 根据系统和各元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确定其输入量和输出量。 (2) 根据元件工作时所遵循的物理或化学定律，列出其相应的原始方程式。在条件许可时可适当简化，忽略一些次要因素。所谓物理或化学定律，不外乎牛顿定律、能量守恒定律、物质守恒定律、基尔霍夫定律等等。 (3) 列出原始方程式的中间变量与其它因素的关系式。 (4) 将上述关系式代入原始方程式，消去中间变量，得到描述输出量与输入量之间关系的微分方程便是系统或元件在时域的数学模型。;例1．贮槽液位控制系统 即如图所示系统，液体经过阀门1不断地流入贮槽，贮槽内的液体又通过阀门2不断地流出。工艺上要求贮槽的液位h保持定值。在这里，贮槽就是被控对象，液位就是被控变量。; 由题意可知，贮槽蓄储量的变化率为单位时间内流入与流出物料量的差。设贮槽横截面积为A，当流入贮槽的流量Qi等于流出贮槽的流量时Q0 ，对象处于平衡状态，对象的输出量液位h保持不变。 设在微小时间内，Qi发生变化，不再等于Q0 因而引起液位变化，此时，流入与流出贮槽的物料量之差应该等于贮槽内增加或减少的物料量，即;整理后得;考虑闭环时;2. 实验建模 许多机电一体化产品的控制系统往往很难通过内在机理的分析来建立数学模型，而是常常用实验的方法来获得数学模型。所谓实验建模，就是在所要研究的系统上，加上一个人为的输入作用，然后用仪表测取并记录表征系统特性的物