[工学]自控原理第2章.ppt

Course 自动控制原理 Review 系统分析题: 人在篮球场某个位置定点投篮。 这样的系统是控制系统吗？ 是自动控制系统？ 2. 画系统原理框图 3. 是开环还是闭环系统？ Review Chap 2 控制系统的输入-输出模型 2.1 引言 从系统学的角度看，自动控制系统是信号传递和转换的过程。 数学模型(Mathematical Model):用来描述系统中各种信号(或变量)的传递和转换关系的数学表达式 。 1. 建立数学模型的意义: (1)使我们得以暂时离开系统的物理特性，在一般意义下研究控制系统的普遍规律。 (2)从定性的认识上升?数学定量的精确认识(严谨的分析) 。 2.1 引言 2.数学模型分类 (1)按系统运动特性分为： 动态数学模型：描述系统动态过程(未至平衡状态前)规律的数学模型。 静态数学模型：描述系统稳态过程(平衡状态)规律的数学模型。 2.数学模型分类 统计建模/统计模型(黑箱或灰箱建模) ----根据系统的输入/输出(Input/Output,I/O)的实验测试数据，利用统计学的方法建立的数学模型。 优点：避免机理建模的困难，能以一定的精确度描述原系统的变化情况，适合于系统控制与预测；通用性好 缺点：模型中的参数没有明确的物理意义。 2.数学模型分类 (3) 按照描述数学模型的工具分为： 时域(Time Domain,TD)模型-----微分方程或差分方程描述的数学模型。 优点：有效的数学分析工具多。 2.数学模型分类 (4) 按照描述变量的不同分为： 输入输出I/O模型-----描述系统输入量和输出量之间关系的数学模型。 优点：模型简单，易于分析 缺点：系统内部其它变量之间的关系和运动规律没有建模 2.1 引言 3. 建立数学模型的原则： 兼顾模型的精确度(模型分析和设计的复杂度)和控制系统精度(与模型精确度密切相关)，两者之间的折中。 2.1 引言 4. 时域模型的数学建模的通常步骤： (1)建立物理模型。 要作一些理想化的假设。 (2)列写原始方程。 物理定律: 牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律等 (3)选定系统的输入量、输出量以及状态变量（仅在建立SS模型时要求），消去中间变量，建立适当的I/O模型或SS模型。 2.2 列写输入-输出(I/O)运动方程 阻尼器: 机械表面在滑动接触中运转，则物理系统存在摩擦。 质量与惯性要素 (线性)弹性要素 阻尼要素 2.2.2 电路系统 电路系统的基本要素是电阻、电容和电感。 支配电路系统的基本定律是基尔霍夫电流和电压定律。基尔霍夫电流定律表明：流入和流出节点的所有电流的代数和等于零；基尔霍夫电压定律表明，在任意瞬间，在电路中沿任意环路的电压的代数和等于零。 例 2.5 2.2.3 机电系统 2.2.3 机电系统 2.2.4 液位系统 2.3 传递函数与系统框图 2.3.1 Transfer function 零初始条件： 输入及其各阶导数在t =0-时刻均为0； 输出及其各阶导数在t =0-时刻均为0。 形式上记为： 2.3.1 Transfer function 2.3.1 Transfer function 传递函数的性质： （1）传递函数只取决于系统或元件的结构和参数，与输入信号的形式无关 ，但和输入信号的作用位置及输出信号的取出位置有关； （2）传递函数适用范围：线性定常系统； （3）传递函数具有复变函数的所有性质；是复变量s的有理真分式，即分母阶数n≥分子阶数m； （4）传递函数是系统脉冲响应的拉氏变换； (5）传递函数与真正的物理系统不存在一一对应关系；??? (6）由于传递函数的分子多项式和分母多项式的系数均为实数，故零点和极点可以是实数，也可以是成对的共轭复数。 2.3.2 方框图 2.3.3 典型环节的传递函数 放大/比例(Proportional,P)环节 惯性(inertial)环节 积分(Integral,I)环节 微分(Derivative,D)环节 延时/时滞(delay)环节 (二阶)振荡环节 典型环节构成的系统示例-他励直流电机 2.3.4 方框图化简 2.3.4 方框图化简 (1)相邻汇合点可交换原则(2)相邻分支点可交换原则(3)汇合点移动原则（a)前移(b)后移(4)分支点移动原则（a)前移(b)后移(5)正负反馈合并 (1)相邻 汇合点 可交换原则 (2)相邻 分支点 可交换原则 (3)汇合点移动原则（a)前移 (3)汇合点移动原则（b)后移 (4)分支点移动原则（a)前移 (4)分支点移动