1、2019年3月6日星期三,1,机电控制工程,2019年3月6日星期三,2,教师资料 姓名：张嵘 办公地点：五金库2006 联系方法：71335 E-mail：,2019年3月6日星期三,3,2019年3月6日星期三,4,课程内容 机电系统建模 电机的原理与控制 伺服系统分析 实验 教学计划 第18周 讲课 第914周 实验 第15周 课程设计讨论 第16周 考试,2019年3月6日星期三,5,考核要求,2019年3月6日星期三,6,机电控制工程,第一章 基础知识,2019年3月6日星期三,7,概述,内容 术语定义 典型机电控制系统（自学） 系统数学模型 系统响应 性能指标 控制器设计,2019
2、年3月6日星期三,8,术语 系统 定义 任何存在因果关系的一组物理元件 输入：因 输出：果 数学模型 线性、定常、确定、集中参数、动态 常系数线性微分方程 物理特性 机电系统,第一节 术语定义,2019年3月6日星期三,9,控制与控制系统 控制 按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法 控制系统 靠调节能量输入的方法，使得某些物理量受到控制的一类系统,2019年3月6日星期三,10,控制系统分类 开环、闭环控制系统,2019年3月6日星期三,11,控制系统分类 串联、串并联,2019年3月6日星期三,12,控制系统分类 复合控制系统,前馈控制器引入输入信号的导数分量， 加快系统对输入信号的
3、响应速度,2019年3月6日星期三,13,控制系统分类 模拟、数字控制系统 调节、跟踪、伺服、过程控制系统,2019年3月6日星期三,14,第二节 典型机电控制系统,本节自学,2019年3月6日星期三,15,第三节 系统数学模型,概述 目的 了解控制对象的特性 进行定量分析 构成 物理定律和系统关系 特点 抽象近似 形式 传递函数、状态方程,2019年3月6日星期三,16,输入输出模型,2019年3月6日星期三,17,状态方程,2019年3月6日星期三,18,传递函数,2019年3月6日星期三,19,传递函数转换为状态方程,2019年3月6日星期三,20,传递函数转换为状态方程,2019年3月
4、6日星期三,21,状态方程转换为传递函数,2019年3月6日星期三,22,方块图,2019年3月6日星期三,23,理论推导 列微分方程组 线性化处理 拉氏变换（代数方程组） 画方块图 方块图简化，或消去代数方程组中间变量 输出输入之比即传递函数,2019年3月6日星期三,24,实验测得频率特性,2019年3月6日星期三,25,第四节 系统响应,时间响应 单位脉冲、单位阶跃、单位斜坡输入 时间域描述 瞬态响应、稳态响应 方法：反拉氏变换，部分分式展开,2019年3月6日星期三,26,频率响应 正弦输入 频率域描述 稳态响应 复函数 方法：极坐标、对数坐标,2019年3月6日星期三,27,第五节
5、性能指标,稳定性 系统工作的必要条件，但不充分。 稳态误差 t时的性能度量 拉氏域s 0 输入输出必须等价，需转换为单位反馈系统。 位置、速度、加速度误差系数,2019年3月6日星期三,28,相应于输入信号的稳态误差,不考虑干扰信号， 考虑系统在输入 常值、斜坡、二次曲线信号时的稳态误差,位置误差系数 速度误差系数 加速度误差系数,稳态误差,2019年3月6日星期三,29,稳态误差,开环低频增益越高， 相应于输入信号的闭环稳态误差越小,2019年3月6日星期三,30,稳态误差,干扰引起的稳态误差,要减小干扰引起的稳态误差， ，即干扰输入点之前的增益要大，甚至带积分,2019年3月6日星期三,3
6、1,稳态误差,减小系统误差的途径 反馈通道的精度直接影响系统误差，要避免在反馈通道引入干扰 对于输入引起的误差，增大系统开环放大倍数，提高系统型次 对于干扰引起的误差，在前向通道干扰点前增大放大倍数,2019年3月6日星期三,32,瞬态响应 时域指标 阶跃输入 调整时间ts 超调量 上升时间tr 上升时间td,2019年3月6日星期三,33,2019年3月6日星期三,34,瞬态响应 频域指标 正弦输入 带宽BW 振荡度MP 剪切频率c 相位裕量M,闭环,开环,2019年3月6日星期三,35,2019年3月6日星期三,36,2019年3月6日星期三,37,2019年3月6日星期三,38,第六节
7、控制器设计,一般设计思路 确定受控系统物理组成 推导受控系统传递函数GP(s) 分析受控系统特性与需求间的差距 选择适当形式的控制器GC(s)补足受控系统的不足 根据已知条件，列写方程组，求解GC(s)中的未知数，或仿真确定参数,2019年3月6日星期三,39,增益提高，相对误差下降,2019年3月6日星期三,40,控制系统的设计要求 高的增益：准确 小的延迟：稳定和快速,2019年3月6日星期三,41,PID控制器 比例：提供全频带的增益，可加宽系统频带，但降低稳定性 积分：提供低频增益，对高频影响小，但带来相位滞后，降低稳定性。 微分：提供高频增益（会放大噪声），相位超前，可改善稳定性和快
8、速性。,积分控制器,引入积分校正使 低频增益，提高型次 相位裕量 剪切频率？,稳态误差 稳定性 不利于提高,引入积分控制的目的是 提高低频增益和型次，降低稳态误差,控制器设计,比例-积分 ( PI ) 控制器,当偏差大时， 当偏差小时，,比例控制起主要作用； 积分控制起主要作用。,控制器设计,既可以降低稳态误差，又可以调整()剪切频率； 对相位裕量的影响也可以比较小。,当,控制器设计,微分部分：控制量正比于偏差变化率,当偏差变化快时， 当偏差变化慢时，,微分控制起主要作用； 比例控制起主要作用。,比例-微分 ( PD ) 控制器,控制器设计,PD校正器的作用： (1) 提供正的相位裕量 不稳定
9、稳定超调量大小 (2) 提高剪切频率 (快) PD校正器的缺点： 控制量高频噪声大,控制器设计,比例 微分 积分,误差大 误差变化快 误差积分大,快速接近期望值 降低振荡，“阻尼” 提高稳态精度,起作用的主要条件,效果,控制器设计,PID控制器可以校正哪些系统？,控制器设计,开环传递函数,闭环传递函数,控制器设计,开环传递函数,闭环特征多项式,开环阶次 闭环阶次 可调极点个数 1 2 2 2 3 3 3 4 3,PID控制器可以 对（开环）2阶以下系统，任意配置极点 对（开环）3阶以上系统，配置3个主导极点 解决大部分线性SISO系统的控制问题,控制器设计,2019年3月6日星期三,51,超前滞后控制器 超前环节：改善相位特性，增加稳定裕量。 滞后：抑制中频和高频增益，同时较惯性环节带来较小的相位滞后。,2019年3月6日星期三,52,实例,对象传递函数,2019年3月6日星期三,53,控制对象伯德图,2019年3月6日星期三,54,控制器,2019年3月6日星期三,55,控制器伯德图,2019年3月6日星期三,56,系统开环伯德图,2019年3月6日星期三,57,系统闭环伯德图,2019年3月6日星期三,58,本节作业 1.3、1.4、1.5、1.6,
