机械工程控制基础_课件.

机械工程控制基础张建华第1章绪论•本章考点：•1控制论与机械工程控制的关系；•2机械工程控制的研究对象；•3系统信息、信息传递、反馈及反馈控制的概念；•4系统的含义及控制系统的分类。•1-1机械工程控制论的基本含义•1控制论•（1）20世纪上半叶三项科学革命•（2）控制论中心思想•（3）工程控制论•2机械工程控制论研究任务1-2信息传递、反馈及反馈控制的概念•1信息及信息传递•（1）信息：所有能表达一定含义的信号、密码和消息。•（2）信息传递•2反馈和反馈控制•（1）反馈•（2）反馈控制•（3）开环系统、闭环系统•3系统及控制系统•（1）系统：指实现一定目标，完成一定任务的一些部件的组合。洗衣机、电脑等•（2）控制系统：指系统的输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的系统。例如室温调节器、自动开关门等。1-3机械控制的应用实例电子液压控制系统本章小结•一。控制的基本含义•1控制论（1）中心思想（2）是一门边缘学科（3）是一门技术科学。•2机械工程控制论（1）产生过程（2）研究对象（3）研究任务、内容。•二信息传递、反馈、反馈控制•1信息传递（1）信息定义（2）信息传递•2反馈与反馈控制（1）何谓反馈（2）反馈控制（3）实例•3系统与控制系统（1）系统（2）控制系统（3）开环与闭环第2章拉氏变换的数学方法•本章考点：•1复数的4种表示法及复变函数、零点、极点的概念。•2拉氏变换及逆变换的定义。•37种典型时间函数的拉氏变换。•4拉氏变换的10个性质。•5求拉氏逆变换的3种方法，特别是查表法、部分分式法。•6用拉氏变换解常微分方程。•2-1复数和复变函数•1复数的概念•2复数的表示方法•（1）点表示；•（2）向量表示；•（3）三角表示法•指数表示法jsjresjrs)sin(cos3复变函数，极点、零点•（1）复变函数•例2-1•（2）零点、极点),(),()()(jVUjGsG))(())(()(2121pspsszszsKsG的极点叫做时，得的零点；叫做时，)(,,0)()(,0)(2121sGppssGsGzzssG2-2拉氏变换与逆变换•1拉氏变换•定义式•2拉氏逆变换•定义式像函数原函数，)()(,0,)()()]([0sFtfjstdtetfsFtfLst2-3典型时间函数的拉氏变换•1单位阶跃函数•2单位脉冲函数0,10,0)(tttIsdtetItILst1)()}([00,00,)}(ttt1)()]([0dtettLst•3单位斜坡函数•4指数函数201)][(sdtettLst0,0,0)(ttttfatetf)(asdteeeLstatat1}[0•5正弦函数•6余弦函数•7幂函数220sin][sinsdtettLst220cos][cosssdtettLst10!][nstnnsndtettLnttf)()(21sin)(tjtjeejttf)(21cos)(tjtjeejttf2-4拉氏变换的性质•1线性性质•2实数域位移定理•3周期函数的拉氏变换)()()]()([22112211sFksFktfktfkL)()]([sFeatfLasdtetfetfLthentfTtfIfstTsT0)(11)]([),()(•4复数域的位移定理•5相似定理••6微分定理)()]([asFtfeLat)(1)]([asFaatfL)(lim)0()0()()]([0'tfffssFtfLt•7积分定理•8初值定理•9终值定理)(lim)0()0()()]([0'tfffssFtfLt)()(lim)0(lim0ssFtffst)()(limlim0ssFtfst•10卷积定理).()()(*)()()(,)()(])()([)]([)()],([)(00tgandtfoftgtfdgtfwhichinsGsFdgtfLthentgLsGtfLsFIftt叫做2-5拉氏逆变换•1拉氏逆变换的三种方法•(1)查表法由拉氏变换表直接查出与像函数F(s)对应的原函数f(t).•(2)留数定理法利用留数定理计算像函数的原函数。•(3)部分分式法先把像函数分解为部分分式，再对各个分式进行逆变换。部分分式法•分两种情况•（1）F(s)无重极点•例题2-6p22tpniitpniiinnnniiekepApBsFLtfkkkppppskpskpsksASBSF01'121212211)()()]([)(.,,,,)()()(则是待定常数是极点，其中，•（2）F(s)有重极点•例题2-8，p23-2411]))(([,))((.,,,,)()()()()()()(1121111211211111111211111psrpsrnnnnrrrrrnrrnpssFdsdkpssFkkkkppppskpskpskpskpskpspspsaSBSF是待定常数是极点，其中，2-6用拉氏变换解常微分方程•步骤：•1建立系统的微分方程，并给出初始条件。•2利用微分定理对方程中的每一项进行拉氏变换。•3求出系统的传递函数Y(s).•4对传递函数Y(s)进行拉氏逆变换，得到原函数f(t),便是系统的解。本章小结•1复数和复变函数•（1）复变的表示方法：点表示法、向量表示法、三角表示法、指数表示法。•（2）复变函数，极点、零点的概念。•2拉氏变换与逆变换的定义。•3典型时间函数的拉氏变换，掌握7种。、•4拉氏变换的性质及应用，掌握10个。•5拉氏逆变换的3种方法，重点是查表法和部分分式法。•6用拉氏变换解常微分方程。第3章系统的数学模型•本章考点：1系统数学模型的概念；线性系统的含义、特点、叠加原理；非线性系统的定义及线性化方法。2系统微分方程的建立：机械系统、电气系统、液压系统。3传递函数的定义、主要特点、零点与极点。4方块图及系统的构成。（1）方块图的构成及表示方法；（2）系统的串、并、反馈连接；（3）前向、误差、开环、闭环、反馈传递函数的定义及计算；（4）方块图的简化。5信号流图与梅逊公式（1）方块流图的7个概念（2）梅逊公式的表达式及式中各符号的意义。6机、电系统的传递函数。•3-1概述•1数学模型的概念•（1）实际模型：建筑模型、飞机模型---•（2）数学模型:描述系统的微分方程式。•2线性系统与非线性系统•（1）线性定常系统、线性时变系统。•（2）非线性系统处理途径3-2系统微分方程的建立•1机械系统•（1)运动的三种形式（2）直线运动•（3）转动.例3-1P30•2液压系统以油缸的液压伺服系统为例。••3电网络系统•（1）基尔霍夫定律•（2)例题3-4p34-35fkxxBxmTkBJJJxkAkykABymcqc)(2RiEtiA0)(3.3传递函数•1基本概念•（1）传递函数的产生：在零初始条件下对系统的线性微分方程作拉氏变换，系统输出的拉氏变换除以输入的拉氏变换所得之比值，既是传递函数。•（2）传递函数的定义：初始条件为零时，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比叫做系统的传递函数，记作••(3)传递函数的特点①反应系统本身的动态特性，与外界输入无关；②对于物理可实现系统，n=m;③不同性质的物理系统可用相同的传递函数描述。011011)()()(asasabsbsbsXsYsGnnnnmmmm•2传递函数的零点与极点。•(1)零点：传递函数为零的点.•若当•(2)极点：传递函数为无穷的点。•若当•练习：的零点。为则称时，)(,0)(,2,1,sGzsGmizsii的极点。为则称时，)(,)(,2,1,sGpsGnjpsjj的零点和极点求像函数2222)(2334ssssssF3传递函数的典型环节•（1）比例环节（2）积分环节•（3）微分环节（4）惯性环节•（5）一阶微分环节•（6）振荡环节•（7）二阶微分环节•（8）延时环节12122TssT11Tsks1s1Ts1222TssTse注意1.一个物理系统的传递函数中往往包含几个典型环节。例如•某机械系统的传递函数为•它由比例环节b/a和惯性环节(Bs/k+1)组成。2运算放大器、液压阻尼器、机械卷筒机构点数控制式直流电动机的传递函数的推导过程，请自己研读。)1/()()()(kBsabsXsYsG3-4方块图及动态系统的构成•1方块图•（1）定义：系统中各环节的功能和信号流向的表示方法。•（2）优点•2动态系统的构成系统各环节之间的联系有三种：•（1）串联•G1(s)G2(s)X(s)Y1(s)Y(s)X(s)G(s)Y(s))()()()()(21sGsGsXsYsG(2)并联•定义：几个环节的输入相同，输出相加或相减，叫做环节的并联。图示：G1(s)X(s)G2(s)Y(s)Y1(s)Y2(s)X++(-))()()()()(21sGsGsXsYsG(3)反馈连接•定义：将系统或某一环节的输出量全部或部分通过传递函数返回到输入端，与原输入信号一起输入到系统中去。这种过程叫做反馈。具有反馈的连接叫反馈连接。•图示：)()(1)G((Y(s)sHsGssR）闭环传递函数反馈连接的基本规律•1输入信号X(s)2输出信号Y(s)•3误差信号E(s)4反馈信号X1(s)•5前向传递函数G(s)=Y(s)/E(s)•6反馈传递函数H(s)=X1(s)/Y(s)•7误差传递函数E(s)/X(s)=1/[1±G(s)H(s)]•8开环传递函数G(s)H(s)=X1(s)/E(s)•9闭环传递函数Y(s)/X(s)=G(s)/[1±G(s)H(s)]•总关系式——•输入信号X传递函数=输出信号3方块图的简化法则1分支点后移2分支点前移3相加点后移4相加点前移5消去反馈回路GRRRCG1/GRCRGRCCGGRCC+GGGR1R2CR1R2C++++GR1+R2CG1/GCR2R1GHRC+-RCGHG14画方块图及求传递函数的步骤•1确定系统的输入与输出变量；•2列写系统的微分方程；•3在零初始条件下，对各个微分方程进行拉氏变换；•4将各个拉氏变换式分别以方块图表示，然后连接成系统，求系统的传递函数。•例题3-6P48•例题3-7P493-5信号流图与梅逊公式•1信号流图——与方块图等效（1）定义：是一种表示复杂系统中变量之间关系的方法（2）信号流图信号节点：可分为源点、汇点和混合节点。支路：有向线段，表示信号的流向。a,b,-c等表示传递函数。回路：由支路构成的回路，如额e1ae2e3b--cd4,321,,eeeee4232eee2梅逊公式•（1）梅逊公式。输入至输出的总传函数可由信号流图逐次化简求得，也可直接用公式计算：•（3—76）•T---系统总传递函数，tn---第n条前向通道的传递函数；•----是信号流图的特征式。•nnntT)773(1321kkjjiiLLL(3-77)式中各符号的含义•第i条回路的传递函数；•系统中所有回路传递函数之和；•两个互不接触回路传递函数的乘积；•系统中每两个互不接触回路传函的乘积之和；•三个互不接触回路传递函数的乘积；•系统中每三个互不接触回路传函的乘积之和；•第n条前向通路特征式的余因子，即中把与第n条前向通路相接触的回路传递函数以零代替后得到的•例3-8P51-52iiL1jjL2kkL3iL1jL2kL3n3-6机电系统传递函数（一）•1机械