机电一体化系统设计控制系统设计教学PPT课件

二3 - 9 阶二 阶系系 统统 极极点点分 分布 布
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第3章 控制系统设计
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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n 布 图3.14 S平面上不同位置极点的输出响应曲线
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第3章 控制系统设计
estet ejt
t
etcot setsin t ; sj
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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。
第3章 控制系统设计
机电一体化系统设计
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第3章 控制系统设计
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
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第3章 控制系统设计
3.1 概述
1. 控制系统基本结构
图3.1 控制系统的基本构成
系统的极点是随阻尼比 和系统的无阻尼振荡频率 n 变化而变化的，极点在S平面上的分布规律如图3.12所示。
(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。
(3)当ξ>1时，称为过阻尼状态， 系统有两个不等的负实根。
●脉冲强度
……………………………………………………(3.60) ●……的采样性质
……
k＝0，1，2，……
(3.61)
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第3章 控制系统设计
图示： 0
j 0
频率
放大
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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
超调量
Mp e 12 100%
调节时间
ts
3.5 n
上升时间 15
tr
d
图3.15 系统在S平面上满足 时域性能指标的范围
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
2. 对控制系统的基本要求
稳定性、准确性、快速性 3
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1. 直流电动机
3.2.1 执行电动机
图3.1 直流伺服电动机基本结构
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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
m(s) Km
Ea(s) s(Tms1)
●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
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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)
图3.6 两相电机原理 6
第3章 控制系统设计
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。
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
m(s) Km E2(s) s(1ms)
K m ：为电动机增益常数
传递函数
K m ：为电机增益常数 T m：为电机电枢时间常数
m(s) K
Ef (s) s(1ms)
m：为电机机械时间常数 K：为电机增益常数
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第3章 控制系统设计
2. 两相感应电动机 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。
m ：为电动机时间常数
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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
e(t)r(t)c(t) e(t)Kse(t) ea(t)Ae(t)
图3.9 位置随动系统原理图 8
第3章 控制系统设计
e a(t) L add a(ti)t R a ia(t) K bdd m (t)t
T m (t)Jem d2 dm 2(tt)B em dd m (t)t
3.3 控制系统性能分析
3.3.1二阶系统性能分析
闭环传递函数
(s)
n2
s2 2nsn2
R(s)
_
ωn2
C(s)
S(S+2ξωn)
图3-8 标准形式的二阶系统方块图 图3.11 标准形式的二阶系统方块图
系统特征方程
系统特征根（闭环极点）
s22 nsn20
10
s1,2 nn 21
第3章 控制系统设计
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。
(4)当ξ=0时，称为零阻尼状态。 系统有一对纯虚根。
(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。
左 半 平 面 ξ>0
ξ= 0
jω
右 半 平 面 ξ<0
0 < ξ< 1
jω n
ξ=1 两个相等根
ω d=ω n
β
σ
0
ξ=0
ξ>1
jω n
两个不等根
图
图3.12
Tm(t)Kiia(t)
c(t)
N1 N2
m(t)
Jem
Jm
N1 N2
2
JL
Leabharlann Baidu
2
Bem Bm NN12 BL
c r((ss))RaBem s(1Tas)1 ( K T seAm s)iK N N K 1 2bKisKsAiK N N1 2
Ta La/Ra
TemJem/Bem
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第3章 控制系统设计
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。