控制系统设计技术PPT课件

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5.1.4控制系统的设计步骤
1、目的分析。首先对系统的目的或任务进行 定量分析，即将系统的目的、任务直接地或 间接地变换成定量关系。
2、系统分析。
（1）建立系统框图。将系统进行分解后，考虑 到各个部分之间的输入、输出联系，即可利用框 图方法来表达系统。
（2）建立系统数学模型。
3、系统最佳化。
4、系统仿真。
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5.2系统数学模型
控制系统的数学模型在控制系统的研究中有 着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理， 首先应当知道系统的数学模型，然后才可以 对系统进行模拟。
数学模型是描述元素之间、子系统之间、层 次之间相互作用以及系统与环境相互作用的 数学表达式。它是根据系统的动态特性，即 通过决定系统特征的物理学定律，如机械、 电气、热力、液压、气动等方面的基本定律 而写成的。
x(t)
f
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由弹簧、质量块和阻尼器组成的机械位移系统
F
ma
m
d2x dt2
FFFuFk
阻尼器的粘性摩擦力（与速度成正比）：
Fu
f
dx dt
弹簧力：
f ：阻尼器粘性摩擦系数
Fk kx
外力F与位移 y的运动方程：
d2x dx
m f kxF
dt2
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古典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论， 控制系统的分析与设计是建立在某种近似的或试探 的基础上的。
现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法， 它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与 设计是比较精确的。
智能控制是近年来发展起来的一种控制理论，它包 括最优控制、神经网络控制、模糊控制等。
状态方程：描述系统状态变量与输入变量之间关系的一 阶微分方程组或一阶差分方程组；
输出方程：描述系统输出变量与系统状态变量和输入变 量之间关系的代数方程；
状态空间表达式：状态方程与输出方程的组合。
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二、状态空间表达式 通常受控系统的状态空间表达式可表示为下列紧凑的形式：
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5.1控制系统概述
5.1.1控制系统的组成及其特点
系统：是为了形成某种特殊功能而装配起来的 一组物理元件。我们所研究的“系统”就是有 相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有 一定的目的或一定的运动规律的一个整体。一 般的机电系统是机械和电的组合系统。
控制：按照给定的目标，依靠调节能量输入， 改变系统行为或性能的方法学。
控制系统：某些在物理上受可调节能量输入控
制的一类系统。
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5.1.2控制系统的分类
一、按输入量的特征分类
恒值控制系统
程序控制系统
随动系统（伺服系统）
二、按系统中传递信号的性质分类
（2）最优控制问题：当系统已定时，确定输入， 且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳 要求。
（3）最优设计问题：当输入已知时，确定系统， 且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳 要求。
（4）滤波与预测问题：当输出已知时，确定系统， 以识别输入或输入中的有关信息。
（5）系统识别与系统辨识问题：当输入与输出均 已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数 学模型。
连续控制系统
离散（数字）控制系统
三、按系统构成分类
开环系统
闭环系统
半闭环系统
四、按控制元件特性分类
线性控制系统
17.041.72.0024非.0202线0 性控制系统
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5.1.3控制系统的几种实现方式
（1）系统分析问题：当系统已定、输入已知时， 求出系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有 关问题。
dt
二阶线性常系数微分方程
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5.2.2状态模型
一、状态模型的基本概念。
状态：表征系统运动的信息和行为；
状态变量：完全表征系统运动状态的最小个数的一组变 量；
状态向量：描述系统状态的n个状态变量组成的n维状态 向量；
状态空间：以n个状态变量作为坐标轴所组成的n维空间；
状态轨线：系统状态向量在状态空间中随时间变化的轨 迹；
式中：
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线性时变系统的状态空间表达式 线性系统状态 空间表达式的一般形式为：
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线性定常系统的状态空间表达式：当线性系统的参数恒定 时，可得线性定常系统的状态空间表达式为：
A 称为系统的状态矩阵； B 称为控制矩阵 ( 或输入矩阵 ) ； C 称为输出矩阵； D 称为前馈矩阵。
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由以上分析可知，状态空间表达式具有以 下特点：
(1) 状态空间表达式是一种对系统的完全描 述，其核心是状态方程；
(2) 系统的状态空间表达式不是惟一的；
(3) 不同形式状态空间表达式可相互转化。
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第五章 机电一体化控制系统设计技术
知识点： 机电一体化控制系统概述 机电一体化系统数学模型 机电一体化控制系统响应 机电一体化系统的控制策略 微机控制装置的设计 机电一体化数字控制器的设计
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本章导读
就控制理论的发展而言，大体可以分为三个发展阶 段，即古典控制理论阶段、现代控制理论阶段和智 能控制理论阶段。
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5.2.1输入－输出模型
对于输入－输出的数学模型，常用微分方程来 描述该系统在时域中的动态特性。列写微分方程的 目的在于确定系统的输出量与给定输入量或扰动输 入量之间的函数关系，而系统是由各种元件组成的， 因此列写方程的一般步骤如下：
（1）确定系统或各元件的输入量、输出量。
（2）按照信号的传递顺序，写出在运动过程中的 各个环节的动态微分方程。
（3）消除所列各微分方程的中间变量。
（4）整理所得微分方程。
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[例5-1]如图所示为一具有质量、弹簧、阻尼器 的机械位移系统。试列写质量在外力作用下， 位移的运动方程。
F(t)
K
m