1 主讲人：崔晓斌 机械类专业必修课 机械工程控制基础机械工程控制基础 2 教学内容教学内容 1、课程准备 2、绪 论 4、系统的时间响应分析 3、系统的数学模型 5、系统的频率特性分析 6、系统的稳定性分析 3 3.1 引言 3.2 系统的微分方程 3.3 拉氏变换与反变换 3.4 传递函数的概念 3.5 典型环节的传递函数 3.6 系统传递函数方框图的建立 3.7 传递函数方框图的等效转化 3.8 反馈控制系统的传递函数 3.9 相似原理 3.10 本章小结 3.系统的数学模型 4 3.1 引言 5 （解析法、机理分析法） （系统辨识法） 6 7 3.2 系统的微分方程 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 q为负载流量；p为负载压降（pp1-p2） ； x，y分别为阀芯的位移和活塞的位移； A为活塞面积；c为粘性阻尼系数。 18 19 20 3.3 拉氏变换与反变换 拉式变换与反变换的定义 若已知F(s)，求原函数f(t)，则称为Laplace反（逆）变换（简称拉氏反 （逆）变换），即 拉式变换： 拉式反变换： 记为： 显然，若F(s)是f(t)的拉氏变换，则f(t)就是F(s)的拉氏反变换。 21 几个常用函数的拉式变换与反变换 （1）阶跃函数 （2）指数函数 22 几个常用函数的拉式变换与反变换 （3）正弦函数 （4）余弦函数 23 （5）t的幂函数 几个常用函数的拉式变换与反变换 24 （6）单位脉冲函数(t) 几个常用函数的拉式变换与反变换 25 拉式变换的主要运算定理 （1）叠加定理 （2）比例定理 26 拉式变换的主要运算定理 （3）相似性定理 27 拉式变换的主要运算定理 （4）微分定理 28 拉式变换的主要运算定理 （5）积分定理 （6）实位移（延迟）定理 29 拉式变换的主要运算定理 （7）复位移定理 （8）初值定理 （9）终值定理 30 拉式变换的主要运算定理 （10）卷积定理 31 拉式反变换 反演公式 查表法（分解部分分式法） a.试凑法 b.系数比较法 c.留数法（基本方法） 拉式变换法求解线性微分方程 32 拉式反变换 a.试凑法 b.系数比较法 33 拉式反变换 c.留数法（基本方法） 34 拉式反变换 35 拉式反变换 36 拉式反变换 37 拉式反变换 38 拉式反变换 39 拉式反变换 40 拉式反变换 41 3.4 传递函数的概念 42 43 44 45 46 3.5 典型环节的传递函数 47 48 Ts Xi(s) X0(s) 图2-19 微分环节 微分环节 控制作用 49 微分特性总是与惯性并存，理想的微分环节只是数学上的假设 或物理上的近似。 50 微分环节的控制作用： 1) 使输出提前 输入：斜坡函数r(t) = t，Xi(s)=1/s2 在比例环节Kp上并联一微分环节KpTs 获得同样的输出，t1t2，即：使输出提前。 微分环节的输出是输入的导数 ，它反映输入的变化趋势 即等于对系统有关输入变化趋势进行预测。 对系统提前施加校正作用，提高系统的灵敏度。 常用来改善控制系统的动态性能。 51 2) 增加了系统阻尼 增加微 分环节 s前的系数和阻尼有关 微分环节的控制作用： 52 3) 强化噪声的作用 微分环节的控制作用： 对输入能预测，因此对噪声（即干扰）也能预测，所以对噪声 灵敏度提高，增大了因干扰引起的误差。 53 G(s) -R1Cs 54 特 点：输出累加特性； 输出的滞后作用; 记忆功能 动力学方程： 传递函数： 1/Ts Xi(s) X0(s) 图2-20 积分环节 55 单位阶跃函数xi(t)=1(t) 凡具有储能元件或积累特点的元件，都具有积分环节的特性。 积分环节常用来改善系统的稳态性能。 输出量为输入量对时间的累积 ，,输出幅值呈线性增长 对于阶跃输入，输出要在t=T时，才等于输入，故有滞后作用。 经过一段时间的积累后，当输入为0时，输出不再增加，保持该值不变， 具有记忆功能。 56 57 振荡环节含有两个储能元件和一个耗能元件，储能元件之 间的能量交换引起振荡。 58 59 60 61 62 63 3.6 系统传递函数方框图的建立 64 65 66 67 68 3.7 传递函数方框图的等效简化 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 3.8 反馈控制系统的传递函数 82 83 84 3.9 相似原理 85 在机械、电气、液压系统中，阻尼、电阻、流阻都是耗能元件；而质 量、电感、流感与弹簧、电容、流容都是储能元件，前三者称为惯性或 感性储能元件，后三者称为弹性或容性储能元件。每当系统增加一个储 能元件时，其内部就增加一层能量的交换，即增加一层信息的交换，一 般来讲，系统的微分方程将增高一阶。 根据系统中储能元件的个数可以来判断系统的微分方程的阶数，但 是一定要注意：每一个弹性元件、每一个惯性元件是否是独立。 86 3.10 本章小结 3.1 引言 3.2 系统的微分方程 87 3.3 拉氏变换与反变换 拉式变换与反变换的定义 几个常用函数的拉式变换与反变换 几个常用函数的拉式变换 拉式变换的主要运算定理 拉式反变换 3.4 传递函数的概念 88 3.5 典型环节的传递函数 3.6 系统传递函数方框图的建立 3.7 传递函数方框图的等效简化 3.8 反馈控制系统的传递函数 89 作业：2.15, 2.16, 2.17, 2.18 3.9 相似原理