控制系統(tǒng)的建模與分析.pdf

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1、機(jī)械工程控制論的研究任務(wù)從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)已知條件與求解問題的不同，機(jī)械工程控制論的任務(wù)可以分為以下五種：（1）系統(tǒng)分析：已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)），并通過輸出來研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問題；（2）最優(yōu)控制：已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，確定輸入使得輸出盡可能符合給定的最佳要求；（3）最優(yōu)設(shè)計(jì)：已知輸入和理想輸出時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)；（4）濾波與預(yù)測：當(dāng)系統(tǒng)已定，輸出已知，要識別輸入或輸入中的有關(guān)信息；（5）系統(tǒng)辨識：已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。自動控制技術(shù)的研究內(nèi)容1.系統(tǒng)建模：自動控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容是對控制系統(tǒng)建立

2、數(shù)學(xué)模型，簡稱系統(tǒng)建模。數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對連續(xù)系統(tǒng)為微分方程，對離散系統(tǒng)為差分方程，在現(xiàn)代控制理論中，要建立狀態(tài)方程。建模方法：分析法和實(shí)驗(yàn)法。分析法是根據(jù)物理和化學(xué)定律，建立系統(tǒng)的動態(tài)方程。實(shí)驗(yàn)法是用系統(tǒng)辨識方法，即對系統(tǒng)加入已知信號，記錄系統(tǒng)的輸出，然后用數(shù)學(xué)模型近似，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（著名的“黑箱”建模方法）。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容2.系統(tǒng)分析：是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)誤差的問題，并且討論系統(tǒng)的性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。一般采用時(shí)域分析和頻域分析兩種方法。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)：建立一個(gè)能夠完成設(shè)定的控制

3、任務(wù)，滿足一定的控制要求的系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)稱為校正?？刂破饕卜Q為校正裝置。所謂校正指在系統(tǒng)中加入一些可調(diào)的裝置（機(jī)構(gòu)），使系統(tǒng)的性能指標(biāo)發(fā)生變化，滿足設(shè)計(jì)的要求。通常講的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是指控制器（校正裝置）設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)建模與仿真分析問題？1、為什么要建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型？2、建模的方法與步驟？3、控制系統(tǒng)仿真工具？1仿真分析的意義2建模的基本概念3建模的步驟4直流電機(jī)建模實(shí)例5MATLAB/SIMULINK簡介1、仿真分析的意義科學(xué)研究方法：理論、仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真：一門新興技術(shù)學(xué)科，涉及到專業(yè)理論和技術(shù)，比如系統(tǒng)分析、控制理論和計(jì)算方法等，當(dāng)在實(shí)際系

4、統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)研究比較困難，或者無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，仿真就必不可少了。系統(tǒng)仿真：即模型實(shí)驗(yàn)，建立在模型系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，指通過模型實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)已經(jīng)存在的或者正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的過程。?已存控制系統(tǒng)：–通過定量仿真分析與研究，找到系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。這樣，在系統(tǒng)不能按照預(yù)先期望的規(guī)律運(yùn)行時(shí)，便可通過對模型的分析，適當(dāng)?shù)馗淖兿到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其滿足規(guī)定性能的要求。?未存控制系統(tǒng)：–在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)之初，對于給定的被控對象及控制任務(wù)，可以借助仿真來預(yù)測設(shè)計(jì)思想和不同控制策略，而不招致建造系統(tǒng)所帶來的費(fèi)用浪費(fèi)，減少設(shè)計(jì)周期。1、仿真分析的意義?控制系統(tǒng)仿真分析的條件：?建

5、模?仿真分析工具?計(jì)算機(jī)仿真的基本內(nèi)容：1仿真分析的意義2建模的基本概念3建模的步驟4直流電機(jī)建模實(shí)例5MATLAB/SIMULINK簡介2建模的基本概念2.1數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述。微分方程式是表示系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的最基本的形式。2.2建立數(shù)學(xué)模型的意義?對具體的物理問題、工程問題從定性的認(rèn)識上升到定量的精確認(rèn)識的關(guān)鍵！?研究與分析一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，而且還要定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能。?仿真分析的基礎(chǔ)。2.3控制系統(tǒng)建模的方法?一是分析法，從物理或化學(xué)規(guī)律出發(fā)，建立數(shù)學(xué)模型并試驗(yàn)驗(yàn)證；?二是實(shí)驗(yàn)法，對系統(tǒng)或者元件加入一定形

6、式的輸入信號，用求取系統(tǒng)或元件的輸出響應(yīng)的方法，建立數(shù)學(xué)模型。?本次課采用分析法2.4建立數(shù)學(xué)模型的原則?理論上，沒有一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式能夠絕對準(zhǔn)確地描述一個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)椋碚撋先魏我粋€(gè)系統(tǒng)都是非線性的、時(shí)變的和分布參數(shù)的，都存在隨機(jī)因素，系統(tǒng)越復(fù)雜，情況也越復(fù)雜。?而實(shí)際工程中，為了簡化問題，常常對一些對系統(tǒng)運(yùn)動過程影響不大的因素忽略，抓住主要問題進(jìn)行建模，進(jìn)行定量分析，也就是說建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該在模型的準(zhǔn)確度和復(fù)雜度上進(jìn)行折中的考慮。2.4建立數(shù)學(xué)模型的原則?分析系統(tǒng)時(shí)，結(jié)果的準(zhǔn)確程度完全取決于數(shù)學(xué)模型對給定實(shí)際系統(tǒng)的近似程度。?如果簡化后的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)的模型出入很

7、大，那么模型也就失去了它應(yīng)有的作用。?但這決不意味著數(shù)學(xué)模型越復(fù)雜越好，一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型的建立，應(yīng)該在模型的準(zhǔn)確性和簡化性之間進(jìn)行折中。既不能過分強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性而使系統(tǒng)過于復(fù)雜，也不能片面追求簡化性而使分析結(jié)果與實(shí)際出入過大。2.5數(shù)學(xué)模型的種類?數(shù)學(xué)模型分為：時(shí)域模型復(fù)數(shù)域模型頻率域模型?時(shí)域模型:包括微分方程、差分方程和狀態(tài)方程；優(yōu)點(diǎn)：是在時(shí)間域中對控制系統(tǒng)進(jìn)行描述，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且可以提供系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的全部信息。缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜；難于找出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對控制系統(tǒng)性能影響的一般規(guī)律，無法找出改進(jìn)方案，不便