机自专业导论⑷：系统、信号与控制

2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]1题记在这个世界上，有许多高深的理论其实就发源于我们司空见惯、熟视无睹的日常生活里。任何理论，如果不用于解决实际问题，这种理论再好也是没有实际意义的。学习是基础，思考是关键，实践是根本。4.系统、信号与控制09级专业导论⑷2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]34.1系统的概念2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]44.1.1系统的概念由相互联系、相互制约、相互依存的事物（元素）结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体原因激励输入效果响应输出存在某种因果关系的物理元件的集合系统环境2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]54.1.2系统构成三要素物质构成系统的形体系统的运动离不开能量信息则是系统的灵魂能量信息从信息论的观点出发，任何系统的组成都包括物质、能量、信息三个要素。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]64.1.3系统描述三要素实体组成系统的具体事物系统的参数、状态状态随时间的变化规律属性运动尽管世界上的系统千差万别，但人们总结出描述系统“三要素”，即实体、属性、活动。也是需要研究的三个方面。确定了系统的构成，也就确定了系统的边界。属性也称为描述变量，描述每一实体的特征，即状态和参数。定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程，即对象随时间推移而发生的状态变化。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]7系统描述三要素⑵e(t)uc(t)i(t)R、L、C；激励e(t)实体属性运动电荷q(t)、电流i(t)；R、L、C和激励e(t)的数值。i(t)的变化（运动）规律；uc(t)的变化（运动）规律。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]84.1.4系统的四大特性整体性相关性目的性各个部分之间按一定的规律相互联系、相互作用，表现为某一个子系统从其他的子系统接受输入，从而产生有用的输出作用，该子系统的输出又可能是另一个子系统的输入。系统的关联性主要表现为每个环节之间的信息流动（转换、传递）和信息反馈作用。设计或综合一个系统是为了实现预先的目的，即系统具有目的性。动态性系统的目的性表现在两个方面：一是系统要完成特定的功能；二是在完成基本功能的同时要使系统达到最优化。系统蓄能元件之间存在能量交换或者说存在信息交换，因而产生动态过程。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]94.1.5系统分类静态系统和动态系统确定系统和随机系统连续系统和离散系统系统的其他分类方法线性系统、非线性系统定常系统、时变系统集中参数系统、分布参数系统单变量系统、多变量系统2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]104.2关于信息、信号从物理学的观点看，信息既不是物质，也不具有能量，信息就是信息。信息是事物客观存在或运动状态的特征信息是知识的内涵信息是宇宙物质和运动的不均匀性的度量。（包括人脑的思维运动）2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]114.2.2信号信息寓于信号之中，信号是传输信息的载体或者说信号是信息的表现形式，它是信息传输的客观对象，而信息则是信号的具体内容。信号是含有能量的物质，具有可观测性在工程领域中，广义地说，我们使用的随时间变化的物理量就是信号。信息的传递一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号（光信号、声信号、电信号、文字、图象等）才能进行远距离快速传输和进行各种处理。因此：由于信号是随时间而变化的，在数学上可以用时间t的函数f(t)来表示。因此，“信号”“函数”通用。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]124.2.3信号的特性描述：时间特性信号可以写成数学表达式，即时间t的函数，它具有一定的波形，因而表现出一定波形的时间特性。出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化的快慢等。时间特性2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]13信号的特性描述：频率特性任意信号都可以分解为许多不同频率的正弦分量，即具有一定的频率成分，因而表现为一定波形的频率特性：如含有哪些大小不同频率分量？主要频率分量分布在哪些不同的频率范围？等等。信号处理方法2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]144.2.3信号的分类确定信号（determinatesignal）和随机信号（randomsignal）连续信号（continuoussignal）和离散信号（discretesignal）周期信号（periodicsignal）和非周期信号（aperiodicsignal）能量信号（energysignal）、非能量信号和功率信号（powersignal）、非功率信号2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]15确定信号和随机信号随机信号(randomsignal)则与之不同，它不是一个确定的时间函数，通常只知道它取某一数值的概率，如噪音信号等。按时间函数的确定性划分，信号可分为确定信号和随机信号两类。确定信号(determinatesignal)是指一个可以表示为确定的时间函数的信号。对于指定的某一时刻，信号有确定的值。如我们熟知的正弦信号、周期脉冲信号等。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]16连续信号和离散信号离散信号是指只在某些不连续规定的时刻有定义，而在其他时刻没有定义的信号。通常用f(tk)或f(kT)[简写f(k)]表示，如图1—2所示。图中信号f(tk)只在tk＝－2，－l，0，l，2，3，…等离散时刻才给出函数值。按照函数时间取值的连续性划分，确定信号可分为连续时间信号和离散时间信号，简称连续信号和离散信号。连续信号是指在所讨论的时间内，对任意时刻值除若干个不连续点外都有定义的信号，通常用f(t)表示，如图1—l所示。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]17周期信号和非周期信号f(t)＝f(t＋nT)n＝0，±l，±2，…;T值称为信号的周期按信号的周期性划分，确定信号又可以分为周期信号与非周期信号。周期信号(periodicsignal)是指一个每隔一定时间T，周而复始且无始无终的信号，它们的表达式可写为只要给出此信号在任一周期内的变化过程，便可确知它在任一时刻的数值。非周期信号（aperiodicsignal）在时间上不具有周而复始的特性。非周期信号也可以看作为一个周期T趋于无穷大时的周期信号。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]18能量信号和功率信号按时间函数的可积性划分，信号可以分为能量信号，功率信号和非功率非能量信号。信号可看作是随时间变化的电压或电流，信号f(t)在l欧姆的电阻上的瞬时功率为│f(t)│2，在时间区间（－∞，∞）所消耗的总能量定义为：TTTdttfE2)(lim其平均功率定义为：TTTdttfP2)(21lim若信号f(t)的能量有界，即0＜E＜∞，此时P＝0，则称此信号为能量有限信号，简称能量信号（energysignal）。若信号f(t)的功率有界，即0＜P＜∞，此时E＝∞，则称此信号为功率有限信号，简称功率信号（powersignal）。信号f(t)可以是一个既非功率信号，又非能量信号，如单位斜坡信号就是一个例子。但一个信号不可能同时既是功率信号，又是能量信号。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]194.2.5信号的运算2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]204.2.6信号的测试与提取被测对象传感器信号调理激励装置反馈控制信号分析显示记录测量装置信号调理器：信号转换、放大、调制与解调、滤波等处理信号分析仪：对信号进行滤波、各种运算、分析等，以获得有用的特征信息。提供人的知觉能够理解的信息根据需要，使被测对象产生表征其特征的信号（信息）。标定装置测量电路计算机系统2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]21机械结构动态特性的测试2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]224.2.7信号分析与信号处理信号分析信号处理主要是从信号中提取人们关心的信息，描述系统行为的特征量。目的是描述研究对象，识别、估计、预报、控制等。主要在于解决信号如何存储、传输、增强等问题。模拟量（A）数字量（D）离散、量化采样模拟量（A）A/D转换恢复D/A转换信号分析与信号处理是既相互关联又相互区别的两个概念。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]23相关课程设置测试技术基础传感器工程学自动测试系统信号分析与处理2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]244.3动力传动系统何谓传动？传动装置就是传递能量的装置。所谓传动就是指能量（动力）由原动机向工作执行装置的传递，通过各种不同的传动方式，将原动机的转动变为执行装置的各种不同形式的运动形式。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]254.3.1三大传动技术静态系统：动力传动系统机械传动电气传动磁力传动流体传动液压传动气压传动齿轮传动交流电动机直流电动机步进电机螺旋传动皮带传动液力传动链轮传动2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]264.3.2传动系统的基本组成动力元件传动元件执行元件操纵元件辅助装置功率功率输出能量传动装置的基本功用是：变换动力装置的性能参数、扩大动力装置的性能范围以适应执行机构各种工况的需要。动力装置的性能往往满足不了执行机构各种工况的要求，这一矛盾由传动装置来解决。实现能量的转换实现各种运动并做功2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]27机械传动系统示例2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]284.3.3传动系统的基本问题传递效率问题传动系统的设计速度—负载特性能量传递、转换基本原理传动系统的工作原理速度调整功率参数控制运动方向控制主要性能分析2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]294.3.4传动系统的动力学特性特性参数质量、转动惯量摩擦阻尼刚度自然频率谐振频率间隙非线性2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]30相关课程机械原理、机械设计电工与电子技术液压与气压传动机电传动控制2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]314.4动态系统与动力学系统动力学是讨论动态系统的数学模型和响应分析。动态系统输入输出效果将叫做响应或输出原因将称为激励或输入输入、输出、系统三者之间的关系2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]324.4.1系统模型物理模型数学模型模型系统的某种特定的性能的一种抽象形式系统模型的实质用某种形式来近似地描述或模拟所研究的对象或过程。模型可以描述系统的本质和内在的关系。通过对模型的分析和研究，达到了解原系统的目的。缩尺模型、物理性质相似模型、样机用其他现象或过程来描述所研究的现象或过程。描述系统特性的数学表达式通过对系统数学模型的研究可以揭示系统的内在运动规律和系统的动态特性。2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]334.4.2建立系统的数学模型从本质上讲，系统模型是把物理学定律应用于各元件并且考虑到它们之间的联系方式而建立的。建模系统构成元件机械系统：质量（m）、粘性摩擦（B）、弹性（K）电系统：电感（L）、电阻（R）、电容（C）建模方法机理法实验法2020/2/25机电学院容一鸣[e-mail]34机理法建模：电系统)()(1)(teteRtioitodttiCte0)(1)()()()(tetetedtdTiooRCTtToietette11)(),(1)(632.01)(,1eTeTtoTeTtedtdt