控制工程基礎(chǔ)總復(fù)習(xí)課件

1、l 基本概念控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)第一章第一章 控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念 自動(dòng)控制在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象的被控量自動(dòng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。 負(fù)反饋控制原理反饋：全部或部分輸出量通過(guò)測(cè)量裝置返回 系統(tǒng)的輸入端。反饋控制原理：檢測(cè)偏差再糾正偏差?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí) 基本控制方式開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制 控制系統(tǒng)的組成控制裝置被控對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)校正元件執(zhí)行元件放大元件比較元件測(cè)量元件給定元件控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 控制系統(tǒng)的分類按輸入量特征：恒值控制系統(tǒng) (鎮(zhèn)定系統(tǒng)) 、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng) (伺服) 系統(tǒng)按信號(hào)性質(zhì)：連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)其它：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)

2、和時(shí)變系統(tǒng)機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)、準(zhǔn)、快l 學(xué)習(xí)要求 理解和掌握負(fù)反饋控制的基本原理； 了解控制系統(tǒng)的組成與分類； 能正確確定控制系統(tǒng)的被控對(duì)象、被控量 與給定量； 掌握由系統(tǒng)工作原理圖繪制功能框圖的方 法。控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)l 基本概念第二章第二章 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程描述控制系統(tǒng)輸入與輸出間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)：滿足疊加原理的系統(tǒng)。)()()(2121xfxfxxf疊加原理： 非線性系統(tǒng)的線性化泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)、滑動(dòng)線性化（切線法）控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 拉氏變換與反變換設(shè)

3、函數(shù)f(t) (t0)在任一有限區(qū)間上分段連續(xù)，且存在一正實(shí)常數(shù)，使得：0)(limtfett0)()()(dtetftfLsFst0,)(21)()(1tdsesFjsFLtfjjst式中：s=+j（，均為實(shí)數(shù)）；則：控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 傳遞函數(shù)在零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比。 零初始條件： t 0，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)正穿越：增大時(shí)，Nyquist曲線由上而下穿 過(guò)-1 - 段實(shí)軸。負(fù)穿越：增大時(shí)，Nyquist曲線由下而上穿 過(guò)-1 - 段實(shí)軸。半次穿越：開(kāi)環(huán)Nyquist曲線起始于或終止于 -1 - 段實(shí)軸。

4、控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判據(jù)若系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)存在 q 個(gè)位于右半s平面的特征根，則當(dāng)在 L()0 的所有頻率范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)相頻特性曲線() ( 含輔助線 ) 與 -180 線的正負(fù)穿越次數(shù)之差等于q/2時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)不穩(wěn)定?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí) 穩(wěn)定裕量q 增益(幅值)裕量)()(1)(1ggggjHjGAK)()(lg20)(1lg20)(ggggLAAdBKq 相位裕量 (c)180 (c)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)均穩(wěn)定的系統(tǒng)，必然有：Kg 0dB 且 (c) 0 控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 閉環(huán)頻率特性 頻域性能指標(biāo)零頻幅值M0、諧振頻率r與諧振峰值Mr、截止頻率b與帶寬、剪切率等 頻域指標(biāo)

5、與時(shí)域指標(biāo)的關(guān)系 開(kāi)環(huán)頻率特性與閉環(huán)性能的關(guān)系開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的低、中、高頻段分別表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾的能力?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí)l 學(xué)習(xí)要求 掌握頻率特性的物理意義即運(yùn)用頻率特性求 正弦輸入下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法； 掌握近似繪制Nyquist圖和Bode圖的方法； 掌握頻域穩(wěn)定判據(jù)并能熟練運(yùn)用； 掌握穩(wěn)定裕量的計(jì)算方法； 理解閉環(huán)頻率特性的基本知識(shí)和頻域性能指 標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)間的一般關(guān)系； 了解實(shí)驗(yàn)確定傳遞函數(shù)的方法，能熟練根據(jù) Bode圖獲得系統(tǒng)傳遞函數(shù)；控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) Nyquist圖的繪制 l 本章難點(diǎn) 穩(wěn)定裕量的求解 q g的計(jì)算牛頓迭代法：令：f() () + = 0 ()單位為

6、rad)()(kkkffkkk1控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)q c的近似計(jì)算寫(xiě)出對(duì)數(shù)幅頻特性曲線在各個(gè)頻段的漸 近線方程1121121211)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)(KKKKKkkkAAAAAL控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)按順序求各漸近線20lgAk()與0dB線的交點(diǎn)頻率k*；若k-1k*k，則c = k*?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí)l 基本概念第五章第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 校正方式串聯(lián)校正、并聯(lián)校正、復(fù)合校正 PID控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響 tdtdTdTtKtudtip01sTsTKssUsGdipc11)()()(控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)

7、 滯后(近似PI)、超前(近似PD)、滯后超前(近似PID)控制規(guī)律的特點(diǎn)。 頻域校正方法 q 工程最優(yōu)系統(tǒng)模型q 超前校正 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益，并獲得 此開(kāi)環(huán)增益下未校系統(tǒng)的性能指標(biāo)；控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 根據(jù)c或 (c)的要求，確定m = c及i；若可以先確定c，則由：0lg20cicmcLLLiT1若不能預(yù)先確定c，則由：15510m獲得m，再由：immisin1sin1控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 驗(yàn)算并確定元件值。若不滿足要求，則需要 重復(fù)上述過(guò)程；0lg20cicmcLLLc (m)T1q 滯后校正 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益，并獲得此 開(kāi)環(huán)增益下未校系統(tǒng)的性能指標(biāo)；控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)

8、根據(jù) (c) 的要求，確定校正后系統(tǒng)的幅值 穿越頻率c，要求：(c) -180 + (c) +(515)其中， 515為滯后校正裝置在c處所引起的相位滯后的補(bǔ)償量。 根據(jù)20lgj L(c) ，確定j；控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 選擇滯后校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率： 驗(yàn)算并確定元件值。若不滿足要求，則需要 重復(fù)上述過(guò)程；cT10121122或根據(jù)允許的相角滯后量選擇T2，即：)155()(22TarctgTarctgjcccc其中，相位滯后的補(bǔ)償量(515)需與確定c時(shí)選擇的補(bǔ)償量相同?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí)q 滯后超前校正 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定開(kāi)環(huán)增益，并獲得此 開(kāi)環(huán)增益下未校系統(tǒng)的性能指標(biāo)； 選擇新的幅值穿越頻率

9、c，使其滿足： 在c處可以通過(guò)校正裝置所提供的相角超 前量使系統(tǒng)滿足相位裕量的要求； 在c處可以通過(guò)校正裝置滯后部分的作用 使原幅頻特性衰減到0dB； 滿足響應(yīng)速度的要求；一般可選擇原系統(tǒng)的相位穿越頻率g作為c。控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 根據(jù)最大超前角的要求，確定； 確定滯后部分的轉(zhuǎn)折頻率：cT10121122最大超前角：)155()(180)(ccm其中， 515為校正裝置滯后部分在c處引起的相位滯后的補(bǔ)償量。控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)或由允許的相角滯后量選擇T2：)155()(22TarctgTarctgcccc其中，相位滯后的補(bǔ)償量(515)需與確定 時(shí)選擇的補(bǔ)償量相同。 確定超前部分的轉(zhuǎn)折頻率：過(guò)(c

10、，-L(c)點(diǎn)，作斜率為+20dB/dec 的直線(滯后超前裝置超前部分的漸近線)。該直線與0dB線以及-20lg線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)即為超前部分的高、低轉(zhuǎn)折頻率?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí) 驗(yàn)算并確定元件值。若不滿足要求，則需要 重復(fù)上述過(guò)程；0)()(cccLL或直接根據(jù)，解得T1；201lglg)lg20()(1TLcc20lglg0)(1TLcc或即由下面的漸近線方程確定T1?？刂乒こ袒A(chǔ)復(fù)習(xí) 反饋校正與復(fù)合校正 l 學(xué)習(xí)要求 掌握PID校正裝置的頻率特性及其特點(diǎn)； 對(duì)給定系統(tǒng)，能正確選擇校正裝置； 掌握串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)方法； 理解反饋校正、復(fù)合校正的設(shè)計(jì)方法；l 本章難點(diǎn)校正裝置的選擇及參數(shù)確定?？刂?/p>

11、工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)l 基本概念第六章第六章 線性離散系統(tǒng)與線性離散系統(tǒng)與z變換變換 信號(hào)采樣及恢復(fù))()()()()()()(00*ttxnTttxnTtnTxtxTnn采樣定理：s 2max（或：fs 2fmax）零階保持器：sesGTsh1)(控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) z變換與反變換0ln1*)()()(nnzTsznTxsXzXz變換方法：級(jí)數(shù)求和、部分分式法、留數(shù)計(jì)算法等z反變換方法：長(zhǎng)除法、部分分式法、留數(shù)計(jì)算法等控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 差分方程)() 1() 1()()() 1() 1()(11011kxbkxbmkxbmkxbkyakyankyankymmnn)() 1() 1()()() 1()

12、1()(11011mkxbmkxbkxbkxbnkyankyakyakymmnn或： 脈沖傳遞函數(shù)0)()()()()(kkiozkTgkTgzzXzXzGG(z) = Zg(t) = ZL-1G(s) = ZG(s)控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)不一定能求出。 離散系統(tǒng)分析q 動(dòng)態(tài)性能q 穩(wěn)態(tài)誤差)() 1(lim)(1zEzez若(z-1)E(z)的全部極點(diǎn)位于z平面的單位圓內(nèi)，則：控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)q 穩(wěn)定性分析充要條件：閉環(huán)極點(diǎn)位于z平面單位圓內(nèi)部判據(jù)：勞斯判據(jù)雙線性變換（w變換）：1111zzworwwz1111zzworwwz或者：控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí) 數(shù)字控制器與離散PID控制(t)*(t)xo(t)s1D(z)xi(t)s2G(s)u*(t)(1)()()(zzGzzD)()()(1)(zGzzzD或mnzazzbzDniininmjjmj10)(物理可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器：控制工程基礎(chǔ)復(fù)習(xí)數(shù)字PID控制算法： ) 1()()()(10kkKjKk