控制工程基礎(chǔ)精品課件

1、控制工程基礎(chǔ)第1頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第2頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第3頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第4頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第5頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第6頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第7頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第8頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第9頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第10頁，共161頁，2022

2、年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第11頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第12頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第13頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第14頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第15頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第16頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第17頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第18頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第19頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40

3、分，星期四第20頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四復(fù)阻抗無源網(wǎng)絡(luò)（補(bǔ)充:）第21頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第22頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第23頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第24頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第25頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四 瑞典裔美國通信工程師。1889年生于瑞典，1907年移居美國。 1914年北達(dá)科他大學(xué)電氣工程系理學(xué)士，1915年獲理學(xué)碩士，1917年獲耶魯大學(xué)物理系哲學(xué)博士。20年代以研究電話

4、傳輸問題聞名。 在19171934年任美國電話電報(bào)公司（AT&T）工程師期間的1932年發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋放大器穩(wěn)定性條件奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。據(jù)此，可以直接根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)來判定閉環(huán)的穩(wěn)定性。 奈奎斯特還是杰出的發(fā)明家，在美國就有 138項(xiàng)專利。 H.乃奎斯特（Nyquist）18891976：第26頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第27頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四兩個(gè)復(fù)平面（映射關(guān)系）：復(fù)自變量平面s =+j； 復(fù)變函數(shù)映射平面 G(j) = Re G(j) +j Im G(j) = Re()+j Im() = U()+j V() 第28頁，

5、共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四極坐標(biāo)圖兩種作圖方法：幅頻，相頻特性法實(shí)頻，虛頻特性法第29頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四幅頻，相頻特性法：直接用頻率特性定義繪制極坐標(biāo)圖： 0 之間選取若干（特殊）頻率； 計(jì)算 A(),()； 根據(jù)A(),()在G(j)平面中逐點(diǎn)作圖。第30頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四計(jì)算實(shí)頻和虛頻特性，繪制極坐標(biāo)圖實(shí)頻特性：虛頻特性：實(shí)頻，虛頻特性法：幅頻，相頻特性與實(shí)頻，虛頻特性換算關(guān)系：第31頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四典型六大環(huán)節(jié)：復(fù)習(xí):第32頁，共161頁，

6、2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第33頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第34頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第35頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第36頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第37頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四則極坐標(biāo)圖位于第4象限 實(shí)頻，虛頻特性作圖法：1/(Ts+1)第38頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四求一些特殊點(diǎn)的實(shí)頻、虛頻值 01（1/T) U（）11/20V（）01/20乃氏圖圓心 (1/2, 0)，半徑1

7、/2的圓作圖可得：G平面：第39頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四幅頻，相頻作圖法：極坐標(biāo)圖位于第4象限 第40頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第41頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第42頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第43頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四特殊點(diǎn)的幅頻、相頻值 與虛軸交點(diǎn)第44頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四極值判定公式：振蕩環(huán)節(jié)的諧振幅頻特性的極值：第45頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四諧振發(fā)生的

8、臨界條件 ：不存在極值，無諧振，單調(diào)減?。?諧振產(chǎn)生條件：極值判定公式：第46頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四 延遲環(huán)節(jié)極坐標(biāo)圖單位圓，從0變化，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)無窮多圈第47頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第48頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第49頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第50頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四補(bǔ)充例題：繪制如下系統(tǒng)頻率特性的 極坐標(biāo)圖 （閉環(huán)為振蕩環(huán)節(jié)的開環(huán)）解：第51頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四特殊點(diǎn)的幅頻、

9、相頻值 第52頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四實(shí)頻，虛頻特性法：第3象限第53頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第54頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第55頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第56頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四一般情況：第57頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第58頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四低頻漸近特性方程：第59頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第60頁，共161頁，20

10、22年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第61頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四高頻漸近特性方程：高頻漸近特性曲線：n - m = 0 高頻漸近線位置：正實(shí)軸順時(shí)針穿越n m象限趨于原點(diǎn)第62頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四低頻，高頻漸近特性的適用性：適用于最小相位系統(tǒng)不完全適用于非最小相位系統(tǒng) 非最小相位環(huán)節(jié)（系統(tǒng)）：s右半平面有開環(huán)零點(diǎn)或極點(diǎn)的環(huán)節(jié)（系統(tǒng)） 非最小相位系統(tǒng)的低頻，高頻有漸近特性具體分析第63頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四適用于最小相位系統(tǒng)：實(shí)例慣性環(huán)節(jié)，振蕩環(huán)節(jié)，補(bǔ)充例題（閉環(huán)為振蕩環(huán)節(jié)的開環(huán)）第6

11、4頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四不完全適用于非最小相位系統(tǒng)：實(shí)例高頻漸近特性曲線不適用：低頻漸近特性曲線適用：非最小相位系統(tǒng)名稱由來低頻不適用；高頻適用第65頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第66頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四與實(shí)軸交點(diǎn)：v = 0 例繪制極坐標(biāo)圖:（ = - +），實(shí)頻，虛頻法，幅頻相頻法，特定 = 0+ ，GH(j) = -K(1+2) + j (-) = ，GH(j) = 0- + j0低頻漸近線：高頻漸近線：第67頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四0-K(1+2)

12、+ j (-)第68頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第69頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四回顧：極坐標(biāo)圖的重要性： 乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的基礎(chǔ)極坐標(biāo)圖的局限性：（1）繪制極坐標(biāo)圖比較麻煩；（2）在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加零點(diǎn)、極點(diǎn)，頻率特性需重新計(jì)算，極坐標(biāo)圖需重新繪制；（3）在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加零點(diǎn)或極點(diǎn)的作用，增加前后的效果比較很難從極坐標(biāo)圖中得到體現(xiàn)。針對(duì)極坐標(biāo)圖的局限性，出現(xiàn)了對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖伯德圖。 伯德圖引言第70頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第71頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四Hendrik Wa

13、de Bode (伯德) b. December, 24, 1905, in Madison, Wisconsin, U.S.A., d. June 21, 1982, U.S.A.Hendrik Wade Bode contributed to electrical engineering and systems design. He received patents for transmission networks, transformer systems, electrical wave amplification, broadband amplifiers, and artiller

14、y炮兵 computing. However, his name is mainly remembered because of Bode plot used in impedance阻抗 analysis named after him.He received his B.A. Degree in 1924 from Ohio State University and his M.A. Degree from the same institution in 1926. During this time, he was a teaching assistant for one year. Co

15、ming immediately to Bell Telephone Laboratories, he began his career with electric filter and equalizer補(bǔ)償器 design. Three years later, in 1929, he transferred to the Mathematical Research Group, where he specialized in research pertaining有關(guān) to electrical networks theory and to its application to long

16、 distance communication facilities. While employed at Bell Laboratories, he attended Columbia University Graduate School, and received the Ph.D. Degree in 1935. H.W. Bode in 1938 used the magnitude and phase frequency response plots of a complex function. He investigated closed-loop stability using

17、the notions概念 of gain and phase margin. 第72頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第73頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第74頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第75頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四伯德圖的優(yōu)越性： (1) 頻率對(duì)數(shù)刻度可同等分辨率描述從低頻到高頻各頻段的頻率特性（線性分度難以描述低頻段），即提高低頻特性的分辨率； (2) 對(duì)數(shù)幅值（分貝）幅頻乘除簡(jiǎn)化為加減；分貝值線性刻度便于典型環(huán)節(jié)幅頻曲線疊加為系統(tǒng)幅頻特性曲線； (3)典型環(huán)節(jié)幅頻（相頻

18、）近似曲線（折線）疊加為系統(tǒng)頻率特性近似曲線方便；精確曲線系統(tǒng)近似曲線+修正。第76頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖伯德圖（曲線）頻率對(duì)數(shù)刻度頻率對(duì)數(shù)刻度相頻特性線性刻度幅頻特性幅值對(duì)數(shù)dBL()線性刻度第77頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四頻率對(duì)數(shù)刻度的優(yōu)越性：線性刻度：描述0.010.1, 0.11, 110頻率特性，困難。第78頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四頻率在坐標(biāo)圖中距頻率0的距離L10倍頻程的長度伯德圖中橫坐標(biāo)上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率？頻率在伯德圖中橫坐標(biāo)上的位置？?jī)蓚€(gè)問題的答案：伯德圖讀，

19、畫的兩個(gè)重要問題：第79頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第80頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第81頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第82頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四(3) 微分環(huán)節(jié)第83頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四多重積分、微分環(huán)節(jié)伯德圖1積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)第84頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四傳遞函數(shù)互為倒數(shù)的典型環(huán)節(jié)伯德圖關(guān)系：結(jié)論：幅頻曲線關(guān)于0dB線對(duì)稱； 相頻曲線關(guān)于0線對(duì)稱。1積分，微分環(huán)節(jié)伯德圖對(duì)稱性涉及：積分環(huán)節(jié)，微

20、分環(huán)節(jié)； 慣性環(huán)節(jié)，一階微分環(huán)節(jié)； 振蕩環(huán)節(jié)，二階微分環(huán)節(jié)。第85頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第86頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第87頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四慣性環(huán)節(jié)伯德圖近似曲線相頻近似曲線：轉(zhuǎn)角（交接）頻率轉(zhuǎn)角（交接）頻率相頻近似曲線幅頻近似曲線第88頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四慣性環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)幅頻、相位角的精確值和近似值 = T 第89頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四0.52慣性環(huán)節(jié)精確伯德圖：精確公式計(jì)算；近似曲線+誤差曲線（修正）第90頁，

21、共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第91頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第92頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四幅頻曲線：與慣性環(huán)節(jié)關(guān)于0dB線對(duì)稱；相頻曲線：與慣性環(huán)節(jié)關(guān)于0線對(duì)稱。包括：精確曲線，幅頻、相頻特性近似曲線第93頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第94頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第95頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四二階環(huán)節(jié)伯德圖近似曲線，0.11幅頻近似曲線相頻近似曲線第96頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星

22、期四二階微分環(huán)節(jié)伯德圖：幅頻曲線：與二階振蕩環(huán)節(jié)關(guān)于0dB線對(duì)稱；相頻曲線：與二階振蕩環(huán)節(jié)關(guān)于0線對(duì)稱。包括：精確曲線，幅頻、相頻特性近似曲線第97頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第98頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第99頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第100頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四系統(tǒng)幅頻特性各典型環(huán)節(jié)的幅頻特性之積伯德圖采用對(duì)數(shù)幅頻特性的優(yōu)越性對(duì)數(shù)座標(biāo)圖上：系統(tǒng)幅頻特性各典型環(huán)節(jié)的幅頻特性之和相加方便，近似曲線更方便第101頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，

23、星期四系統(tǒng)相頻特性各典型環(huán)節(jié)的相頻特性相加對(duì)數(shù)座標(biāo)圖上容易相加，近似曲線更方便第102頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第103頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第104頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第105頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第106頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第107頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第108頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第109頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，

24、星期四第110頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第111頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第112頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第113頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第114頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第115頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第116頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第117頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第118頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四

25、第119頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第120頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第121頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第122頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第123頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第124頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第125頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第126頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第127頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第128頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第129頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第130頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第131頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第132頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第133頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第134頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，星期四第135頁，共161頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)40分，