控制工程基礎(chǔ)課程總結(jié)演示文稿

控制工程基礎(chǔ)課程總結(jié)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)控制工程基礎(chǔ)課程總結(jié)當(dāng)前第2頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)控制系統(tǒng)《控制工程基礎(chǔ)》課程的基本內(nèi)容控制系統(tǒng)的概念控制系統(tǒng)的組成工作原理控制系統(tǒng)的分類(lèi)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性準(zhǔn)確性快速性時(shí)域分析法頻域分析法校正PID校正常用校正方式超前校正滯后——超前校正滯后校正數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)框圖化簡(jiǎn)建立的方法當(dāng)前第3頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入，單輸出線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。

以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入，多輸出、時(shí)變參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線(xiàn)性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。自動(dòng)控制理論當(dāng)前第4頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)一、控制系統(tǒng)的概念1.工作原理：首先檢測(cè)輸出量的實(shí)際值，將突際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值,再用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)信號(hào)去消除偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定元件、檢測(cè)元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及被控對(duì)象等組成。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成：3.反饋的概念輸出量通過(guò)檢測(cè)裝置將信號(hào)返回輸入端，并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程。當(dāng)前第5頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)4.控制系統(tǒng)的分類(lèi)（1）按系統(tǒng)有無(wú)反饋分——開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）按系統(tǒng)輸入量的特征分——恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)（3）按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分——連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)當(dāng)前第6頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)工作原理：浮子檢測(cè)實(shí)際水位，反饋到控制器并與希望水位比較得偏差，根據(jù)偏差大小控制電動(dòng)閥門(mén)從而控制水箱的水位，糾正偏差。當(dāng)前第7頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)二、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求是穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。其分析方法為時(shí)域分析法、頻域分析法（一）分析基礎(chǔ)1．?dāng)?shù)學(xué)模型的建立（1）什么叫數(shù)學(xué)模型？描述系統(tǒng)輸入、輸出量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。（2）數(shù)學(xué)模型的建模方法有：分析法、實(shí)驗(yàn)法當(dāng)前第8頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)2．拉氏變換與反變換（1）典型函數(shù)的拉氏變換（2）拉氏變換定理常用的典型輸入信號(hào)及其拉氏變換當(dāng)前第9頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)拉氏變換的主要定理

疊加定理

齊次性：L[af(t)]=aL[f(t)]，a為常數(shù)；疊加性：L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)]

a，b為常數(shù)；

微分定理

積分定理當(dāng)前第10頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)

初值定理

終值定理求解拉氏反變換的部分分式法系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

輸入、輸出的初始條件為零，線(xiàn)性定常系統(tǒng)（環(huán)節(jié)或元件）的輸出的Laplace變換與輸入的Laplace變換之比，稱(chēng)為該系統(tǒng)（環(huán)節(jié)或元件）的傳遞函數(shù)G(S)。當(dāng)前第11頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)3．方框圖簡(jiǎn)化（1）串聯(lián)連接（2）并聯(lián)連接（3）反饋連接

方框圖的等效變換法則

求和點(diǎn)的移動(dòng)

引出點(diǎn)的移動(dòng)注意：分支點(diǎn)和相加點(diǎn)之間不能相互移動(dòng)。當(dāng)前第12頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)

比較點(diǎn)移動(dòng)示意圖

當(dāng)前第13頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)

分支點(diǎn)移動(dòng)示意圖

當(dāng)前第14頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)H1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2(s)BH2(s)A解：1、A點(diǎn)前移；H1(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2(s)Xo(s)H2(s)G3(s)例：當(dāng)前第15頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)2、消去H2(s)G3(s)反饋回路H1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)當(dāng)前第16頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)3、消去H1(s)

反饋回路H3(s)Xi(s)Xo(s)4、消去H3(s)

反饋回路Xi(s)Xo(s)當(dāng)前第17頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)（二）時(shí)域分析法1．何謂時(shí)間響應(yīng)？2．一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)（1）一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)（2）一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)輸入信號(hào)：輸出：輸入信號(hào)：輸出：當(dāng)前第18頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)（3）一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)輸入信號(hào)：輸出：系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)。系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)積分的響應(yīng)等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的積分，其積分常數(shù)由初始條件確定。

時(shí)間常數(shù)T反映了一階慣性環(huán)節(jié)的固有特性，其值越小，系統(tǒng)慣性越小，響應(yīng)越快。當(dāng)前第19頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)4．二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)1Mptrtpts0txo(t)允許誤差=0.05或0.02上升時(shí)間：峰值時(shí)間：調(diào)整時(shí)間：最大超調(diào)量：快速性平穩(wěn)性（1）阻尼比ξ的大小→特征根的性質(zhì)（2）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)欠阻尼狀態(tài)：響應(yīng)曲線(xiàn)以ωd為頻率的衰減振蕩曲線(xiàn)，且隨ξ

的減小、振蕩振幅增大。臨界阻尼狀態(tài)：無(wú)振蕩、無(wú)超調(diào)的單調(diào)上升曲線(xiàn)。過(guò)阻尼狀態(tài)：無(wú)振蕩、無(wú)超調(diào)的單調(diào)上升曲線(xiàn)。二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)式當(dāng)前第20頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)（2）穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算

一般方法

穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)法

00II型0I型0型單位加速度輸入單位速度輸入單位階躍輸入系統(tǒng)類(lèi)型5．穩(wěn)態(tài)誤差（1）穩(wěn)態(tài)誤差的概念輸出實(shí)際值與期望值之差。穩(wěn)態(tài)誤差

是系統(tǒng)誤差信號(hào)的穩(wěn)態(tài)值，即：穩(wěn)態(tài)誤差取決于G(s)H(s)—系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)及輸入信號(hào)當(dāng)前第21頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)（1）穩(wěn)定性的概念（什么叫穩(wěn)定性）

穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。（2）系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件不論系統(tǒng)特征方程的特征根為何種形式，線(xiàn)性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：所有特征根均為負(fù)數(shù)或具有負(fù)的實(shí)數(shù)部分；即：所有特征根均在復(fù)數(shù)平面——[s]平面的左半平面。6．穩(wěn)定性分析系統(tǒng)在多個(gè)信號(hào)共同作用下總的穩(wěn)態(tài)偏差（誤差）等于多個(gè)信號(hào)單獨(dú)作用下的穩(wěn)態(tài)偏差（誤差）之和。如：總的穩(wěn)態(tài)偏差：當(dāng)前第22頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)（3）勞斯判據(jù)勞斯陣列中第一列所有元素的符號(hào)均為正號(hào)。穩(wěn)定性是系統(tǒng)自身的固有特性，它只取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與初始條件、外作用無(wú)關(guān)；穩(wěn)定性只取決于系統(tǒng)極點(diǎn)（特征根），而于系統(tǒng)零點(diǎn)無(wú)關(guān)。（三）頻域分析法1.頻率響應(yīng)及頻率特性穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，稱(chēng)為頻率響應(yīng)。線(xiàn)性穩(wěn)定系統(tǒng)在正弦信號(hào)作用下，當(dāng)頻率從零變化到無(wú)窮時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的幅值比、相位差隨頻率變化的特性，稱(chēng)為頻率特性。（包括幅頻特性、相頻特性）當(dāng)前第23頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)2.頻率特性的求取方法3.頻率特性的圖解方法（1）極坐標(biāo)圖（Nyquist圖）以頻率為參變量，在復(fù)平面上，畫(huà)出ω由0→∞時(shí)的向量G(jω)的端點(diǎn)連線(xiàn)圖。主要用于判定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（2）對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（Bode圖）它由兩張圖組成：對(duì)數(shù)幅頻特性、對(duì)數(shù)相頻特性。對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)(波德圖)，工程上采用簡(jiǎn)便作圖法，即利用對(duì)數(shù)運(yùn)算的特點(diǎn)和典型環(huán)節(jié)的頻率特性繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸近特性。已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，令s=jω，可得系統(tǒng)的頻率特性。當(dāng)前第24頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)繪制系統(tǒng)Nyquist圖的基本步驟當(dāng)前第25頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)繪制開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)曲線(xiàn)的步驟如下：1、把傳遞函數(shù)化為標(biāo)準(zhǔn)式，即化為典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)乘積；2、求出各典型環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；3、將轉(zhuǎn)折頻率按由小到大順序在選定的坐標(biāo)圖上沿頻率軸標(biāo)出4、畫(huà)出對(duì)數(shù)幅頻特性的低頻漸近線(xiàn)，斜率為在處，5、在每個(gè)轉(zhuǎn)折頻率處改變漸近線(xiàn)的斜率；因子的轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng)時(shí)，

分段直線(xiàn)斜率的變化量為因子的轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng)分段直線(xiàn)斜率的變化量為時(shí)，n為極點(diǎn)數(shù)，m為零點(diǎn)數(shù)

高頻漸近線(xiàn)，其斜率為因子的轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng)時(shí)，

分段直線(xiàn)斜率的變化量為當(dāng)前第26頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)4.頻域穩(wěn)定性判據(jù)如果系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

有

個(gè)右極點(diǎn)，且的半葉奈氏曲線(xiàn)以逆時(shí)針?lè)较虬鼑c(diǎn)的圈數(shù)為N=，那么，系統(tǒng)閉環(huán)一定是穩(wěn)定的;5.穩(wěn)定性裕量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且還希望系統(tǒng)具備適當(dāng)?shù)牡姆€(wěn)定性?xún)?chǔ)備——即裕量。習(xí)慣上用相位裕量和幅值裕量來(lái)表征開(kāi)環(huán)幅相曲線(xiàn)接近臨界點(diǎn)的程度，作為系統(tǒng)穩(wěn)定程度的度量。相位裕量幅值裕量當(dāng)前第27頁(yè)\共有28頁(yè)\編于星期三\1點(diǎn)三、控制系統(tǒng)的綜合校正