《自動控制原理》胡壽松-總結(jié)與復習課件

《自動控制原理》

——總結(jié)與復習

核科學與技術學院王俊玲wangjunling@1《自動控制原理》

——總結(jié)與復習

1第一章緒論一、自動控制的基本概念定義、應用概況自動控制系統(tǒng)被控對象、控制裝置、檢測裝置、輸入信號（參考輸入，擾動輸入）控制裝置被控對象給定輸入輸出量擾動擾動控制量反饋檢測裝置第一章緒論一、自動控制的基本概念定義、應用概況自動控制系統(tǒng)2二、自動控制的基本方式1、開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制特點：沒有反饋信息，信號單向傳遞。缺點：抗干擾能力差，控制精度低。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)造、成本低?？刂蒲b置受控對象輸入量輸出量擾動二、自動控制的基本方式控制裝置受控對象輸入量輸出3閉環(huán)控制特點：獲取反饋信息，信號傳遞形成閉合回路，

一般采用按偏差的負反饋控制。優(yōu)點：抗擾性好，控制精度高；缺點：結(jié)構(gòu)更復雜、成本更高，性能分析更難?？刂蒲b置受控對象反饋環(huán)節(jié)輸入信號擾動受控量-e閉環(huán)控制控制裝置受控對象反饋環(huán)節(jié)輸入信號擾動受控量-e42、自動控制的基本方式按給定值操縱的開環(huán)控制計算受控對象執(zhí)行給定值受控量擾動給定值操縱與按擾動補償相結(jié)合的開環(huán)控制計算受控對象執(zhí)行給定值受控量擾動測量2、自動控制的基本方式計算受控對象執(zhí)行給定值受控量擾動給5按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量-u更具一般性的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量-eu按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量6復合控制

按擾動作用補償控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量-e補償裝置特點：開環(huán)與閉環(huán)結(jié)合，改善抗擾性能，控制精度高，但結(jié)構(gòu)較復雜。復合控制控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量-e補償裝置特點7控制裝置受控對象測量給定值擾動受控量-e補償裝置復合控制

按輸入作用補償特點：開環(huán)與閉環(huán)結(jié)合，改善跟蹤性能?？刂蒲b置受控對象測量給定值擾動受控量-e補償裝置復合控制特點8三、控制系統(tǒng)的基本類型連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)三、控制系統(tǒng)的基本類型連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)9第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型一、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分類常用：輸入輸出模型、狀態(tài)空間模型。輸入輸出模型：微分方程、傳遞函數(shù)、

結(jié)構(gòu)圖、頻率特性。第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型一、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分類10二、微分方程描述與傳遞函數(shù)描述1、傳遞函數(shù)的定義：在零初始條件下線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。2、傳遞函數(shù)與微分方程可相互轉(zhuǎn)換二、微分方程描述與傳遞函數(shù)描述113、傳遞函數(shù)的表達形式3、傳遞函數(shù)的表達形式12三、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)三、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)13四、結(jié)構(gòu)圖、等價變換、化簡串聯(lián)、并聯(lián)的等價變換正、負反饋的等價變換；綜合點的前移、后移相鄰綜合點的交換、合并引出點的前移、后移相鄰引出點的交換、移動。四、結(jié)構(gòu)圖、等價變換、化簡14五、信號流圖梅森公式五、信號流圖15六、反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gc(s)Go(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)（2）閉環(huán)系統(tǒng)的特征多項式與特征方程六、反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gc(s)Go(s)H(s)D16第三章線性系統(tǒng)的時域分析法對自動控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應性能(穩(wěn)態(tài)誤差）、

動態(tài)（暫態(tài)）響應性能（平穩(wěn)性、快速性）典型輸入信號及典型響應之間的關系

微分與積分關系第三章線性系統(tǒng)的時域分析法對自動控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)173.控制系統(tǒng)的動態(tài)響應特性單位階躍響應與性能指標一階系統(tǒng)的暫態(tài)響應特性T、K

與響應性能的關系？3.控制系統(tǒng)的動態(tài)響應特性單位階躍響應與性能指標一階18二階系統(tǒng)的動態(tài)響應特性一、二階系統(tǒng)極點位置與暫態(tài)

響應特性的關系:

穩(wěn)定性，

平穩(wěn)性、

快速性。j0s平面s2s1極點位置××××××××二階系統(tǒng)的動態(tài)響應特性一、二階系統(tǒng)極點位置與暫態(tài)

19系統(tǒng)極點位置與響應特性的關系:穩(wěn)定與否，穩(wěn)定時響應的平穩(wěn)性、快速性。高階系統(tǒng)的動態(tài)響應高階系統(tǒng)近似為低階系統(tǒng)：“主導極點”、“非主導零點”和“偶極子”的概念系統(tǒng)極點位置與響應特性的關系:高階系統(tǒng)的動態(tài)響應高階系204.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性的基本概念穩(wěn)定性的兩種常用定義

運動穩(wěn)定性

有界輸入有界輸出穩(wěn)定性（BIBO穩(wěn)定）線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

系統(tǒng)極點均具有負實部反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件

特征方程的根（閉環(huán)極點）均具有負實部4.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性的基本概念21判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定；判斷不穩(wěn)定極點的個數(shù)；求出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)取值范圍；

（參數(shù)的穩(wěn)定域）分析系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)勞斯表的計算規(guī)律勞斯判據(jù)的應用：判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定；勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)勞斯表的計算規(guī)律勞斯225.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（只用于在虛軸上有原點以外的極點）5.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（只用于在虛軸上有原點以外的極點）23Gc(s)Go(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)Gc(s)Go(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(24一、根軌跡的定義及分類常規(guī)根軌跡（增益由0→∞的閉環(huán)極點軌跡）參數(shù)根軌跡（其他參數(shù)由0→∞的根軌跡）

等效開環(huán)傳遞函數(shù)零度根軌跡（1－Gk(s)=0的根軌跡）

用于正反饋、非最小相位系統(tǒng)或增益由0→－∞根軌跡族（多個參數(shù)變化時的根軌跡）第四章根軌跡法一、根軌跡的定義及分類第四章根軌跡法25G(s)H(s)-R(s)Y(s)二、

繪制根軌跡的基本依據(jù)和條件特征方程：1+G(s)H(s)=0或G(s)H(s)=-1幅值條件和相角條件：G(s)H(s)-R(s)Y(s)二、繪制根軌跡的基本依據(jù)26三、繪制常規(guī)根軌跡的基本規(guī)則根軌跡的分支數(shù)、對稱性、起點和終點、實軸上的根軌跡、漸近線（傾角，與實軸的交點）、分離點和會合點、與虛軸的交點、出射角和入射角、特征方程的根之和=開環(huán)極點之和（n-m≥2）分析與設計：確定主導極點→根軌跡增益→其他閉環(huán)極點→閉環(huán)傳遞函數(shù)三、繪制常規(guī)根軌跡的基本規(guī)則根軌跡的分支數(shù)、對稱性、27一、頻率特性的定義輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入正弦信號之間的關系；幅頻特性，相頻特性二、頻率特性的幾何表示幅相頻率特性圖（極坐標圖，Nyquist圖）；對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性（伯德圖）；第五章頻域分析法一、頻率特性的定義第五章頻域分析法28三、頻率特性圖的繪制典型環(huán)節(jié)的頻率特性開環(huán)頻率特性最小相位與非最小相位系統(tǒng)的頻率特性最小相位系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性的對應關系最小相位系統(tǒng)近似對數(shù)幅頻特性和開環(huán)傳遞函數(shù)的對應關系三、頻率特性圖的繪制典型環(huán)節(jié)的頻率特性29四、頻域穩(wěn)定判據(jù)

幅角原理（映射定理）→Nyquist穩(wěn)定判據(jù)；開環(huán)傳函包含虛軸上極點時的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)；應用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)性能(穩(wěn)定域等)五、穩(wěn)定裕量四、頻域穩(wěn)定判據(jù)30第六章線性系統(tǒng)的校正方法系統(tǒng)綜合：根據(jù)系統(tǒng)已知部分的特性，確定校正方式和校正裝置，使系統(tǒng)的整體特性符合要求。

綜合的核心是設計校正裝置。校正方式：串聯(lián)（重點）、反饋、前饋、復合。頻域綜合：設計校正裝置，使開環(huán)頻率特性曲線（主要是幅頻特性的Bode圖）滿足要求。第六章線性系統(tǒng)的校正方法系統(tǒng)綜合：綜合的核心是設計校正裝31低頻段決定穩(wěn)態(tài)性能L(ω)-40dB/dec-40dB/decωc-20dB/dec開環(huán)對數(shù)幅頻特性與閉環(huán)系統(tǒng)性能低頻段決定開環(huán)系統(tǒng)的積分環(huán)節(jié)數(shù)和開環(huán)放大系數(shù)決定穩(wěn)態(tài)誤差低頻段決定穩(wěn)態(tài)性能L(ω)-40dB/dec-40dB/de32中頻段決定暫態(tài)性能：保證穩(wěn)定裕量和恰當?shù)慕刂诡l率L(ω)-40dB/dec-40dB/dec-20dB/decω2ω3ωc-20dB/dech中頻寬穩(wěn)定裕量↑平穩(wěn)性↑；截止頻率（幅穿頻率）↑快速性↑，但抗高頻干擾能力↓最小相位系統(tǒng)較理想的中頻段中頻段決定暫態(tài)性能：保證穩(wěn)定裕量和恰當?shù)慕刂诡l率L(ω)-433高頻段決定系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力高頻段高頻段衰減越快，抗高頻噪聲能力越強；但會使穩(wěn)定裕量和截止頻率減小，平穩(wěn)性和快速性下降。L(ω)-40dB/dec-40dB/dec-20dB/decω2ω3ωch-20dB/dec高頻段決定系統(tǒng)抑制高頻噪聲的能力高頻段高頻段衰減越快，抗高頻34串聯(lián)校正的兩種常用思路根據(jù)性能要求確定希望的開環(huán)頻率特性的Bode圖，再由Bode圖求開環(huán)傳遞函數(shù)，最后得到校正裝置的傳遞函數(shù)。限定校正裝置為簡單結(jié)構(gòu)，通過改變其參數(shù)來獲得盡可能好的開環(huán)頻率特性。思路2的常用校正方式：超前校正，滯后校正，滯后超前校正串聯(lián)校正的兩種常用思路根據(jù)性能要求確定希望的開環(huán)頻率特性的B35超前校正：-R(s)Y(s)E(s)滯后校正：滯后超前校正：超前校正：-R(s)Y(s)E(s)滯后校正：滯后超前校正：3600°超前校正作用：利用相角超前特性增大相角裕量，利用正斜率幅頻特性增大截止頻率，從而改善暫態(tài)性能。兩種校正思路：按相角裕量，或按提升幅值以增大ωc00°超前校正作用：利用相角超前特性增大相角裕量，利用正斜率37校正思路1：0°校正思路1：0°38校正思路2：0°校正思路2：0°390°-90°0滯后校正作用：利用幅值衰減特性，使截止頻率下降，從