《自动控制原理》全书总结ppt课件

总总 结结总 结第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念基本术语基本术语：反馈量，扰动量，输入量，输出量，被控对象；基本结构基本结构：开环，闭环，复合；基本类型基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求基本要求：暂态，稳态，稳定性。本章要解决的问题本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输入量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。第一章 自动控制系统的基本概念基本术语：反馈量，扰动量，输入开环控制系统的特点：开环控制系统的特点：闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点：自动控制系统的本质特征：自动控制系统的本质特征：闭环控制系统的基本组成，每个环节的作用。闭环控制系统的基本组成，每个环节的作用。开环控制系统的特点：闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的结构（示意）图闭环控制系统的结构（示意）图 1-1-给定环节；给定环节；2-2-比较环节；比较环节；3-3-校正环节；校正环节；4-4-放大环节；放大环节；5-5-执行机构；执行机构；6-6-被控对象；被控对象；7-7-检测装置检测装置要求精要求精度要高度要高控制器控制器 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的结构（示意）图 题题1-91-9、图为液位自动控制系统示意图。在任何情况、图为液位自动控制系统示意图。在任何情况 下，希望液面高度维持不变。试说明系统工下，希望液面高度维持不变。试说明系统工 作原理，并画出系统结构图。作原理，并画出系统结构图。答：（答：（1 1）工作原理：闭环控制方式。）工作原理：闭环控制方式。（2 2）被控对象是水箱，被控量是水箱液位，给定）被控对象是水箱，被控量是水箱液位，给定 量是电位器设定位置（代表液位的希望值）。量是电位器设定位置（代表液位的希望值）。主扰动是流出水量。主扰动是流出水量。题1-9、图为液位自动控制系统示意图。在任何情况答：（1）工液位自动控制系统方框图液位自动控制系统方框图第第2章章自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型第2章自动控制系统的数学模型自动控制系统的分析与设计是建立在数学模型基础上的。自动控制系统的分析与设计是建立在数学模型基础上的。数学模型定义：数学模型定义：能够描述控制系统输出量和输入量数量关系的数学表达能够描述控制系统输出量和输入量数量关系的数学表达式，是物理系统运动特性的数学抽象。式，是物理系统运动特性的数学抽象。控制系统数学模型的主要形式（古典）：控制系统数学模型的主要形式（古典）：(1)(1)微分方程（时间域）微分方程（时间域）（5 5）信号流图（复数域）信号流图（复数域）(2)(2)传递函数（复数域）传递函数（复数域）（6 6）差分方程（离散）差分方程（离散）(3)(3)结构框图（复数域）结构框图（复数域）（7 7）脉冲传递函数（离散）脉冲传递函数（离散）(4)(4)频率特性频率特性 (频域频域)1 1、数学模型数学模型控制系统数学模型的主要形式（古典）：微分方程（时间域）（5建模的基本方法建模的基本方法:(1):(1)机理分析法机理分析法 (2)(2)统计法（辨识法）统计法（辨识法）(3)(3)实验测取实验测取（黑箱）（黑箱）（白箱）（白箱）2 2、传递函数、传递函数传递函数的定义：传递函数的定义：零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。换之比。建模的基本方法:(1)机理分析法（黑箱）（白传递函数的求取方法：1）利用传递函数的定义；a、零初始条件下取拉氏变换；b、用复阻抗法求（电器网络）适合于求简单、典型环节传递函数 2）利用结构图等效变换；图形化的数学模型3）利用信号流图。与结构图在本质上是一致的传递函数的求取传递函数的求取传递函数的求取方法：传递函数的求取传递函数的表达形式有三种：传递函数的表达形式有三种：传递函数第一种形式：传递函数第一种形式：标标准形式、有理分式形准形式、有理分式形 式或多项式形式式或多项式形式传递函数第二种形式：传递函数第二种形式：时间常数时间常数形式（尾形式（尾1 1），），在在时域分析法中使用时域分析法中使用传递函数第三种形式：传递函数第三种形式：零极点零极点形式（首形式（首1 1），），在在根轨迹法中使用根轨迹法中使用传递函数的表达形式有三种：传递函数第一种形式：传递函数第1、固固有有性性：传传函函是是系系统统数数学学模模型型的的又又一一种种形形式式，表表达达了了系系统统 把把输输入入量量转转换换成成输输出出量量的的传传递递关关系系。它它 只只和和系系统统本本身身的的特特 性性 参参 数数 有有 关关，而而 与与 输输 入入 量量 怎怎 样样 变变 化化 无无 关关。2 2、利利用用传传递递函函数数可可直直接接根根据据系系统统传传递递的的 某某些些特特征征 来来研研究究系系 统统的的性性能能；也也可可以以将将对对系系统统性性能能的的要要求求转转换换成成对对传传递递函函数数 的的要要求求，从从而而对对系系统统的的设设计计提提供供简简便便的的方方法法。传递函数性质传递函数性质3 3、对应性：传递函数与微分方程一一对应。如果将对应性：传递函数与微分方程一一对应。如果将 置换，传递函数置换，传递函数 微分方程微分方程。1、固有性：传函是系统数学模型的又一种形式，表达了系统2、利4 4、同形性：同形性：W(s)W(s)虽描述了输出输入间的关系，但它不提供虽描述了输出输入间的关系，但它不提供 任何该系统的物理结构。物理性质截然不同的系统或任何该系统的物理结构。物理性质截然不同的系统或元件元件 ，可以有相同的传递函数。，可以有相同的传递函数。5 5、特殊性：传递函数仅适用于线性定常系统。、特殊性：传递函数仅适用于线性定常系统。6 6、有理性：、有理性：实际系统的传递函数是实际系统的传递函数是s s的有理分式的有理分式函数，满足函数，满足 nm。7 7、传递函数的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应，反之，系、传递函数的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应，反之，系 统统单单位位脉脉冲冲响响应应的的拉拉氏氏变变换换是是系系统统的的传传递递函函数数，两两者者有一有一 一对应的关系。一对应的关系。8 8、局限性：只反映零初始条件下输入信号引起的输出，不能、局限性：只反映零初始条件下输入信号引起的输出，不能 反映非零初始条件引起的输出。反映非零初始条件引起的输出。4、同形性：W(s)虽描述了输出输入间的关系，但它不提供51、熟悉典型环节传递函数2、控制系统的传递函数的求取 动态结构图的编写、变换、化简3、误差传递函数的求取3、信号流图，梅逊公式求控制系统传函。4、例题1、熟悉典型环节传递函数变换技巧一：向同类移动变换技巧一：向同类移动 分支点向分支点移动，综合点向综合点移动。分支点向分支点移动，综合点向综合点移动。移动后再将它们合并，以减少结构图中分支点和移动后再将它们合并，以减少结构图中分支点和相加点的数目。一般适用于相加点的数目。一般适用于前向通道前向通道。u结构图变换技巧结构图变换技巧变换技巧一：向同类移动结构图变换技巧分支点移动分支点移动G1G2G3G4H3H2H1abG1G2G3G4H3H2H1G41向同类移动向同类移动分支点移动G1G2G3G4H3H2H1abG1G2G3G4H变换技巧二：作用分解变换技巧二：作用分解 同一个变量作用于两个综合点，或同一个变量作用于两个综合点，或者是两个变量作用于同一个方框，可以者是两个变量作用于同一个方框，可以把这种作用分解成两个单独的回路，用把这种作用分解成两个单独的回路，用以化解回路之间的相互交连。一般适用以化解回路之间的相互交连。一般适用于于反馈通道反馈通道。变换技巧二：作用分解G1G4H3G2G3H1H1H3G1G4G2G3H3H1作用分解作用分解G1G4H3G2G3H1H1H3G1G4G2G3H3H1作用变换技巧三：变换技巧三：在在走走投投无无路路时时，记记住住等等效效代代数数化化简简是是最最根根本本的的方方法法，它它可可以以解解决决你你在在图图形形变换法中解决不了的各种疑难问题。变换法中解决不了的各种疑难问题。变换技巧三：例、误差传递函数的求取例、误差传递函数的求取定义定义：误差信号：误差信号E(s)与输入信号与输入信号Xr(s)之比之比例、误差传递函数的求取第第3章章自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析第3章自动控制系统的时域分析 时域分析是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时域响应来分析系统的性能的。通常以系统单位阶跃响应的超调量、调节时间和稳态误差等性能指标来评价系统性能的优劣。时域分析是通过直接求解系统在典型输入信号作 自动控制系统的时域指标自动控制系统的时域指标 一阶系统的阶跃响应一阶系统的阶跃响应 二阶系统的阶跃响应二阶系统的阶跃响应 高阶系统的阶跃响应高阶系统的阶跃响应 自动控制系统的代数稳定判据自动控制系统的代数稳定判据 稳态误差稳态误差 主要内容主要内容 自动控制系统的时域指标主要内容 自动控制系统的时域分析自动控制系统的时域分析 （1 1）系统应是稳定的；）系统应是稳定的；（2 2）系统达到稳定时，应满足给定的稳态误差）系统达到稳定时，应满足给定的稳态误差 的要求；的要求；（3 3）系统在暂态过程中应满足暂态品质的要求。）系统在暂态过程中应满足暂态品质的要求。对控制性能的要求对控制性能的要求 稳定性稳定性稳态特性稳态特性暂态特性暂态特性三性三性 自动控制系统的时域分析（1）系统应是稳定的；对控制性能的 1 1、系统的响应过程及稳定性、系统的响应过程及稳定性一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应 调节时间调节时间 1、系统的响应过程及稳定性一阶系统的单位阶跃响应 调节时间二阶系统的单位阶跃响应（欠阻尼）二阶系统的单位阶跃响应（欠阻尼）式中：式中：阻尼角阻尼角 阻尼振荡频率阻尼振荡频率 稳态响应稳态响应暂态响应暂态响应标准型：标准型：二阶系统的单位阶跃响应（欠阻尼）式中：二阶系统极点分布同单位阶跃响应之间的对应关系二阶系统极点分布同单位阶跃响应之间的对应关系收敛，稳定！收敛，稳定！发散，不稳定！发散，不稳定！二阶系统极点分布同单位阶跃响应之间的对应关系收敛，稳定！发散时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量%=AB100%调节时间调节时间ts二阶系统暂态特性性能指标二阶系统暂态特性性能指标快速性：上升时间快速性：上升时间t tr r ，调节时间，调节时间t ts s平稳性：超调量平稳性：超调量%，振荡次数，振荡次数 时间tr上 升峰值时间tpAB超调量%=AB100%调要求：熟练掌握它们的物理要求：熟练掌握它们的物理 含义、计算公式和相含义、计算公式和相 互关系。互关系。对照标准型！对照标准型！要求：熟练掌握它们的物理对照标准型！题题 3-10 3-10 一单位反馈控制系统的开环传递函数为求：（1）系统的单位阶跃响应及动态特性指标（2）时，系统的输出响应；(3)输入量为单位脉冲函数时，系统的输出响应。要点要点：已知传函，对标准型，求出特征参数，求指标。题 3-10 一单位反馈控制系统的开环传递函数为求：（1）题题3-11 3-11 一单位反馈控制系统的开环传递函数为其单位阶跃响应曲线如图。试确定系统参数Kk 及值。题3-11 一单位反馈控制系统的开环传递函数为其单位阶跃响高阶系统的分析高阶系统的分析：是以二阶系统为基础的，正确理解是以二阶系统为基础的，正确理解主导极点主导极点和和偶子偶子的概念，对高阶系统的暂态性能进行近似分析。的概念，对高阶系统的暂态性能进行近似分析。结论是：结论是：极点离虚轴越近（主导极点）对系统暂态响应影响越大，极点离虚轴越近（主导极点）对系统暂态响应影响越大，离虚轴越远影响越小；零点靠近哪个极点（偶子），离虚轴越远影响越小；零点靠近哪个极点（偶子），就把哪个极点的影响减弱。就把哪个极点的影响减弱。高阶系统的稳定性判断则由代数稳定判据完成。高阶系统的稳定性判断则由代数稳定判据完成。高阶系统的分析：2 2、稳态误差稳态误差稳态误差定义稳态误差定义：在稳态条件下输出量的期望值与 稳态值之间的差值。稳态误差是对系统稳态控制精度的度量，是系统的稳态指标。它既与系统的结构和参数有关，也与输入输入的形式、大小和作用点作用点有关。稳态误差分类：稳态误差分类：扰动稳态误差，主要针对恒值系统扰动稳态误差，主要针对恒值系统 ；给定稳态误差，主要针对随动系统。给定稳态误差，主要针对随动系统。要求：要求：理解稳态误差的概念；理解稳态误差的概念；熟练掌握误差传递函数和稳态误差的计算。熟练掌握误差传递函数和稳态误差的计算。2、稳态误差稳态误差定义：在稳态条件下输出量的期望值与在求解稳态误差时，需把握以下要点：在求解稳态误差时，需把握以下要点：(1)(1)首先要将系统的开环传递函数变成尾首先要将系统的开环传递函数变成尾1 1型。型。(2)(2)只要将系统的结构图变换成单回路，系统的误差传只要将系统的结构图变换成单回路，系统的误差传 递函数总是如下形式，即递函数总是如下形式，即在求解稳态误差时，需把握以下要点：第四章第四章 根轨迹法根轨迹法第四章 根轨迹法根轨迹法根轨迹法根轨迹法的任务根轨迹法的任务 一种由开环传递函数求闭环特征根的简便一种由开环传递函数求闭环特征根的简便方法。它是一种用方法。它是一种用图解方法图解方法表示特征根与系统参数表示特征根与系统参数的全部数值关系的方法。的全部数值关系的方法。19481948年，由伊文思（年，由伊文思（W.R.EvansW.R.Evans）提出。）提出。由已知的开环零极点和根轨迹增益，用图由已知的开环零极点和根轨迹增益，用图解方法确定闭环极点。解方法确定闭环极点。根轨迹法根轨迹法的任务 一种由开环传递函数求闭 由由00变化时，闭环特征根在变化时，闭环特征根在S S平面上移动的平面上移动的轨迹如下图所示。这就是该系统的轨迹如下图所示。这就是该系统的根轨迹。根轨迹。1 1、直观地表示了参数、直观地表示了参数 变化时，闭变化时，闭环特征根的变化。环特征根的变化。2 2、给出了参数、给出了参数 对闭环特征根在对闭环特征根在S S平平面上分布的影响。面上分布的影响。3 3、利用根轨迹可使我们在广泛的、利用根轨迹可使我们在广泛的 范围内了解系统的稳定性及动范围内了解系统的稳定性及动 态特性。态特性。分析系统性能分析系统性能。根轨迹的特点：根轨迹的特点：1 1、什么是根轨迹、什么是根轨迹 由0变化时，闭环特征根在S平面上移动的1、直观地表闭环系统特征方程式为闭环系统特征方程式为2、根轨迹方程：、根轨迹方程：注：注：根轨迹上的点均满足幅值条件和辐角条件。根轨迹上的点均满足幅值条件和辐角条件。要求要求：熟练掌握根轨迹的绘制法则，绘制根轨迹。闭环系统特征方程式为2、根轨迹方程：注：根轨迹上的点均满足幅3 3、根轨迹有几种类型划分：、根轨迹有几种类型划分：常义根轨迹、广义根轨迹（参数根轨迹）、根轨迹、根轨迹等。根轨迹的类型由系统的不同结构（正反馈或负反馈）、不同性质（最小相位或非最小相位）所形成的特征方程的形式决定的。将系统开环传函的分子和分母多项式的s最高次项系数变为+1，其特征方程的形式有如下4种可能：3、根轨迹有几种类型划分：常义根轨迹、广义根轨迹（参数根轨这4种可能又归结为：等号右端的符号就可确定相应的根轨迹类型“+”对应0度根轨迹，“-”对应180度根轨迹；这4种可能又归结为：等号右端的符号就可确定相应的根轨迹类型定定义义：以以非非根根轨轨迹迹增增益益(比比如如比比例例微微分分环环节节或或惯惯性性环节的时间常数环节的时间常数 )为可变参数绘制的根轨迹。为可变参数绘制的根轨迹。闭环闭环传函传函等效开环等效开环系统系统与常规（常义）根轨迹的与常规（常义）根轨迹的开环传函具开环传函具 有相同形式有相同形式变形变形变形变形绘制思路：绘制思路：参数根轨迹的绘制参数根轨迹的绘制定义：以非根轨迹增益(比如比例微分环节或惯性环节的时间常数 该系统在绘制以该系统在绘制以 为参变量的根轨迹时，应遵循零度根轨迹的绘为参变量的根轨迹时，应遵循零度根轨迹的绘制规则。制规则。例例4.9 4.9 给定控制系统的开环传递函数为给定控制系统的开环传递函数为 试作出以试作出以为参变量的根轨迹，并利用根轨迹分析为参变量的根轨迹，并利用根轨迹分析取何值时闭环系统稳定。取何值时闭环系统稳定。解解 闭环特征方程闭环特征方程 改写为改写为 等效开环传递函数为等效开环传递函数为 用所有不含用所有不含的项做分母的项做分母该系统在绘制以 为参变量的根轨迹时，应遵循零度根轨迹的绘制规第第5章章 频率法频率法频域分析法频域分析法:Frequency Domain Response Analysis用频率响应来分析系统的方法。用频率响应来分析系统的方法。第5章 频率法频域分析法:用频率响应来分析系统的方法。(1)模型的标准化。首先将传递函数变成时间常数 表达形式（2）相频特性的写法 模型的标准化。首先将传递函数变成时间常数（2）相频特性的写法要求：要求：1、已知传函绘制乃氏曲线，绘制伯特图。2、已知伯特图求对应系统传函。3、正确理解相位裕量和增益裕量的物理意义，并会计算。4、求相位穿越频率j,求穿越频率c.5、最小相位系统的概念。要求：1、已知传函绘制乃氏曲线，绘制伯特图。（8)开环对数频率特性与系统性能之间的关系（9）例题。i.i.低频段决定了系统的稳态误差。低频段决定了系统的稳态误差。ii.ii.中频段决定系统的暂态特性。中频段决定系统的暂态特性。iii.iii.高频段决定系统的抗干扰能力。高频段决定系统的抗干扰能力。P267、习题 5-14（8)开环对数频率特性与系统性能之间的关系i.低频段决定了第六章 控制系统的校正第六章 控制系统的校正控制系统校正的一般概念控制系统校正的一般概念串联校正串联校正反馈校正反馈校正前馈校正前馈校正主要内容主要内容各种校正方法的适用范围。各种校正方法的适用范围。P284 P284 表表6-36-3主要内容各种校正方法的适用范围。P284 表6-3例、某单位反馈系统校正前、后系统的对数幅频特性例、某单位反馈系统校正前、后系统的对数幅频特性如图（实线为校正前系统的幅频特性、虚线为校正后如图（实线为校正前系统的幅频特性、虚线为校正后系统的幅频特性）系统的幅频特性）（1 1）写出校正前、后系统的开环传递函数。写出校正前、后系统的开环传递函数。（2 2）求校正前、后系统的相角裕度；求校正前、后系统的相角裕度；（3 3）写出校正装置的传递函数，并画出其对数幅频写出校正装置的传递函数，并画出其对数幅频 特性曲线。特性曲线。例、某单位反馈系统校正前、后系统的对数幅频特性（2）求校已知一单位负反馈控制系统，采用串联校正方式，其中校正前已知一单位负反馈控制系统，采用串联校正方式，其中校正前系统开环对数幅频特性和校正装置对数幅频特性分别为系统开环对数幅频特性和校正装置对数幅频特性分别为L L0 0和和L LC C，如下图所示。如下图所示。（1 1）试写出校正前后系统）试写出校正前后系统 开环传递函数及校正装置开环传递函数及校正装置 传递函数传递函数（2 2）计算校正后系统的相）计算校正后系统的相 位稳定裕量。位稳定裕量。已知一单位负反馈控制系统，采用串联校正方式，其中校正前（1）第七章第七章 非线性系统分析非线性系统分析第七章 非线性系统分析2024/5/7第七章 非线性系统分析521 1、了解非线性系统的特点，掌握非线性系统与、了解非线性系统的特点，掌握非线性系统与线性系统的本质区别；线性系统的本质区别；2 2、理解描述函数的基本概念，掌握描述函数的、理解描述函数的基本概念，掌握描述函数的计算方法；计算方法；3 3、掌握分析非线性系统的近似方法、掌握分析非线性系统的近似方法描述函描述函数法。数法。是是工程近似方法工程近似方法 4 4、描述函数法对非线性系统的描述函数法对非线性系统的3 3个假设个假设 5 5、能够应用描述函数法分析非线性系统、能够应用描述函数法分析非线性系统稳定性稳定性和自振和自振。6 6、看例题、看例题2023/8/1第七章 非线性系统分析522024/5/7第七章 非线性系统分析53描述函数法对非线性系统的假设描述函数法对非线性系统的假设 系系统统可可归归化化为为线线性性部部分分与与非非线线性性部部分分相相串串联的典型结构。联的典型结构。非非线线性性部部分分输输出出中中的的高高次次谐谐波波振振幅幅小小于于基基波振幅。波振幅。线性部分的低通滤波效应较好。线性部分的低通滤波效应较好。描述函数是基于这样的假设，即系统处于自振状描述函数是基于这样的假设，即系统处于自振状态时，非线性部分和线性部分的输入、输出均为态时，非线性部分和线性部分的输入、输出均为同频率的正弦变化量。同频率的正弦变化量。2023/8/1第七章 非线性系统分析53描述函数法对非线第八章第八章 线性离散系统的线性离散系统的理论基础理论基础2024/5/7第八章 线性离散时间系统的理论基础54其设计的原理和分析方法的思路就与线性连续系统的基本相同相同。这里需要把握的是采样系统与线性连续系统的区别与联系：关键问题是采样周期对系统稳定性的影响和脉冲传递函数的求解。第八章 线性离散系统的理论基础2023/8/1第八章 线性离、香农采样定理。、香农采样定理。s2max 、离散时间函数表达：、离散时间函数表达：、变换的定义：、变换的定义：、时序变量的物理意义。、时序变量的物理意义。5、离散时间系统稳定的充要条件；离散时间系统稳定的充要条件；、香农采样定理。s2max 6、平面与平面的映射关系（数学表达式，图）。、平面与平面的映射关系（数学表达式，图）。7、闭环系统脉冲传函的求取闭环系统脉冲传函的求取；稳态误差的求取。；稳态误差的求取。8、双线性变换、双线性变换9、离散时间系统的终值定理、离散时间系统的终值定理10、闭环极点与时间响应的对应关系图。、闭环极点与时间响应的对应关系图。11、为使离散时间系统具有良好的品质，闭环极点、为使离散时间系统具有良好的品质，闭环极点 在在Z 平面上应如何分布。平面上应如何分布。12、典型例题。典型例题。自动控制原理全书总结ppt课件