[工学]自动控制理论复习提纲.ppt

复习,自动控制理论,2019/4/2,2,基本要求：,了解自动控制系统的基本原理、分类和特点 掌握自动控制系统的组成和各部分的作用 掌握反馈控制系统的基本要求 根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量 和被控制量，正确画出系统的方框图,第1章 自动控制概论,2019/4/2,3,第1章 自动控制概论,控制理论的发展历程 自动控制与自动控制系统的基本概念 自动控制基本控制方式 控制系统的类型 控制系统的组成 对控制系统的基本要求,(开环、闭环、复合),(随动和定值),(测量、比较、放大、执行、校正),(稳定性、准确性、快速性),知识要点：,(经典、现代、智能),2019/4/2,4,基本要求： 了解建立系统微分方程的一般方法 掌握运用拉氏变换解微分方程的方法 牢固掌握传递函数的概念、定义和性质 明确传递函数与微分方程的关系 能熟练地进行结构图等效变换 明确结构图与信号流图间的关系,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,5,知识要点：,建立系统的数学模型就是用数学的形式和方法表示和描述系统中各变量间的关系。,1、微分方程 建立微分方程的步骤： (1) 确定输入和输出量； (2) 从输入端开始，按照信号的传递顺序，根据各变量所 遵循的物理定理写出各微分方程组； (3) 消去中间变量，整理出输入、输出及其导数的方程； (4) 标准化。,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,6,2、传递函数,定义：在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为传递函数。(适应于线性定常单输入、单输出系统),掌握传递函数的求法： (1) 对系统的微分方程取拉氏变换(或直接替换)； (2) 简化系统的动态方框图； (3) 利用信号流图和梅逊公式； (4) 对于电气网络，还可采用运算阻抗的方法。,传递函数的表示形式：有理分式、零极点表示。,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,7,3、动态方框图的建立与化简,绘制方块图方法：根据系统各环节的动态微分方程式(组成系统的动态微分方程组)，及其拉氏变换。,方框图的化简要遵循等效原则，即对任一环节变换时，变换前后该环节的输入量、输出量及其相互关系应保持不变。 化简方块图的关键是解除交叉结构，即移动分支点或相加点，使被简化的环节中不存在与外部直接相连的分支点和相加点。,方块图的化简：,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,8,(1) 串联环节的合并 (2) 并联环节的合并 (3) 反馈回路的简化 (4) 相加点和分支点的移动（前移、后移） (5) 其他的等价变换（等效为单位反馈、负号的移动）,变换规则：,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,9,相加点的后移,相加点的前移,相临的信号相加点位置可以互换，或者是进行合并；,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,10,分支点的后移,分支点的前移,同一信号的分支点位置可以互换,相加点和分支点在一般情况下，不进行互换。,第2章 控制系统的数学模型,2019/4/2,11,基本要求： 正确理解时域响应的性能指标、稳定性、系统的型别和静态误差系数等概念 牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点 牢固掌握二阶系统的数学模型，并能熟练计算欠阻尼时域性能指标特征,第3章 控制系统的时域分析,正确理解线性定常系统稳定的条件，熟练的应用劳斯判据判定系统的稳定性 正确理解和重视稳态误差的定义并能熟练掌握稳态误差的计算方法，明确终值定理的使用条件,2019/4/2,12,知识要点：,1、时域分析：是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，来分析系统的稳定性、瞬态(动态)和稳态性能。 2、在阶跃信号的作用下的输出，称作阶跃响应。一般都用它来分析一阶和二阶系统的性能。 3、线性定常系统的重要特性：系统对输入信号导数的响应，等于系统对该输入信号响应的导数。或者系统对输入信号积分的响应等于系统对该输入信号响应的积分。,第3章 控制系统的时域分析,典型传递函数:,4、一阶系统的时域分析,2019/4/2,13,5、二阶系统的时域分析,典型传递函数,二阶系统特征方程,当 0 x 1 时，特征根为：,系统的单位阶跃响应为,第3章 控制系统的时域分析,2019/4/2,14,动态性能指标计算公式：,上升时间 tr,峰值时间 tp,超调量 %,调节时间 ts,第3章 控制系统的时域分析,2019/4/2,15,6、线性系统稳定的充要条件,(1)闭环系统特征方程的所有根都具有负实部 或 (2)闭环传递函数的极点全部具有负实部 或 (3)闭环传递函数的极点全部在 s 平面的左半平面,7、劳斯稳定判据,系统闭环稳定的充分必要条件 ： (1)特征方程各项系数均大于零，即 ai 0，且特征方程式不缺项； (2)劳斯阵列中第一列所有项全部为正。 列写劳斯阵列时，要注意特殊情况。,第3章 控制系统的时域分析,2019/4/2,16,8、稳态误差的计算,(1) 静态误差系数法：根据系统的型别 v ，求静态误差系数。利用参考输入作用下 ess()与系统型别、静态误差系数间的关系确定 ess()。,计算系统稳态误差的共同前提条件是：系统必须稳定。,第3章 控制系统的时域分析,位置误差,速度误差,加速度误差,2019/4/2,17,减小或消除误差的措施：提高开环积分环节的阶次 、增加开环增益 K。,表 输入信号作用下的稳态误差,第3章 控制系统的时域分析,2019/4/2,18,(2) 利用拉氏变换的终值定理求 ess()：当 sE(s)的全部极点(除坐标原点外)都具有负实部时，有,(3) 动态误差系数法 (4) 整式除法,第3章 控制系统的时域分析,2019/4/2,19,基本要求：,1、掌握根轨迹的概念 2、熟悉根轨迹图的绘制规则,第4章 根轨迹法,2019/4/2,20,根轨迹图的绘制规则,第4章 根轨迹法,知识要点：,【规则1】根轨迹的分支数：根轨迹在s平面上的分支数等于闭环特征方程的阶数n，也就是分支数与闭环极点的数目相同，亦等于开环极点的数目。,【规则2】根轨迹的连续性与对称性：根轨迹是连续且对称于实轴的曲线。闭环极点若为实数，则位于s平面实轴；若为复数则共轭出现，所以根轨迹对称于实轴。,【规则3】根轨迹的起点和终点: 根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点；如果开环零点数m 小于开环极点数n，则有(n - m)条根轨迹终止于无穷远处(的零点)。,2019/4/2,21,第4章 根轨迹法,【规则4】根轨迹的渐近线：如果控制系统的开环零点数目m小于开环极点数目n，当 k时，伸向无穷远处根轨迹的渐近线共有(n m)条。,【规则5】实轴上的根轨迹：实轴上根轨迹区段的右侧，开环零、极点数目之和应为奇数。,【规则6】 分离点(会和点)坐标 【规则7】 根轨迹与虚轴的交点 【规则8】 根轨迹的起始角和终止角 【规则9】根之和,2019/4/2,22,基本要求：,1、掌握频率特性的基本概念 2、熟悉典型环节的频率特性 3、掌握频率特性和对数频率特性的绘制 4、掌握 Nyquist 稳定判据在极坐标图及对数频率特性图 中的应用 5、熟悉相对稳定性概念和稳定裕量的计算,第5章 频域特性法,2019/4/2,23,知识要点：,1、频率特性的概念 系统的频率响应定义为系统在正弦作用下稳态响应的振幅、相位与所加正弦作用的频率之间的依赖关系。 幅频特性、相频特性 实频特性、虚频特性 2、频率特性的求取 将传递函数 G(s) 或 G(s)H(s) 中的 s 用 jw 取代即可。,第5章 频域特性法,2019/4/2,24,3、频率特性的图解形式,(1) 幅相频率特性图，极坐标图 (2) 对数频率特性图，即Bode图 (3) 对数幅相频率特性,第5章 频域特性法,4、一般的近似对数幅频曲线的特点,(1) 最左端直线的斜率为 20 dB/dec，这里 是积分环节的 个数； (2) 在 时，最左端直线或其延长线的分贝值等于 20lgk； (3) 在交接频率处，曲线的斜率发生改变，改变多少取决于典 型环节种类。例如，惯性环节后，斜率减少 20 dB/dec ； 而在振荡环节后，斜率减少 40 dB/dec。,2019/4/2,25,6、频率特性在系统分析中的应用,第5章 频域特性法,最小相角系统的零点、极点均在 s 平面的左半平面，在 s平面的右半平面有零点或极点的系统是非最小相角系统。,5、最小相角系统和非最小相角系统,(1) Nyquist稳定判据 设开环系统传递函数在右半 s 平面上的极点数为 P ，则闭环系统稳定的充要条件为：当 w 从 0 到变化 时，开环频率特性 G(jw) 的极坐标图应当逆时针方向包围 (-1, j0) 点 P /2圈。 (2) 相对稳定性：相角裕度、幅值裕度,2019/4/2,26,基本要求：,1、熟悉系统设计与校正的基本概念 2、熟悉校正的方式 3、了解基本的控制规律,第6章 控制系统综合与设计,2019/4/2,27,第6章 控制系统综合与设计,知识要点：,常用的校正装置或控制器是超前、滞后、滞后超前校正装置和PID控制器。,滞后超前网络,滞后网络,超前网络,PID 调节器,2019/4/2,28,1、掌握自动控制系统中常见的典型非线性特性 2、掌握分析非线性系统的方法描述函数法 3、熟练掌握应用描述函数分析法分析系统的稳定性 4、掌握应用描述函数分析法，分析系统自振荡产生的 条件及振幅和频率的确定,第7章 非线性控制系统,基本要求：,2019/4/2,29,第7章 非线性控制系统,知识要点：,饱和特性、死区特性、继电特性、间隙特性,1、常见的典型非线性特性,2、应用描述函数分析法分析系统的稳定性,G(jw)包围-1/N(A), 系统不稳定，否则稳定。,3、自振分析,若曲线G(jw)和曲线-1/N(A)相交，则系统存在周期运动；,若当振幅A增大时，-1/N(A) 曲线由 G(jw) 包围的区域(不稳定区)穿出，该交点处存在着稳定的周期运动，该交点是自振点。,2019/4/2,30,第8章 线性离散系统,基本要求：,1、熟悉离散系统的组成和工作原理 2、掌握 Z 变换、Z 反变换的求法及性质 3、掌握脉冲传递函数及系统输出信号 Z 变换的求法 4、掌握离散系统时域响应及稳态误差的求法 5、掌握离散系统稳定性分析方法,2019/4/2,31,第8章 线性离散系统,知识要点：,零初始条件下，输出脉冲序列的 Z 变换与输入脉冲序列 Z 变换之比，称为脉冲传递函数，即,1、脉冲函数的定义,2、脉冲传递函数的求法 (1) 根据定义用输出信号的 Z 变换除以输入信号的 Z 变换； (2) 通过连续部分的传递函数 G(s) 来求取，即对 G(s) 通过部分 分式法求取相应的 Z 变换。,2019/4/2,32,第8章 线性离散系统,3、环节串联时的脉冲传递函数,(1) 串联环节间无采样开关,(2) 串联环节间有同步采样开关,(3) 环节与零阶保持器串