自动控制原理》胡寿松——总结与复习.ppt

1,自动控制原理 总结与复习,核科学与技术学院 王俊玲 ,第一章 绪论,一、自动控制的基本概念,定义、应用概况,自动控制系统,被控对象、控制装置、检测装置、,输入信号（参考输入，扰动输入）,二、 自动控制的基本方式 1、开环控制与闭环控制 开环控制 特点：没有反馈信息，信号单向传递。 缺点：抗干扰能力差，控制精度低。 优点：结构简单、易于构造、成本低。,闭环控制 特点：获取反馈信息，信号传递形成闭合回路， 一般采用按偏差的负反馈控制。 优点：抗扰性好，控制精度高； 缺点：结构更复杂、成本更高，性能分析更难。,2、自动控制的基本方式 按给定值操纵的开环控制,给定值操纵与按扰动补偿相结合的开环控制,按偏差调节的闭环控制系统,更具一般性的闭环控制结构,复合控制 按扰动作用补偿,特点：开环与闭环结合，改善抗扰性能，控制精度高， 但结构较复杂。,复合控制 按输入作用补偿,特点：开环与闭环结合，改善跟踪性能。,三、控制系统的基本类型,连续控制系统和离散控制系统 线性控制系统和非线性控制系统 定常系统与时变系统 恒值控制系统与随动控制系统,第二章 控制系统的数学模型,一、自动控制系统的数学模型分类 常用：输入输出模型、状态空间模型。 输入输出模型：微分方程、传递函数、 结构图、频率特性。,二、微分方程描述与传递函数描述 1、传递函数的定义：在零初始条件下线性定常系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 2、传递函数与微分方程可相互转换,3、传递函数的表达形式,三、典型环节的传递函数,四、结构图、等价变换、化简 串联、并联的等价变换 正、负反馈的等价变换； 综合点的前移、后移 相邻综合点的交换、合并 引出点的前移、后移 相邻引出点的交换、移动。,五、信号流图 梅森公式,六、 反馈控制系统的传递函数,（2）闭环系统的特征多项式与特征方程,第三章 线性系统的时域分析法,对自动控制系统的基本要求 稳定性、稳态响应性能(稳态误差）、 动态（暂态）响应性能（平稳性、快速性） 典型输入信号及典型响应之间的关系 微分与积分关系,3. 控制系统的动态响应特性,单位阶跃响应与性能指标,一阶系统的暂态响应特性,T、K 与响应性能的关系？,二阶系统的动态响应特性,一、二阶系统极点位置与暂态 响应特性的关系: 稳定性， 平稳性、 快速性。,系统极点位置与响应特性的关系: 稳定与否，稳定时响应的平稳性、快速性。,高阶系统的动态响应,高阶系统近似为低阶系统： “主导极点”、“非主导零点”和“偶极子”的概念,4. 控制系统的稳定性,稳定性的基本概念 稳定性的两种常用定义 运动稳定性 有界输入有界输出稳定性（ BIBO 稳定） 线性定常系统的稳定条件 系统极点均具有负实部 反馈控制系统稳定的充要条件 特征方程的根（闭环极点）均具有负实部,判断系统是否稳定； 判断不稳定极点的个数； 求出保证系统稳定的参数取值范围； （参数的稳定域） 分析系统的相对稳定性。,劳斯-赫尔维茨稳定判据,劳斯表的计算规律,劳斯判据的应用：,5. 控制系统的稳态误差,（只用于在虚轴上有原点以外的极点）,一、根轨迹的定义及分类 常规根轨迹（增益由0的闭环极点轨迹） 参数根轨迹（其他参数由0的根轨迹） 等效开环传递函数 零度根轨迹（1Gk(s)=0的根轨迹） 用于正反馈、非最小相位系统或增益由0 根轨迹族（多个参数变化时的根轨迹）,第四章 根轨迹法,二、 绘制根轨迹的基本依据和条件,特征方程：1+G(s)H(s)=0 或 G(s)H(s)= -1,幅值条件和相角条件：,三、绘制常规根轨迹的基本规则,根轨迹的分支数、对称性、 起点和终点、实轴上的根轨迹、 渐近线（倾角，与实轴的交点）、 分离点和会合点、与虚轴的交点、 出射角和入射角、 特征方程的根之和=开环极点之和（n-m2）,分析与设计： 确定主导极点根轨迹增益其他闭环极点闭环传递函数,一、频率特性的定义 输出的稳态分量与输入正弦信号之间的关系； 幅频特性，相频特性 二、频率特性的几何表示 幅相频率特性图（极坐标图，Nyquist图）； 对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）；,第五章 频域分析法,三、频率特性图的绘制,典型环节的频率特性 开环频率特性 最小相位与非最小相位系统的频率特性 最小相位系统对数幅频和相频特性的对应关系 最小相位系统近似对数幅频特性和开环传递函数的对应关系,四、频域稳定判据 幅角原理（映射定理） Nyquist稳定判据； 开环传函包含虚轴上极点时的Nyquist稳定判据； 应用Nyquist稳定判据分析系统性能(稳定域等) 五、稳定裕量,第六章 线性系统的校正方法,系统综合： 根据系统已知部分的特性，确定校正方式和校正装置，使系统的整体特性符合要求。,综合的核心是设计校正装置。,校正方式： 串联（重点）、反馈、前馈、复合。,频域综合：设计校正装置，使开环频率特性曲线（主要是幅频特性的Bode图）满足要求。,低频段决定稳态性能,L(),-40dB/dec,-40dB/dec,c,-20dB/dec,开环对数幅频特性与闭环系统性能,低频段决定开环系统的积分环节数和开环放大系数,决定稳态误差,中频段决定暂态性能：保证稳定裕量和恰当的截止频率,L(),-40dB/dec,-40dB/dec,-20dB/dec,2,3,c,-20dB/dec,中频宽,稳定裕量 平稳性；,截止频率（幅穿频率） 快速性，但抗高频干扰能力,最小相位系统较理想的中频段,高频段决定系统抑制高频噪声的能力,高频段衰减越快，抗高频噪声能力越强；但会使 稳定裕量和截止频率减小，平稳性和快速性下降。,串联校正的两种常用思路,根据性能要求确定希望的开环频率特性的Bode图，再由Bode图求开环传递函数，最后得到校正装置的传递函数。 限定校正装置为简单结构，通过改变其参数来获得尽可能好的开环频率特性。,思路2的常用校正方式： 超前校正，滞后校正，滞后超前校正,超前校正：,滞后校正：,滞后超前校正：,超前校正,作用：利用相角超前特性增大相角裕量，利用正斜率幅频特性增大截止频率，从而改善暂态性能。,两种校正思路：按相角裕量，或