自动控制原理复习课件

控制原理复习总结,内容：,1、控制系统的基本概念 2、控制系统的数学描述方法 （1）微分方程 基础 （2）传递函数（包括方块图和信号流图） 最常用的 （3）状态方程 描述复杂系统 3、控制系统的三大分析方法 （1）时域分析方法 （2）根轨迹分析方法 （3）频率特性分析方法,第一章 概论,基本概念： 1、控制系统的组成 2、开环控制、闭环控制、复合控制,控制系统研究的主要内容： 1、系统分析：静态特性和动态特性 2、系统设计：根据要求的性能指标设计控制系统 对控制系统的基本要求： 稳定性 准确性：稳态误差小 快速性：动态响应快，调节时间短，超调量小,一、自动控制系统的组成,被控对象： 设定值r： 控制量u： 输出量y： 偏差信号e： e=x-y。扰动信号f：,二、开环控制与闭环控制,反馈的作用是减小偏差，信号闭合回路，控制系统中一般采用负反馈方式,第二章 控制系统的数学模型,主要内容： 1、基本概念 2*、描述系统动态模型的3种形式及相互转换 （1）微分方程 （2）传递函数（包括方块图和信号流图） （3）状态方程 3、建立数学模型的步骤及简单对象的数学模型,* 为重点,一、基本概念,4、建立系统的数学模型的两种方法：,1、数学模型：,控制系统各变量间关系的数学表达式。,2、动态过程与静态过程：,（1）动态响应( 动态特性) 从初始状态终止状态 （2）静态响应( 静态特性) t , y()=2%。=5%(ts),线性系统的方程是输入和输出量x、y及它们各阶导数的线性形式。,3、线性系统与非线性系统：,根据描述系统方程的形式划分的。,线性系统的性质：,可叠加性和均匀性（齐次性）。 本学期研究的主要是线性定常系统。,（1）机理分析法：（2）实验辨识法：,二、传递函数,初始条件为零 的线性定常系统: 输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。,定义：,基本性质：,微分定理,积分定理(初始条件为零)，,位移（滞后）定理,终值定理,初值定理,零点与极点：,典型环节的传递函数：,(1)比例环节：,(2)一阶惯性（滞后）环节：,(3)一阶超前-滞后环节：,(4)二阶环节：,(5)积分环节：,(6)PID环节：,(7)纯滞后环节：,(8)带有纯滞后的一阶环节：,三、结构图,应用函数方块描述信号在控制系统中传输过程的图解表示法。,注意：画图的规范性：方块传递函数变量（拉氏变换式）有向线段（箭头）符号,结构图：,基本连接形式：,1、串联：,2、并联：,串联环节总的传递函数等于各环节传递函数的乘积。,并联环节总的传递函数等于各环节传递函数之和。,3、反馈：,G(s)：前向通道传递函数，H(s)：反馈通道传递函数，G(s)H(s)：开环传递函数 1+ G(s)H(s)=0：闭环特征方程。单位反馈系统：,负反馈：,正反馈：,方块图的等效变换规则：,1、在无函数方块的支路上，相同性质的点可以交换，不 同性质的点不可交换,注意：,（1）尽量利用相同性质的点可以交换这一点，避免不同性质 的点交换。,（2）相加、分支点需要跨越方块时，需要做相应变换，两者 交换规律正好相反。,（3）交换后，利用串、并、反馈规律计算。,2、相加点后移，乘G；相加点前移加除G。 3、分支点后移，除G；分支点前移，乘G。,四、信号流图,信号流图是一种表示系统各参数关系的一种图解法，利用梅逊公式，很容易求出系统的等效传递函数。,梅逊公式,总增益：,例: 利用结构图等效变换法则求下图的传递函数,解:,由上图得,第三章 控制系统的时域分析方法,主要内容：,1、一阶惯性系统的单位阶跃响应，T、K的物理意义。 2、标准二阶系统的单位阶跃响应，和n、d 的物理意义。 3、高阶闭环主导极点的概念 4、控制系统单位阶跃响应过程的质量指标，ts，tp， 5、控制系统稳态误差 6 、劳斯稳定判据 7、常规PID调节器的控制规律(调节器的形式和作用的定性分析),一、一阶系统的动态响应,单位阶跃响应：,1、t=T时，系统从0上升到稳态值的63.2% 2、在t0处曲线切线的斜率等于1/T 3、ts=4T，（=2%），ts=3T，（=5%） 4、y()=K（对标准传递函数）,1,0.632,63.2,斜率=1/T,y(t)=1-exp(-t/T),二、二阶系统的动态响应,n：无阻尼自然频率，：阻尼系数（阻尼比）。,三、以阶跃响应曲线形式表示的性能指标,1、动态指标,(1) 峰值时间tp：,过渡过程曲线达到第一峰值所需要的时间。,(2) 超调量,(3) 调节时间ts:,2、静态指标,稳态误差或余差,利用终值定理,四、高阶闭环主导极点,1、在S平面上，距离虚轴比较近，且周围没有其它的零极点。 2、与其它闭环极点距虚轴的距离在5倍以上。,五、劳斯稳定判据,已知系统的特征方程式为：,(1) 特征方程式的系数必须皆为正（必要条件）。 (2) 劳斯行列式第一列的系数也全为正, 则所有的根都具有负实部。 (3) 第一列的系数符号改变的次数等于实部为正的根的个数。 (4) 第一列有零，用来代替，继续计算。一对纯虚根。利用上行系数求出。临界稳定。,例: 设系统的特征方程为,试确定使系统稳定的K的取值范围.,解:,欲使系统稳定, 第一列的元素应全大于零, 则,劳斯判据的应用,稳定判据只回答特征方程式的根在S平面上的分布情况，而不能确定根的具体数据。即也不能保证系统具备满意的动态性能。换句话说，劳斯判据不能表明系统特征根在S平面上相对于虚轴的距离。,由此法可以估计一个稳定系统的各根中最靠近右侧的根距离虚轴有多远，从而了解系统稳定的“程度”。,并代入原方程式中，得到以 为变量的特征方程式，然后用劳斯判据去判别该方程中是否有根位于垂线 右侧。,线性系统的相对稳定性,希望S左半平面上的根距离虚轴有一定的距离。设,六、常规控制规律,PID,求增益K和速度反馈系数 根据所求的,解：,例 设一随动系统如图所示，要求系统的超调量为0.2，,峰值时间,，,系统的闭环传递函数,第四章 线性系统的根轨迹,主要内容,1、根轨迹的基本概念 2、根轨迹的绘制 3、参数根轨迹 4、利用根轨迹分析和设计系统,（*）必须掌握：,1、根轨迹的绘制 2、利用根轨迹分析、设计系统（求取特殊点的K值，坐标，稳定范围）,根轨迹方程,特征方程 1+GH = 0,1,+,K*,这种形式的特征方程就是根轨迹方程,根轨迹的模值条件与相角条件,-1,绘制根轨迹的基本法则,1,根轨迹的条数,2,根轨迹对称于 轴,实,就是特征根的个数,3,根轨迹起始于,终止于,开环极点,开环零点,4,n-m条渐近线对称于实轴,均起于a 点,方,向由a确定:,k= 0,1,2, ,5,实轴上的根轨迹,6,根轨迹的会合与分离,1 说明什么,2 d的推导,3 分离角定义,实轴上某段右侧零、极点个数之和为奇数，则该段是根轨迹,k= 0,1,2, ,无零点时右边为零,L为来会合的根轨迹条数,7,与虚轴的交点,或,8,起始角与终止角,根轨迹示例1,根轨迹示例2,j,0,n=1;d=conv(1 2 0,1 2 2);rlocus(n,d),n=1 2;d=conv(1 2 5,1 6 10);rlocus(n,d),零度根轨迹,特征方程为以下形式时，绘制零度根轨迹,请注意：G(s)H(s)的分子分母均首一,零度根轨迹的模值条件与相角条件,零度,绘制零度根轨迹的基本法则,第五章 频率特性分析方法,主要内容：,系统频率特性的基本概念 频率特性两种图示法（极坐标图, 对数坐标图） 奈奎斯特稳定判据 稳定裕度 利用频率特性分析和设计系统,一、系统频率特性的基本概念,1、线性定常系统对正弦输入信号的稳态响应与输入函数 之比称为频率特性。,输入,幅值比 ，幅频特性。,相位差： ，相频特性。,2、用j代替传递函数中的s ，便得到了系统的频率特性G( j),模 为系统的幅频特性 ()，,相角 为系统的相频特性 。,3、最小相位系统与非最小相位系统 最小相位系统：零极点都在s左半平面； 非最小相位系统：右半平面存在零点或（和）极点,二、 典型环节的极坐标图(开环幅相特性曲线),坐标：,实部，虚部,画法：,求出频率特性的实部和虚部，或模和相角，求=0，时的值，增加中间点值（穿过实、虚轴点）。,1：确定开环幅相曲线的起点 和终点,概略绘制开环幅相曲线的方法,设,令开环传递函数的虚部,求出,穿越频率,幅相曲线与实轴的交点：,2：确定幅相曲线与实轴的交点,绘制一般系统的对数坐标图的步骤：,(1) 把系统频率特性改写成典型环节频率特性的乘积。 (2) 先不考虑K值。 (3) 找出各典型环节频率特性的转折频率。,(4) 确定坐标范围：,纵坐标：根据典型环节的幅频、相频特性( 低频、高频) 确定,横坐标的分度范围，根据转折频率确定。,三、 对数坐标图,两张图,坐标：lg。,纵坐标：,幅频： （db），,相频：相角（度）。,幅频：,求出转折频率，画渐近线。,(5) 绘制各典型环节频率特性的渐近线。,(8) 分别绘制各典型环节的对数相频特性图。,(6) 将所有典型环节的幅频特性曲线相加，得到总系统的对 数幅频坐标图。,(7) 考虑K值，在幅频特性曲线上平移,(9) 叠加 ，得到总系统的相频特性图 。,四、 奈奎斯特稳定判据,（1）当系统为开环稳定时，只有当开环频率特性不包 围（-1，j0）点，闭环系统才是稳定的。,（2）当开环系统不稳定时，若有P个开环极点在根的右半平 面时，只有当开环频率特性逆时针包围（-1，j0）点P 次，闭环系统才是稳定的。,对开环稳定的系统：,G(j)H(j)不包围(-1，j0)点，闭环稳定，闭环极点全部在s左半平面。,(2) G(j)H(j)包围(-1，j0)点，闭环不稳定，s右半平面有 闭环极点。,(3) G(j)H(j)通过(-1，j0)点，闭环临界稳定，在虚轴上 存在闭环极点。,五、 控制系统稳定裕度,相角裕度：,幅值裕度（极坐标）,(对数坐标图),对稳定系统， r0， h0，,对不稳定系统， r0， h0，,对临界稳定系统，r=0，h=0，,截止频率,穿越频率,例 最小相位系统对数幅频渐近特性如图所示。试确定系统传递函数。,例: 已知某闭环系统的开环传递函数为最小相位传递函数, 其对数幅频特性如下图所示, 试求其传递函数.,解:,控制系统的数学描述方法,系统,微分方程（组）,状态方程,系统时间响应y(t),传递函数,方块图,信号流图,分析系统稳定性的方法,求解系统的闭环特征方程 劳斯稳定判据 奈奎斯特稳定判据 根轨迹分析方法,基本控制规律,基本控制规律,（1）比例（P）控制规律,（2）比例-微分（PD）控制规律,提高系统开环增益，减小系统稳态误差，但会降低系统的相对稳定性。,PD控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，可使系统增加一个开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。,不宜采用单一的I控制器。,（3）积分（I）控制规律,在串联校正中，采用I控制器可以提高系统的型别（无差度），有利提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生,的相角滞后，于系统的稳定不利。,开环极点，提高型别，减小稳态误差。 左半平面的开环零点，提高系统的阻尼程度，缓和PI极点对系统产生的不利影响。只要积分时间常数,足够大，PI控制器对系统的不利影响可大为减小。,（4）比例-积分（PI）控制规律,PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。,I 积分发生在低频段，稳态性能(提高) D微分发生在高频段，动态性能(改善),增加一个极点，提高型别，稳态性能,两个负实零点，动态性能比PI更具优越性,两个零点,一个 极点,（5）比例（PID）控制规律,串联校正,串联超前校正,频率特性,20dB/dec,超前校正一般虽能较有效地改善动态性能，但未校正系统的相频特性在截止频率附近急剧下降时，若用单级超前校正网络去校正，收效不大。因为校正后系统的截至频率向高频段移动。在新的截止频率处，由于未校正系统的相角滞后量过大，因而用单级的超前校正网络难于获得较大的相位裕量。,基于上述分析，可知串联超前校正有如下特点：,这种校正主要对未校正系统中频段进行校正，使校正后中频段幅值的斜率为-20dB/dec，且有足够大的相位裕量。,超前校正会使系统瞬态响应的速度变快。由例6-1知，校正后系统的截止频率由未校正前的6.3增大到9。这表明校正后，系统的频带变宽，瞬态响应速度变快；但系统抗高频噪声的能力变差。对此，在校正装置设计时必须注意。,滞后校正网络特性,-20dB/dec,由于滞后校正网络具有低通滤波器的特性，因而当它与系统的不可变部分串联相连时，会使系统开环频率特性的中频和高频段增益降低和截止频率,系统获得足够大的相位裕度，它不影响频率特性的低频段。由此可见，滞后校正在一定的条件下，也能使系统同时满足动态和静态的要求。,处，滞后校正网络会产生一定的相角滞后量。为了使这个滞后角尽可能地小，理论上总希望,两个转折频率,越小越好，但考虑物理实现上的可行性，一般取,串联滞后校正,不难看出，滞后校正的不足之处是：校正后系统的截止频率会减小，瞬态响应的速度要变慢；在截止频率,减小，从而有可