自动控制系统重点归纳总结.ppt

1、第一章,自动控制系统的基本概念,基本术语：反馈量，扰动量，输入量，输出量，被控对象； 基本结构：开环，闭环，复合； 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：暂态，稳态，稳定性。 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。,开环控制系统的特点： 闭环控制系统的特点： 自动控制系统的本质特征： 闭环控制系统的基本组成，每个环节的作用。,闭环控制系统的组成和基本环节,闭环控制系统的结构（示意）图,1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被

2、控对象；7-检测装置,要求精度要高,控制器,题1-9、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 作原理，并画出系统结构图。,答：（1）工作原理：闭环控制方式。 （2）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）。 主扰动是流出水量。,液位自动控制系统方框图,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。 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）：,微分方程（时间域） （5）信号流图（复数域）

3、传递函数（复数域） （6）差分方程（离散） 结构框图（复数域） （7）脉冲传递函数（离散） 频率特性 (频域),1、 数学模型,建模的基本方法: (1) 机理分析法 (2) 统计法（辨识法） (3)实验测取,（黑箱）,（白箱）,2、传递函数,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换之比。,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,传递函数的表达形式有三种：,传递函数第一种形

4、式： 标准形式、有理分式形 式或多项式形式,传递函数第二种形式： 时间常数形式（尾1）， 在时域分析法中使用,传递函数第三种形式： 零极点形式（首1）， 在根轨迹法中使用,2、利用传递函数可直接根据系统传递的某些特征来研究系 统的性能；也可以将对系统性能的要求转换成对传递函数 的要求，从而对系统的设计提供简便的方法。,传递函数性质,1、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,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。移动后再将它们合并，以减少结构图中分支点和

5、相加点的数目。一般适用于前向通道。,结构图变换技巧,分支点移动,G1,G2,G3,G4,H3,H2,H1,a,b,向同类移动,变换技巧二：作用分解 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。一般适用于反馈通道。,作用分解,变换技巧三： 在走投无路时，记住等效代数化简是最根本的方法，它可以解决你在图形变换法中解决不了的各种疑难问题。,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

6、性能的优劣。,自动控制系统的时域指标 一阶系统的阶跃响应 二阶系统的阶跃响应 高阶系统的阶跃响应 自动控制系统的代数稳定判据 稳态误差,主要内容,自动控制系统的时域分析,（1）系统应是稳定的； （2）系统达到稳定时，应满足给定的稳态误差 的要求； （3）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,稳定性 稳态特性 暂态特性,三性,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）,稳态响应,暂态响应,标准型：,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，不稳定！,峰值时间tp,A,B,调节时间ts,二阶系统暂态特性

7、性能指标,快速性：上升时间tr ，调节时间ts 平稳性：超调量 %，振荡次数,要求：熟练掌握它们的物理 含义、计算公式和相 互关系。,对照标准型！,题 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：已知传函，对标准型，求出特征参数，求指标。,题3-11 一单位反馈控制系统的开环传递函数为,其单位阶跃响应曲线如图。,试确定系统参数Kk 及值。,高阶系统的分析： 是以二阶系统为基础的，正确理解主导极点和偶子 的概念，对高阶系统的暂态性能进行近似分析。 结论是： 极点离虚

8、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）， 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。,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 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，也与输入的 形式、大小和作用点有关。 稳态误差分类：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。 要求：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。,在求解稳态误差时，需把握以下要点： (1) 首先要将系统的开环传递函数变成尾1型。

9、(2) 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,第四章,根轨迹法,由0变化时，闭环特征根在S平面上移动的 轨迹如下图所示。这就是该系统的根轨迹。,1、什么是根轨迹,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值条件和辐角条件。,要求：熟练掌握根轨迹的绘制法则，绘制根轨迹。,3、绘制根轨迹的依据？根轨迹方程,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

10、最高次项系 数变为+1，其特征方程的形式有如下4种可能：,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；,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 )为可变参数绘制的根轨迹。,闭环传函,等效开环系统,与常规（常义）根轨迹的开环传函具 有相同形式,变形,绘制思路：,参数根轨迹的绘制,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则。,例4.9 给定控制系统的开环传递函数为 试作出以为参变量的根轨迹，并利用根轨迹分析 取何值时闭环系统稳定。 解 闭环特征方程 改写为 等效开环传递函数为,用所有不含的项做

11、分母,第5章 频率法,频域分析法: Frequency Domain Response Analysis,用频率响应来分析系统的方法。,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,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。,（8) 开环对数频率特性与系统性能之间的关系 （9）例题。,i.低频段决定了系统的稳态误差。,ii. 中频段决定系统的暂态特性。,iii. 高频段决定系统的抗干扰能力。,P267、习题 5-

12、14,第六章 控制系统的校正,控制系统校正的一般概念 串联校正 反馈校正 前馈校正,主要内容,各种校正方法的特点和适用范围。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 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） （1） 写出校正前、后系统的开环传递函数。,（2） 求校正前、后系统的相角裕度； （3） 写出校正装置的传递函数，并画出其对数幅频 特性曲线。,第七章 非线性系统分析,2020/7/28,第七章 非线性系统分析,50,1、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； 2、理解描述函数的基本概念，掌握描述函数的计算方法； 3、掌

13、握分析非线性系统的近似方法描述函数法。是工程近似方法 4、描述函数法对非线性系统的3个假设 5、能够应用描述函数法分析非线性系统稳定性和自振。 6、看例题,2020/7/28,第七章 非线性系统分析,51,描述函数法对非线性系统的假设, 系统可归化为线性部分与非线性部分相串联的典型结构。 非线性部分输出中的高次谐波振幅小于基波振幅。 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。,第八章 线性离散系统的理论基础,2020/7/28,第八章 线性离散时间系统的理论基础,52,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。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