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1、自控原理1复习 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 绪论绪论一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念什么是自动控制、应用概况、实际系统什么是自动控制、应用概况、实际系统方块图方块图自动控制系统自动控制系统受控对象、控制装置、检测装置、受控对象、控制装置、检测装置、输入信号（输入信号（参考输入，扰动输入参考输入，扰动输入）控制装置控制装置受控对象受控对象给定输入给定输入输出量输出量扰动扰动扰动扰动控制量控制量反馈反馈检测装置检测装置2二
2、、二、 自动控制的基本方式自动控制的基本方式1 1、开环控制与闭环控制、开环控制与闭环控制开环控制开环控制特点：没有反馈信息，信号单向传递。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。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、分析优点：结构简单、易于构造、成本低、分析 设计容易。设计容易。控制装置控制装置受控对象受控对象输入量输入量输出量输出量扰动扰动3闭环控制闭环控制特点：获取反馈信息，信号传递形成闭合回路，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。一般采用按偏差的负反馈控制。优点：抗扰性好，控制精度高；优点：抗扰性
3、好，控制精度高；缺点：结构更复杂、成本更高，性能分析更难。缺点：结构更复杂、成本更高，性能分析更难。控制装置控制装置受控对象受控对象检测环节检测环节输入信号输入信号扰动扰动受控量受控量- -e e42 2、自动控制的基本方式、自动控制的基本方式按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制计算计算受控对象受控对象执行执行给定值给定值受控量受控量扰动扰动给定值操纵与按扰动补偿相结合的开环控制给定值操纵与按扰动补偿相结合的开环控制计算计算受控对象受控对象执行执行给定值给定值受控量受控量扰动扰动测量测量5按偏差调节的闭环控制系统按偏差调节的闭环控制系统控制装置控制装置受控对象受控对象测量测量给定值给定
4、值扰动扰动受控量受控量- -u u更具一般性的闭环控制结构更具一般性的闭环控制结构控制装置控制装置受控对象受控对象测量测量给定值给定值扰动扰动受控量受控量- -e eu u6l复合控制复合控制1 1 按扰动作用补偿按扰动作用补偿控制装置控制装置受控对象受控对象测量测量给定值给定值扰动扰动受控量受控量- -e e补偿装置补偿装置特点：开环与闭环结合，改善抗扰性能，控制精度高，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。但结构较复杂。7控制装置控制装置受控对象受控对象测量测量给定值给定值扰动扰动受控量受控量- -e e补偿装置补偿装置l复合控制复合控制2 2 按输入作用补偿按输
5、入作用补偿特点：开环与闭环结合，改善跟踪性能。特点：开环与闭环结合，改善跟踪性能。8三、控制系统的基本类型三、控制系统的基本类型l连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统l线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统l定常系统与时变系统定常系统与时变系统l恒值控制系统与随动控制系统恒值控制系统与随动控制系统9第二章第二章 控制系统的数学描述控制系统的数学描述一、自动控制系统的数学模型分类一、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。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、输入输出模型：微分方程、传递函数、 结构图、频率特性。
6、结构图、频率特性。10二、微分方程描述与传递函数描述二、微分方程描述与传递函数描述1 1、传递函数的定义传递函数的定义：在：在零初始条件零初始条件下下线性定常系线性定常系统统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。2 2、传递函数与微分方程可相互转换、传递函数与微分方程可相互转换)s(U)t (u),s(Y)t (y)s(Fs1d )(f,sdtdt0nnn 11011n1nn011m1mmmasasasbsbsbsbG(s) 有有理理分分式式形形式式： n1iim1iig)p(s)z(sKG(s)零零极极点点形形式式： n1iim1ii)1s(T)1s
7、(KG(s) 时时间间常常数数形形式式：3 3、传递函数的表达形式、传递函数的表达形式12s2nn22n2222eG(s)s2s1Ts2sT1G(s)1Ts2sTG(s)1sG(s)sG(s)s1G(s)1TsKG(s)KG(s) 纯纯滞滞后后环环节节：振振荡荡环环节节：二二阶阶微微分分：一一阶阶微微分分：微微分分环环节节：积积分分环环节节：惯惯性性环环节节：比比例例环环节节：三、典型环节的传递函数三、典型环节的传递函数13四、结构图、等价变换、化简四、结构图、等价变换、化简串联、并联的等价变换串联、并联的等价变换正、负反馈的等价变换；正、负反馈的等价变换；综合点的前移、后移综合点的前移、后移
8、相邻综合点的交换、合并相邻综合点的交换、合并引出点的前移、后移引出点的前移、后移相邻引出点的交换、移动。相邻引出点的交换、移动。14五、五、 反馈控制系统的传递函数反馈控制系统的传递函数Gc(s)G o(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)（2 2）闭环系统的特征多项式与特征方程）闭环系统的特征多项式与特征方程)s(R)s(U)s(D)s(Y)s(D)s(E)s(R)s(E)s(R)s(Y，如何运用反馈公式求如何运用反馈公式求）（ 1.0G10BA.BABA,)s(A)s(BHGGGkock为特征方程为特征方程或或为特征多项式为特征多项式则则为多项式，为多项式，、设设 15第
9、三章第三章 控制系统的运动分析控制系统的运动分析对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 稳定性、稳态响应性能稳定性、稳态响应性能( (稳态误差）、稳态误差）、 动态（暂态）响应性能（平稳性、快速性）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典型输入信号及典型响应之间的关系 微分与积分关系微分与积分关系163. 3. 控制系统的暂态响应特性控制系统的暂态响应特性1TsK)s(G l 单位阶跃响应与性能指标单位阶跃响应与性能指标l 一阶系统的暂态响应特性一阶系统的暂态响应特性T T、K K 与响应性能的关系？与响应性能的关系？17l 二阶规范型系统的暂态响应特
10、性二阶规范型系统的暂态响应特性2nn22ns2s)s(G 一、二阶系统极点位置与暂态一、二阶系统极点位置与暂态 响应特性的关系响应特性的关系: 稳定性、平稳性、快速性稳定性、平稳性、快速性二阶系统零点对暂态特性的影响二阶系统零点对暂态特性的影响：阻阻尼尼比比，：无无阻阻尼尼自自然然振振荡荡频频率率 n.n是是欠欠阻阻尼尼系系统统）性性能能指指标标的的计计算算（重重点点与与响响应应性性能能的的关关系系；， j0s平面平面s2s1极点位置极点位置 18系统极点位置与响应特性的关系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。稳定与否，稳定时响应的平稳性、快速性。l 高阶系统
11、的暂态响应高阶系统的暂态响应 高阶系统近似为低阶系统：高阶系统近似为低阶系统： “主导极点主导极点”、“非主导零点非主导零点”和和“偶极子偶极子”的概念的概念194. 4. 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 稳定性的基本概念稳定性的基本概念 稳定性的两种常用定义稳定性的两种常用定义 运动稳定性运动稳定性 有界输入有界输出稳定性（有界输入有界输出稳定性（ BIBO BIBO 稳定）稳定） 线性定常系统的稳定条件线性定常系统的稳定条件 系统极点均具有负实部系统极点均具有负实部 反馈控制系统稳定的充要条件反馈控制系统稳定的充要条件 特征方程的根（闭环极点）均具有负实部特征方程的根（闭环极点）均具有负
12、实部20 判断系统是否稳定；判断系统是否稳定； 判断不稳定极点的个数；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；求出保证系统稳定的参数取值范围； （参数的稳定域）（参数的稳定域） 分析系统的相对稳定性。分析系统的相对稳定性。劳斯劳斯- -赫尔维茨稳定判据赫尔维茨稳定判据劳斯表的计算规律劳斯表的计算规律劳斯判据的应用：劳斯判据的应用：215. 5. 控制系统的稳态误差控制系统的稳态误差态误差。态误差。跟踪稳态误差、扰动稳跟踪稳态误差、扰动稳稳态误差的定义和分类稳态误差的定义和分类 E(s) 在在左左半半平平面面。除除原原点点外外，其其余余极极点点均均前前提提：差差利利用用终终值值定
13、定理理求求稳稳态态误误 内内模模原原理理稳稳定定的的条条件件0 0稳稳态态误误差差 性性的的定定义义正正弦弦输输入入时时利利用用频频率率特特稳稳态态分分解解为为暂暂态态将将何何求求稳稳态态误误差差不不能能利利用用终终值值定定理理时时如如 E(s) j （只用于（只用于E(s)在虚轴上有原点以外的极点）在虚轴上有原点以外的极点）Gc(s)G o(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)22中中的的积积分分环环节节数数。型型对对应应对对于于参参考考输输入入，系系统统的的 n-1jjm1iik)1s(Ts)1s(K(s)G积积分分环环节节数数。前前的的型型一一般般对对应应扰扰动动作作用
14、用点点对对于于扰扰动动输输入入，系系统统的的 与与稳稳态态误误差差的的关关系系控控制制系系统统的的型型， Gc(s)G o(s)H(s)D(s)Y(s)R(s)-U(s)E(s)0el,s1)s(Rsrl 有有对对 23一、根轨迹的定义及分类一、根轨迹的定义及分类u常规根轨迹（增益由常规根轨迹（增益由00的闭环极点轨迹）的闭环极点轨迹）u参数根轨迹（其他参数由参数根轨迹（其他参数由00的根轨迹）的根轨迹） 如何得到等效开环传递函数如何得到等效开环传递函数u零度根轨迹（零度根轨迹（1 1G Gk k(s)=0(s)=0的根轨迹）的根轨迹） 用于正反馈、非最小相位系统或增益由用于正反馈、非最小相位
15、系统或增益由00u根轨迹族（多个参数变化时的根轨迹）根轨迹族（多个参数变化时的根轨迹）第四章第四章 根轨迹法根轨迹法（掌握前两类）（掌握前两类）24G(s)H(s)-R(s)Y(s)二、二、 绘制根轨迹的基本依据和条件绘制根轨迹的基本依据和条件特征方程：特征方程：1+G(s)H(s)=01+G(s)H(s)=0或或 G(s)H(s)= -1G(s)H(s)= -1幅值条件和相角条件：幅值条件和相角条件：mn,)z(s)p(sK,1)p(s)z(sKG(s)H(s)m1iin1iign1iim1iig 或或,2 , 1 ,0k),1k2(180)ps()zs()s(H)s(Gn1iim1jj 。
16、幅值条件和相角条件的几何意义？幅值条件和相角条件的几何意义？25三、绘制常规根轨迹的基本规则三、绘制常规根轨迹的基本规则 根轨迹的分支数、对称性、根轨迹的分支数、对称性、 起点和终点、实轴上的根轨迹、起点和终点、实轴上的根轨迹、 渐近线（倾角，与实轴的交点）、渐近线（倾角，与实轴的交点）、 分离点和汇合点、与虚轴的交点、分离点和汇合点、与虚轴的交点、 出射角和入射角、出射角和入射角、 特征方程的根之和特征方程的根之和= =开环极点之和（开环极点之和（n-m2n-m2）分析与设计：分析与设计：确定主导极点确定主导极点根轨迹增益根轨迹增益其他闭环极点其他闭环极点闭环传递函数闭环传递函数26一、频率
17、特性的定义一、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；输出的稳态分量与输入正弦信号之间的关系； 幅频特性，相频特性幅频特性，相频特性二、频率特性的几何表示二、频率特性的几何表示 幅相频率特性图（极坐标图，幅相频率特性图（极坐标图，NyquistNyquist图）；图）； 对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）；第五章第五章 频率响应分析法频率响应分析法27三、频率特性图的绘制三、频率特性图的绘制l 典型环节的频率特性典型环节的频率特性l 开环频率特性开环频率特性l 最小相位与非最小相位系统的频率特性最小相位与非最小相位系统的频率特性l 最小相位
18、系统对数幅频和相频特性的对应关系最小相位系统对数幅频和相频特性的对应关系l 最小相位系统近似对数幅频特性最小相位系统近似对数幅频特性和和传递函数的传递函数的对应关系对应关系28四、频率稳定判据四、频率稳定判据 幅角原理（映射定理）幅角原理（映射定理） Nyquist Nyquist稳定判据；稳定判据； 开环传函包含虚轴上极点时的开环传函包含虚轴上极点时的NyquistNyquist稳定判据；稳定判据； 应用应用NyquistNyquist稳定判据分析系统性能稳定判据分析系统性能( (稳定域等稳定域等) )五、稳定裕量五、稳定裕量；幅幅穿穿频频率率（截截止止频频率率）相相角角裕裕量量；相相穿穿频频率率增增益益裕裕量量cgm, g。与与响响应应性性能能的的大大致致关关系系稳稳定定裕裕量量及及的的计计算算及及分分析析；稳稳定定裕裕量量c 29