同济大学自动控制原理复习课.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,自动控制原理,复习课,同济大学电子与信息工程学院,2010.9,自动控制理论的基本问题,控制系统的分析,l,典型信号下的响应,(,阶跃响应,频率特性,),l,数学模型,(,动态微分方程，,传递函数,信号流图,),l,性能指标,(,上升时间,峰值时间,超调量,稳态误差,谐振峰值,带宽,剪切频率,相位穿越频率,幅值裕度,相位裕度,),控制系统的设计,性能要求（,稳、准、快）,控制器的结构和参数设计和整定,l,性能校核,(,计算,仿真,实验,),系统数学模型描述系统输入、输出及系统内部变量之间关系的数学表达式控制系统数学模型的表达方式有微分方程、传递函数、方框图、信号流图等。,系统的数学模型,结构框图的变换法则,1,串联变换法则,2,并联变换法则,3,反馈连接变换法则,4.,引出点和比较点的移动法则,信号流图及,MASON,增益公式,P,k,:,从输入到输出的第,k,条前向路径的增益；,：特征值；,k,：在,中，将与第,k,条前向通路相接触的回路除去后所余下的部分，也称为余子式；,l,i,:,所有各回路的“回路传递函数”之和；,L,i,L,j,:,两两互不接触的回路，其“回路增益”乘积之和；,L,i,L,j,L,k,:,所有三个互不接触的回路，其“回路增益”乘积之和。,典型环节及其传递函数,比例环阶的单位阶响应跃,比例环节结构框图,反馈控制系统特性,控制系统的稳态误差,一个系统的稳态性能是以系统响应某些,典型输入信号时的稳态误差来评价的。,（,1,）误差：误差的评价可以有两种定义方法。,一种从输入端定义：,另一种从输出端定义,。,（,2,）稳态误差：,二阶系统的单位阶跃响应,反馈控制系统的性能,欠阻尼二阶系统的性能指标,二阶系统的性能指标包括,上升时间,、,峰值时间、调整时间、超调量和稳态误差,等。,增加零极点对二阶系统输出的影响,结论,1,、,极点,起,惯性延缓,作用，离虚轴越近影响越大；,2,、,零点,起,微分加快,作用，可抵消最近极点作用；,3,、左极点稳定，右极点发散；,4复极点振荡，实极点不振荡。,线性反馈系统的稳定性,Routh-Hurwitz,稳定判据,根轨迹法,Nyquist,稳定性判据,Routh-Hurwitz,稳定判据,由于三阶或以上代数方程求解困难；,该方法不需要代数求解。,将系统的特征方程展开；,根据方程系数排,Routh,表；,则系统稳定的充分必要条件是：,特征方程的全部系数同号，,并且没有零系数，,Routh,表第一列的全部元素,全部为正。,根轨迹的概念,必须将,开环传递函数,简化成此,标准形式,基于根轨迹的控制系统分析,1.,增加开环零极点时对根轨迹及系统稳定性的影响,增加开环极点将多一条发散轨迹该轨迹对原有轨迹产生排斥作用,使系统稳定性变差,;,增加开环零点将少一条发散轨迹，该轨迹对原有轨迹产生吸引作用,使系统稳定性变好。,2.,移动,开环零极点时对根轨迹及系统稳定性的影响,根轨迹会发生显著变化,;,频率响应法,系统的频率响应的定义为：系统对正弦输入信号的稳态响应。在这种情况下，系统的输入信号是正弦信号，系统的内部信号以及系统的输出信号也都是稳态的正弦信号，这些信号频率相同，幅值和相角各有不同。,频率响应图,频率特性的基本内容：极坐标图（,Nyquist,图）；对数频率特性图（,Bode,图）；对数幅值相位图（,Nichols,图）。,Nyquist,图作图规则：,根据频率响应的实部和虚部分别描画，或者根据频率响应函数的 幅值与相角进行描画。,在,趋于,0,的曲线见下左图，,趋于无穷的曲线见下右图。,3.,通过令,ReG(j,)H(,j,)=0,和,ImG(j,)H(,j,)=0,，可分别求出,G(j,)H(,j,),与实轴和虚轴的交点。,4.,当,G(s)H(s),不包含微分因子时，,G(j,)H(,j,),的奈氏曲线是一个幅值逐渐衰减，相位也逐渐衰减的光滑曲线。,Nyquist,图,(,极坐标图,),作图规则,根据频率响应的实部和虚部分别描画，或者根据频率响应函数的幅值与相角进行描画。,在,趋于,0,的曲线见下左图，,趋于无穷的曲线见下右图。,通过令,ReG(j)H(j)=0,和,ImG(j)H(j)=0可分别求出,G(j )H(j),与实轴和虚轴的交点。,当,G(s)H(s),不包含微分因子时，,G(j)H(j),的奈氏曲线是一个幅值逐渐衰减，相位也逐渐衰减的光滑曲线。,Nyquist,图作图规则,1.,将开环传递函数,G(s)H(s),化成标准形式,;,2.,求出,3.,求出各基本因子的转角频率,4.,幅频特性图：过 与 的交点，作一斜率为,的直线，然后从最低频到最高频，通过简单零点角频率则把斜率增加,20dB/dec,；通过一个简单极点角频率斜率增加,-20dB/dec,；通过一个二阶振荡因子角频率，直线斜率增加,-40dB/dec,。这样就得到近似的幅频特性图。在各个折线附近进行修正就可以比较准确的幅频特性图。,5.,相频特性：先画出各个基本因子的相频特性图，然后把各个基本因子的相频特性曲线相连 ，,，就得到开环传递函数,G(s)H(s),的相频特性图。,注：幅频特性曲线的每个折线段要标明斜率*,dB/dec!,Bode,图作图规则,Nyquist,稳定性判据,假如,s,在,s,平面沿,Nyquist,路径绕一圈，,F,绕原点的圈数则为,F(s),在,s,右半平面内的零点与极点个数之差，即有：,N=Z P,式中：,ZF(s),在,s,右半平面内的零点个数，即系统在,s,右半平,面的闭环极点数目；,PF(s),在,s,右半平面内的极点个数，即开环传递函数,G(s)H(s)在,s,右半平面上的极点数目；,N,F,绕原点的圈数。,(,一,)F(s),平面上的,Nyquist,判据,F(s),平面上,Nyquist,稳定性判据：,当,Z=0,时，系统是稳定的，反之，系统是不稳定的。,GH,平面与,F,平面,由于往往已知的是,G(s)H(s),，直接绘制而得的是,G(s)H(s),的轨线,G(j,)H(j),，所以我们希望直接利用,G(s)H(s),平面的轨线来判断系统的稳定性。,(,二,)G(s)H(s),平面与,Nyquist,判据,结论：,s,沿闭合曲线,运动一周所产生的两条闭合曲线,F,和,GH,只差常数,1,，即闭合曲线,F,可由,GH,沿实轴正方向平移一个单位长度获得。闭合曲线,F,包围,F(s),平面原点的圈数等于闭合曲线,GH,包围,F(s),平面（,-1,，,0,）点的圈数。,G(s)H(s),平面上的,Nyquist,稳定性判据：,当开环传递函数,G(s)H(s),在,s,右平面内没有极点时，闭环反馈系统稳定的充要条件是：,G(s)H(s),平面上的映射围线,GH,不包围,(-1,，,0),点。,(,此时，,P=0,，,N=0,，则,Z=N+P=0,，则系统稳定。,),如果开环传递函数,G(s)H(s),在,s,右半平面上有极点，则闭环反馈系统稳定的充要条件是：,G(s)H(s),在,s,平面上的映射围线,GH,沿逆时针方向包围,(-1,，,0),点的周数等于,G(s)H(s),在,s,右半平面内极点的个数。,(,因为只有,Z=N+P=0,时系统稳定，故有,N=-P,时系统稳定。,),应用,Nyquist,稳定性判据的一般步骤：,两个概念,c,剪切频率，截止频率，增益穿越频率。,奈氏图中与单位圆,|,G,|=1,的交点；,伯德图中与,L,()=0,的交点。,g,相位穿越频率,系统的稳定裕量,利用频域方法确定系统的时域性能指标,系统设计方法,1.,串联校正,（,1,）相位超前校正,（,2,）相位滞后校正,2.,反馈校正,3.,输出校正,4.,输入校正,THANK YOU VERY MUCH,！,复习课到此结束，,谢谢您的光临！,