工学自动控制理论复习提纲.pptx

西南科技大学西南科技大学 信息工程学院信息工程学院自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一2基本要求：基本要求：v 了解自动控制系统的基本原理、分类和特点了解自动控制系统的基本原理、分类和特点 v 掌握自动控制系统的组成和各部分的作用掌握自动控制系统的组成和各部分的作用v 掌握反馈控制系统的基本要求掌握反馈控制系统的基本要求v 根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量 和被控制量，正确画出系统的方框图和被控制量，正确画出系统的方框图第第1章章 自动控制概论自动控制概论自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一3第第1章章 自动控制概论自动控制概论v控制理论的发展历程控制理论的发展历程v自动控制与自动控制系统的基本概念自动控制与自动控制系统的基本概念v自动控制基本控制方式自动控制基本控制方式v控制系统的类型控制系统的类型v控制系统的组成控制系统的组成v对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求(开环、闭环、复合开环、闭环、复合)(随动和定值随动和定值)(测量、比较、放大、执行、校正测量、比较、放大、执行、校正)(稳定性、准确性、快速性稳定性、准确性、快速性)知识要点：知识要点：(经典、现代、智能经典、现代、智能)自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一4 基本要求：基本要求：v了解建立系统微分方程的一般方法了解建立系统微分方程的一般方法v掌握运用拉氏变换解微分方程的方法掌握运用拉氏变换解微分方程的方法v牢固掌握传递函数的概念、定义和性质牢固掌握传递函数的概念、定义和性质v明确传递函数与微分方程的关系明确传递函数与微分方程的关系v能熟练地进行结构图等效变换能熟练地进行结构图等效变换v明确结构图与信号流图间的关系明确结构图与信号流图间的关系第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一5知识要点：知识要点：建立系统的数学模型就是用数学的形式和方法表示和描述建立系统的数学模型就是用数学的形式和方法表示和描述系统中各变量间的关系。系统中各变量间的关系。1、微分方程、微分方程 建立微分方程的步骤：建立微分方程的步骤：(1)(1)确定输入和输出量；确定输入和输出量；(2)(2)从输入端开始，按照信号的传递顺序，根据各变量所从输入端开始，按照信号的传递顺序，根据各变量所 遵循的遵循的物理定理物理定理写出各微分方程组；写出各微分方程组；(3)(3)消去中间变量，整理出输入、输出及其导数的方程；消去中间变量，整理出输入、输出及其导数的方程；(4)(4)标准化。标准化。第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一62、传递函数、传递函数定定义义：在在零零初初始始条条件件下下，系系统统输输出出量量的的拉拉氏氏变变换换与与输输入入量量的的拉拉氏氏变变换换之之比比称称为为传传递递函函数数。(适适应应于于线线性性定定常常单单输输入入、单单输输出出系统系统)掌握掌握传递函数的求法：传递函数的求法：(1)(1)对系统的微分方程取拉氏变换对系统的微分方程取拉氏变换(或直接替换或直接替换)；(2)(2)简化系统的动态方框图；简化系统的动态方框图；(3)(3)利用信号流图和梅逊公式；利用信号流图和梅逊公式；(4)(4)对于电气网络，还可采用运算阻抗的方法。对于电气网络，还可采用运算阻抗的方法。传递函数的表示形式：有理分式、零极点表示。传递函数的表示形式：有理分式、零极点表示。第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一73、动态方框图的建立与化简、动态方框图的建立与化简 绘制方块图方法：绘制方块图方法：根据系统各环节的动态微分方程式根据系统各环节的动态微分方程式(组成组成系统的动态微分方程组系统的动态微分方程组)，及其拉氏变换。，及其拉氏变换。方方框框图图的的化化简简要要遵遵循循等等效效原原则则，即即对对任任一一环环节节变变换换时时，变变换前后该环节的输入量、输出量及其相互关系应保持不变。换前后该环节的输入量、输出量及其相互关系应保持不变。化化简简方方块块图图的的关关键键是是解解除除交交叉叉结结构构，即即移移动动分分支支点点或或相相加加点点，使使被被简简化化的的环环节节中中不不存存在在与与外外部部直直接接相相连连的的分分支支点点和和相相加加点。点。方块图的化简：方块图的化简：第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一8(1)(1)串联环节的合并串联环节的合并(2)(2)并联环节的合并并联环节的合并(3)(3)反馈回路的简化反馈回路的简化(4)(4)相加点和分支点的移动（前移、后移）相加点和分支点的移动（前移、后移）(5)(5)其他的等价变换（等效为单位反馈、负号的移动）其他的等价变换（等效为单位反馈、负号的移动）变换规则：变换规则：第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一9 相加点的后移相加点的后移 相加点的前移相加点的前移 相临的信号相加点位置可以互换，或者是进行合并；相临的信号相加点位置可以互换，或者是进行合并；第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一10 分支点的后移分支点的后移 分支点的前移分支点的前移同一信号的分支点位置可以互换同一信号的分支点位置可以互换 相加点和分支点在一般情况下，不进行互换。相加点和分支点在一般情况下，不进行互换。第第2章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一11 基本要求：基本要求：v正确理解时域响应的性能指标、稳定性、系统的型别和正确理解时域响应的性能指标、稳定性、系统的型别和静态误差系数等概念静态误差系数等概念v牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点牢固掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点 v牢固掌握二阶系统的数学模型，并能熟练计算欠阻尼时牢固掌握二阶系统的数学模型，并能熟练计算欠阻尼时域性能指标特征域性能指标特征第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析v正确理解线性定常系统稳定的条件，熟练的应用劳斯判正确理解线性定常系统稳定的条件，熟练的应用劳斯判据判定系统的稳定性据判定系统的稳定性v正确理解和重视稳态误差的定义并能熟练掌握稳态误差正确理解和重视稳态误差的定义并能熟练掌握稳态误差的计算方法，明确终值定理的使用条件的计算方法，明确终值定理的使用条件自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一12知识要点：知识要点：1、时时域域分分析析：是是指指控控制制系系统统在在一一定定的的输输入入下下，根根据据输输出出量量的的时域表达式时域表达式，来分析系统的稳定性、瞬态，来分析系统的稳定性、瞬态(动态动态)和稳态性能。和稳态性能。2、在在阶阶跃跃信信号号的的作作用用下下的的输输出出，称称作作阶阶跃跃响响应应。一一般般都都用用它它来分析一阶和二阶系统的性能。来分析一阶和二阶系统的性能。3、线线性性定定常常系系统统的的重重要要特特性性：系系统统对对输输入入信信号号导导数数的的响响应应，等等于于系系统统对对该该输输入入信信号号响响应应的的导导数数。或或者者系系统统对对输输入入信信号号积积分分的响应等于系统对该输入信号响应的积分。的响应等于系统对该输入信号响应的积分。第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析典型传递函数典型传递函数:4、一阶系统的时域分析、一阶系统的时域分析自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一135、二阶系统的时域分析、二阶系统的时域分析典型传递函数典型传递函数 二阶系统二阶系统特征方程特征方程当当 0 x x 0，且特征方程式，且特征方程式不缺项；不缺项；(2)(2)劳斯阵列中第一列所有项全部为正。劳斯阵列中第一列所有项全部为正。列写劳斯阵列时，要注意特殊情况。列写劳斯阵列时，要注意特殊情况。第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一168、稳态误差的计算、稳态误差的计算 (1)静态误差系数法：静态误差系数法：根据系统的型别根据系统的型别 v，求静态误差系数。求静态误差系数。利用参考输入作用下利用参考输入作用下 ess()与系统型别、静态误差系数间的关与系统型别、静态误差系数间的关系确定系确定 ess()。计算系统稳态误差的共同前提条件是：计算系统稳态误差的共同前提条件是：系统必须稳定系统必须稳定。第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析位置误差位置误差速度误差速度误差加速度误差加速度误差自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一17 减小或消除误差的措施减小或消除误差的措施：提高开环积分环节的阶次：提高开环积分环节的阶次 、增加开增加开环增益环增益 K。表表 输入信号作用下的稳态误差输入信号作用下的稳态误差第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一18 (2)利用拉氏变换的终值定理求利用拉氏变换的终值定理求 ess()：当当 sE(s)的全部极的全部极点点(除坐标原点外除坐标原点外)都具有负实部时，有都具有负实部时，有(3)动态误差系数法动态误差系数法(4)整式除法整式除法第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一19基本要求：基本要求：1 1、掌握根轨迹的概念、掌握根轨迹的概念2 2、熟悉根轨迹图的绘制规则、熟悉根轨迹图的绘制规则第第4章章 根轨迹法根轨迹法自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一20根轨迹图的绘制规则根轨迹图的绘制规则第第4章章 根轨迹法根轨迹法知识要点：知识要点：【规规则则1】根根轨轨迹迹的的分分支支数数：根根轨轨迹迹在在s平平面面上上的的分分支支数数等等于于闭闭环环特特征征方方程程的的阶阶数数n，也也就就是是分分支支数数与与闭闭环环极极点点的的数数目目相相同同，亦亦等于开环极点的数目。等于开环极点的数目。【规规则则2】根根轨轨迹迹的的连连续续性性与与对对称称性性：根根轨轨迹迹是是连连续续且且对对称称于于实实轴轴的的曲曲线线。闭闭环环极极点点若若为为实实数数，则则位位于于s平平面面实实轴轴；若若为为复复数数则则共轭出现，所以根轨迹对称于实轴。共轭出现，所以根轨迹对称于实轴。【规则规则3】根轨迹的起点和终点根轨迹的起点和终点:根轨迹起始于开环极点，终止根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点；如果开环零点数于开环零点；如果开环零点数m 小于开环极点数小于开环极点数n，则有，则有(n-m)条根轨迹终止于无穷远条根轨迹终止于无穷远处处(的零点的零点)。自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一21第第4章章 根轨迹法根轨迹法【规规则则4】根根轨轨迹迹的的渐渐近近线线：如如果果控控制制系系统统的的开开环环零零点点数数目目m小小于于开开环环极极点点数数目目n，当当 k时时，伸伸向向无无穷穷远远处处根根轨轨迹迹的的渐渐近近线线共有共有(n m)条。条。【规则规则5】实轴上的根轨迹：实轴上的根轨迹：实轴上根轨迹区段的右侧，开环零、实轴上根轨迹区段的右侧，开环零、极点数目之和应为奇数。极点数目之和应为奇数。【规则规则6】分离点分离点(会和点会和点)坐标坐标【规则规则7】根轨迹与虚轴的交点根轨迹与虚轴的交点【规则规则8】根轨迹的起始角和终止角根轨迹的起始角和终止角【规则规则9】根之和根之和自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一22基本要求：基本要求：1 1、掌握频率特性的基本概念、掌握频率特性的基本概念2 2、熟悉典型环节的频率特性、熟悉典型环节的频率特性3 3、掌握频率特性和对数频率特性的绘制、掌握频率特性和对数频率特性的绘制4 4、掌握、掌握 Nyquist 稳定判据在极坐标图及对数频率特性图稳定判据在极坐标图及对数频率特性图 中的应用中的应用5 5、熟悉相对稳定性概念和稳定裕量的计算、熟悉相对稳定性概念和稳定裕量的计算第第5章章 频域特性法频域特性法自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一23知识要点：知识要点：1、频率特性的概念频率特性的概念 系统的系统的频率响应定义为系统在正弦作用下稳态响应的频率响应定义为系统在正弦作用下稳态响应的振幅、相位与所加正弦作用的频率之间的依赖关系。振幅、相位与所加正弦作用的频率之间的依赖关系。幅频特性、相频特性幅频特性、相频特性 实频特性、虚频特性实频特性、虚频特性 2、频率特性的求取频率特性的求取 将传递函数将传递函数 G(s)或或 G(s)H(s)中的中的 s 用用 jw w 取代即可取代即可。第第5章章 频域特性法频域特性法自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一243、频率特性的图解形式频率特性的图解形式(1)幅相频率特性图，极坐标图幅相频率特性图，极坐标图(2)对数频率特性图，即对数频率特性图，即Bode图图(3)对数幅相频率特性对数幅相频率特性第第5章章 频域特性法频域特性法4、一般的近似对数幅频曲线的特点一般的近似对数幅频曲线的特点(1)最左端直线的斜率为最左端直线的斜率为 20 dB/dec，这里，这里 是积分环节的是积分环节的 个数；个数；(2)在在 时，最左端直线或其延长线的分贝值等于时，最左端直线或其延长线的分贝值等于 20lgk；(3)在交接频率处，曲线的斜率发生改变，改变多少取决于典在交接频率处，曲线的斜率发生改变，改变多少取决于典 型环节种类。例如，惯性环节后，斜率减少型环节种类。例如，惯性环节后，斜率减少 20 dB/dec；而在振荡环节后，斜率减少而在振荡环节后，斜率减少 40 dB/dec。自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一256、频率特性在系统分析中的应用频率特性在系统分析中的应用第第5章章 频域特性法频域特性法 最最小小相相角角系系统统的的零零点点、极极点点均均在在 s 平平面面的的左左半半平平面面，在在 s平面的右半平面有零点或极点的系统是非最小相角系统。平面的右半平面有零点或极点的系统是非最小相角系统。5、最小相角系统和非最小相角系统、最小相角系统和非最小相角系统(1)Nyquist稳定判据稳定判据 设开环系统传递函数在右半设开环系统传递函数在右半 s 平面上的极点数为平面上的极点数为 P，则，则闭环系统稳定的充要条件为：当闭环系统稳定的充要条件为：当 w w 从从 0 到变化到变化 时，开环时，开环频率特性频率特性 G(jw w)的极坐标图应当逆时针方向包围的极坐标图应当逆时针方向包围(-1,j0)点点 P/2圈。圈。(2)相对稳定性：相角裕度、幅值裕度相对稳定性：相角裕度、幅值裕度自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一26基本要求：基本要求：1、熟悉系统设计与校正的基本概念、熟悉系统设计与校正的基本概念2、熟悉校正的方式、熟悉校正的方式3、了解基本的控制规律、了解基本的控制规律第第6章章 控制系统综合与设计控制系统综合与设计自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一27第第6章章 控制系统综合与设计控制系统综合与设计知识要点：知识要点：常用的校正装置或控制器是超前、滞后、滞后常用的校正装置或控制器是超前、滞后、滞后超前超前校正装置和校正装置和PID控制器。控制器。滞后滞后超前网络超前网络滞后网络滞后网络超前网络超前网络PID 调节器调节器自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一281、掌握自动控制系统中常见的典型非线性特性、掌握自动控制系统中常见的典型非线性特性2、掌握分析非线性系统的方法、掌握分析非线性系统的方法描述函数法描述函数法3、熟练掌握应用描述函数分析法分析系统的稳定性、熟练掌握应用描述函数分析法分析系统的稳定性4、掌握应用描述函数分析法，分析系统自振荡产生的、掌握应用描述函数分析法，分析系统自振荡产生的 条件及振幅和频率的确定条件及振幅和频率的确定第第7章章 非线性控制系统非线性控制系统基本要求：基本要求：自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一29第第7章章 非线性控制系统非线性控制系统知识要点：知识要点：饱和特性、死区特性、继电特性、间隙特性饱和特性、死区特性、继电特性、间隙特性1、常见的典型非线性特性、常见的典型非线性特性2、应用描述函数分析法分析系统的稳定性、应用描述函数分析法分析系统的稳定性G(jw w)包围包围-1/N(A),系统不稳定，否则稳定。系统不稳定，否则稳定。3、自振分析、自振分析若曲线若曲线G(jw w)和曲线和曲线-1/N(A)相交，则系统存在周期运动；相交，则系统存在周期运动；若当振幅若当振幅A增大时，增大时，-1/N(A)曲线由曲线由 G(jw w)包围的区域包围的区域(不不稳定区稳定区)穿出，该交点处存在着稳定的周期运动，该交点是自穿出，该交点处存在着稳定的周期运动，该交点是自振点。振点。自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一30第第8章章 线性离散系统线性离散系统基本要求：基本要求：1、熟悉离散系统的组成和工作原理、熟悉离散系统的组成和工作原理2、掌握、掌握 Z 变换、变换、Z 反变换的求法及性质反变换的求法及性质3、掌握脉冲传递函数及系统输出信号、掌握脉冲传递函数及系统输出信号 Z 变换的求法变换的求法4、掌握离散系统时域响应及稳态误差的求法、掌握离散系统时域响应及稳态误差的求法5、掌握离散系统稳定性分析方法、掌握离散系统稳定性分析方法自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一31第第8章章 线性离散系统线性离散系统知识要点：知识要点：零初始条件下零初始条件下，输出脉冲序列的，输出脉冲序列的 Z 变换与输入脉冲序列变换与输入脉冲序列 Z 变换之比，称为脉冲传递函数，即变换之比，称为脉冲传递函数，即 1、脉冲函数的定义、脉冲函数的定义2、脉冲传递函数的求法、脉冲传递函数的求法(1)根据定义用输出信号的根据定义用输出信号的 Z 变换除以输入信号的变换除以输入信号的 Z 变换；变换；(2)通过连续部分的传递函数通过连续部分的传递函数 G(s)来求取，即对来求取，即对 G(s)通过部分通过部分 分式法求取相应的分式法求取相应的 Z 变换变换。自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一32第第8章章 线性离散系统线性离散系统3、环节串联时的脉冲传递函数环节串联时的脉冲传递函数(1)串联环节间无采样开关串联环节间无采样开关(2)串联环节间有同步采样开关串联环节间有同步采样开关(3)环节与零阶保持器串联环节与零阶保持器串联自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一33第第8章章 线性离散系统线性离散系统4、线性离散系统的脉冲传递函数线性离散系统的脉冲传递函数e e(s)G1(s)G2(s)H(s)R(s)Y(s)-e e*(s)C*(s)C(s)开环脉冲传递函数开环脉冲传递函数闭环脉冲传递函数闭环脉冲传递函数偏差偏差自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一34考试相关事宜介绍考试相关事宜介绍考试时间：第考试时间：第 16 周星期三（周星期三（2011.12.14）19:50 21:50考试地点：东考试地点：东4附附101、东东4附附201考试题型：选择考试题型：选择(20分分)、计算分析、计算分析(80分分)考试形式：闭卷考试形式：闭卷结构评分：实验结构评分：实验(15分分)+平时成绩平时成绩(15分分)+试卷成绩试卷成绩(70分分)考试工具：计算器考试工具：计算器自动控制理论自动控制理论2024/4/22 周一35