自动控制原理总复习市公开课获奖课件

1、自 动 控 制 原 理课程总复习 第1页第1页自动控制概念自动控制系统： 能对被控对象工作状态进行自动控制系统。 自动控制: 在无人直接参与情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）某一个物理量（被控量）按预定规律（给定量）运营。 第2页第2页负反馈原理闭环控制 将系统输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利 用所得偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差目的。_ 构成闭环控制系统关键闭环(反馈)控制系统特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调整作用开环控制长处：简朴、易于实现缺点：当被控量与盼望值出现偏差时，系统不具备自动调整控制量能力。第3页第3

2、页第一章 概述 控制系统构成和结构控制系统三个基本要求稳定性准确性快速性稳态准确性动态准确性动态特性稳态特性第4页第4页控制系统数学模型连续时间线性时不变系统 离散时间线性时不变系统 常见数学模型微分方程传递函数频率特性状态空间模型差分方程脉冲传递函数离散系统频率特性离散状态方程L变换变换Z变换变换传递函数意义结构图信号流图化简梅逊公式构建结构图构建信号流图传递函数第5页第5页典型环节传递函数传递函数都可看作典型环节组合步骤：含有相同形式传递函数元部件分类。经典步骤及其传递函数不同元部件能够有相同传递函数；若输入输出变量选择不同，同一部件能够有不同传递函数 ；任一传递函数都可看作经典步骤组合。

3、第6页第6页常见典型环节1 百分比环节K-增益234第7页第7页常见典型环节56有哪些典型环节例题：第8页第8页方 块 图信号线 方块 相加点 分支点第9页第9页信 号 流 图 信号流图 结构图 源节点 输入信号 节点 阱节点 输出信号 混合节点 比较点，引出点 支路 环节 支路 支路增益 环节传递函数 前向通路 回路 互不接触回路 增益 通路增益 前向通路增益 回路增益243第10页第10页时域分析办法一阶系统动态响应特点典型二阶系统动态响应稳态偏差分析稳定性分析 劳斯判据 输入 误差系数 误差第11页第11页时域分析办法不稳定临界稳定稳定负阻尼过阻尼临界阻尼欠阻尼零阻尼第12页第12页二阶

4、系统时间域波形极点分布输出波形输出波形极点分布零阻尼欠阻尼负阻尼过阻尼临界阻尼第13页第13页典型二阶系统时域指标第14页第14页时域分析办法开环增益变大，系统阻尼比变小，稳态误差减小闭环增益改变，对系统动态性能没有影响第15页第15页时域分析办法一阶系统动态响应特点典型二阶系统动态响应稳态偏差分析稳定性分析 劳斯判据 输入 误差系数 误差第16页第16页根轨迹分析办法根轨迹广义根轨迹零度根轨迹正反馈一部分非最小相位系统第17页第17页绘制根轨迹法则小结法则 5 渐近线法则 1 根轨迹起点和终点法则 2 根轨迹分支数，对称性和连续性法则 3 实轴上根轨迹法则 4 根之和法则 6 分离点法则 7

5、 与虚轴交点法则 8 出射角/入射角第18页第18页根轨迹分析办法零度根轨迹根轨迹根轨迹根轨迹第19页第19页频率特性分析办法定义例题1：哪个在取得较大相位超前角第20页第20页频率特性分析办法例题2：幅频特性是多少第21页第21页频率特性分析办法图解表示方式对数幅频对数相频极坐标图对数坐标图第22页第22页频率特性分析办法ReIm第23页第23页作 业5-14已知第24页第24页频率特性分析办法稳定不稳定稳定不稳定第25页第25页频率特性分析办法稳定裕度截止频率相角裕度相角交界频率幅值裕度第26页第26页频率域校正并联校正PID校正校正过程校正装置超前校正滞后校正串联校正第27页第27页串联

6、超前校正（4）(2) 串联超前校正 实质 利用超前网络相角超前特性提升系统相角裕度超前校正环节 (设给定指标 ) 由 由 拟定 作图设计是否满足要求验算第28页第28页串联迟后校正（3）(2) 串联迟后校正 实质 利用迟后网络幅值衰减特性挖掘系统本身相角储备迟后校正环节 (设给定指标 ) 由 由 作图设计是否满足要求验算 绘制曲线第29页第29页串联PID校正（1）(1) PID电路特性第30页第30页百分比调整器P 起调整作用与输出量和给定量差成正比，有差就有调整作用，因此他调整结果总是有差存在，这种调整不可消除差，因此叫这种调整为有静差调整；但这种调整作用快，能不久减小误差。第31页第31

7、页百分比积分PI调整器 是给定量与输出量差对时间积分，在电路里就是用给定量与输出量差给电容充电，只要时间足够长，电容器电压总会到达给定量，使输出量与给定量差为零； 积分调整器是一个无静差调整器，可调整到给定值，做到准确、准确输出；由于它能够增长系统“型别”滞后环节第32页第32页百分比微分PD调整器 这种控制总是以输出量与给定量差改变率成正比，差改变越猛烈，调整作用越大，差改变越平稳，调整作用越弱； 微分调整作用，使得输出量平稳而很少波动； 这种微分调整作用，对输出量改变、波动产生强烈阻尼、克制作用，就像摩擦力作用超前环节第33页第33页PID调整器 特殊滞后-超前校正装置。增长了系统“型别”

8、，增长了两个闭环极点。 综合了PI，PD控制器长处滞后环节第34页第34页状态空间分析设计办法模型 7.1 线性系统状态空间数学模型 基本概念及状态空间描述 由机理分析建立状态空间表示式 由微分方程建立状态空间表示式 由传递函数建立状态空间表示式 状态空间表示式与传递函数矩阵 分析办法 7.2 系统状态空间运动分析 线性定常系统状态运动分析 矩阵指数函数 第35页第35页状态空间分析设计办法 7.3 线性系统能控性和能观测性 基本概念 能控能观判据 SISO系统能控能观原则形 结构分解综合办法 7.4 线性系统状态反馈和极点配备 状态反馈与输出反馈 状态反馈极点配备 输出反馈极点配备 7. 5

9、 线性系统观测器设计 全维观测器设计 最小阶观测器 含有观测器状态反馈控制系统第36页第36页由机理建立状态空间表示式（1）第37页第37页建立状态空间表示式（1）由微分方程建立状态空间模型由传递函数建立状态空间模型第38页第38页状态空间模型运动分析第39页第39页矩阵指数函数幂级数法拉氏变换法第40页第40页矩阵指数函数对角矩阵法凯莱哈密顿定理约当矩阵块第41页第41页矩阵指数函数凯莱哈密顿定理，当A有M重特性值 N-M个单根第42页第42页能控、能观测性判据格拉姆矩阵判据秩判据PBH特性向量判据约当规范型判据第43页第43页秩判据能控性判别矩阵能观性判别矩阵完全能控充足必要条件完全能观充

10、足必要条件第44页第44页PBH判据PBH能控性判别矩阵PBH能观性判别矩阵完全能控充足必要条件完全能观充足必要条件第45页第45页约当规范型判据第46页第46页约当规范型判据完全能控充足必要条件完全能观充足必要条件最后一行构成矩阵线性无关最后一行构成矩阵线性无关第47页第47页能控原则形线性定常系统设A特性多项式能控性矩阵定理： 系统 能控，通过线性变换能够将其变成下列形 式能控原则形。第48页第48页变换矩阵可取为能控原则形第49页第49页系统 能观测性矩阵为则系统能观测定理： 系统 能观测，通过线性变换能够将其变成下列形式能观标 准形。推论：含有能观原则形系统一定能观。能观测原则形第50

11、页第50页变换矩阵可取为能观测原则形第51页第51页计算矩阵特性多项式极 点 配 置设希望闭环特性多项式拟定增益矩阵拟定非奇异变换矩阵计算反馈增益矩阵第52页第52页极 点 配 置极点配备办法二：第53页第53页全维状态观测器设计办法二第54页第54页线性离散系统分析与校正 8.1 采样控制系统概述 8.2 信号采样与保持 采样器和采样过程 采样过程数学描述 采样定理及采样保持 8.3 采样信号z变换 采样信号z变换 z变换基本性质 Z反变换 8.4 离散系统数学模型 微分方程连续化 连续状态方程离散化 脉冲传递函数第55页第55页 8.5 采样系统数学模型之间互相转换 差分方程和脉冲传递函数

12、之间转换 差分方程和离散状态方程之间转换 离散状态方程和脉冲传递函数之间转换 8.6 离散系统性能分析 稳定性分析 稳态特性分析 动态特性分析 线性离散系统分析与校正 第56页第56页控制系统数学模型连续时间线性时不变系统 离散时间线性时不变系统 常见数学模型微分方程传递函数频率特性状态空间模型差分方程脉冲传递函数离散系统频率特性离散状态方程L变换变换Z变换变换传递函数意义结构图信号流图化简梅逊公式构建结构图构建信号流图传递函数第57页第57页离散系统稳定性与稳态误差第58页第58页(1) 相平面和相轨迹相平面：相轨迹：系统变量及其导数随时间改变在相平面上描绘出来轨迹。由系统变量及其导数（如

13、）构成用以描述系统状态平面。例1 单位反馈系统第59页第59页(2) 相轨迹性质对于线性定常系统，原点是惟一平衡点。运动方向上半平面 向右移动下半平面 向左移动顺时针运动通过横轴时 ，以90穿越 x轴奇点 (平衡点) ：设系统方程为：相轨迹上斜率不拟定点第60页第60页相平面法（15） 非线性部分比较点例4 系统如右，在 平面上分析系统自由响应运动。线性部分解整理第61页第61页7.2 相平面法（16） 第62页第62页相平面法（17） 各类极限环极限环 相应二阶非线性系统周期运动稳定极限环不稳定极限环半稳定极限环半稳定极限环第63页第63页 描述函数基本概念(1) 周期函数 y(t) 富氏级数展开第64页第64页用描述