《自动控制原理》第4章第二次课

《自动控制原理》第4章第二次课课程回顾与引言自动控制系统基本概念系统数学模型建立方法线性时不变系统稳定性分析线性时不变系统性能指标计算典型非线性环节及其对系统影响实验环节：典型自动控制系统设计与实现课程总结与预习提示contents目录01课程回顾与引言03介绍了控制系统频率特性的基本概念和分析方法。01回顾了第三章中关于控制系统稳定性的基本概念和判定方法。02讲解了劳斯判据和奈奎斯特判据在控制系统稳定性分析中的应用。上次课程内容概述本次课程目标01掌握第四章中关于控制系统校正的基本概念和方法。02学习并理解串联校正、反馈校正和复合校正的原理和设计方法。了解控制系统校正对系统性能的影响及其在实际工程中的应用。03介绍校正的定义、目的和分类。4.1控制系统校正的基本概念详细讲解串联校正的原理、设计方法和特点。4.2串联校正介绍反馈校正的原理、设计步骤及其对系统性能的影响。4.3反馈校正讲解复合校正的原理、设计方法和实际应用案例。4.4复合校正章节内容框架介绍02自动控制系统基本概念自动控制系统主要由控制器、执行器、被控对象和测量元件等组成。系统组成自动控制系统通过测量元件检测被控对象的实际输出，与期望输出进行比较，产生偏差信号。控制器根据偏差信号按照一定的控制规律产生控制作用，通过执行器作用于被控对象，使被控对象的输出逐渐接近期望输出，实现自动控制。工作原理系统组成及工作原理开环控制系统开环控制系统是指系统输出只受输入的控制，输出对系统的控制作用没有影响。这种系统结构简单，但控制精度和抗干扰能力较差。闭环控制系统闭环控制系统是指系统输出通过测量元件反馈到输入端，与输入信号进行比较产生偏差信号，控制器根据偏差信号产生控制作用，使输出逐渐接近期望输出。这种系统具有较高的控制精度和抗干扰能力。复合控制系统复合控制系统是指同时采用开环和闭环控制方式的系统。这种系统结合了开环和闭环的优点，既保证了控制精度，又提高了系统的稳定性和快速性。自动控制系统分类温度控制系统温度控制系统是一种常见的自动控制系统，广泛应用于工业生产和日常生活中。该系统通过温度传感器检测被控对象的温度，与设定温度进行比较产生偏差信号，控制器根据偏差信号控制加热或制冷设备的功率输出，使被控对象的温度逐渐接近设定温度。速度控制系统速度控制系统主要用于控制电机的转速或机械的运动速度。该系统通过速度传感器检测被控对象的速度，与设定速度进行比较产生偏差信号，控制器根据偏差信号控制电机的输入电压或电流，从而调整电机的转速或机械的运动速度。位置控制系统位置控制系统主要用于控制物体的位置或机械的运动轨迹。该系统通过位置传感器检测被控对象的位置，与设定位置进行比较产生偏差信号，控制器根据偏差信号控制电机的转动方向或机械的运动方向，使被控对象逐渐接近设定位置。典型自动控制系统实例分析03系统数学模型建立方法010203确定系统输入输出变量及其关系根据物理定律或系统特性列写微分方程注意事项：考虑系统内部动态过程，忽略次要因素，确保方程准确性微分方程建立过程及注意事项传递函数定义系统输出与输入之间的拉普拉斯变换比传递函数性质线性、时不变性、因果性、稳定性等求解方法根据微分方程求解传递函数，或利用实验数据拟合传递函数传递函数概念、性质及求解方法利用等效变换法则，如串联、并联、反馈等，简化系统结构图结构图简化保持系统传递函数不变的前提下，对系统结构进行等效变换，以便于分析和设计等效变换技巧结构图简化与等效变换技巧04线性时不变系统稳定性分析稳定性概念系统受到小的外部扰动后，能够自动恢复到原来的平衡状态或趋于另一个新的平衡状态的能力。判定方法通过系统的特征根在复平面上的分布来判断，若所有特征根都位于复平面的左半部分，则系统稳定；若有特征根位于复平面的右半部分或虚轴上，则系统不稳定。稳定性概念及判定方法一种通过系统特征多项式的系数来判断系统稳定性的代数判据。劳斯-赫尔维茨稳定判据构造劳斯表，根据劳斯表中第一列元素的符号变化来判断系统的稳定性。若第一列元素符号改变次数为偶数，则系统稳定；若为奇数，则系统不稳定。应用步骤在应用劳斯判据时，需要注意处理特征多项式中的虚数根和重根情况，以及劳斯表中出现的全零行情况。注意事项劳斯-赫尔维茨稳定判据应用

频率域稳定判据简介频率域稳定判据通过在频率域内分析系统的频率响应特性来判断系统的稳定性。奈奎斯特稳定判据一种基于系统开环频率特性的稳定判据，通过绘制奈奎斯特曲线并判断其与负实轴的交点情况来确定系统的稳定性。伯德图稳定判据另一种基于系统开环频率特性的稳定判据，通过绘制伯德图并判断其幅值和相位裕量来确定系统的稳定性。05线性时不变系统性能指标计算时域性能指标定义及计算方法调节时间指系统响应从初始状态到达并保持在稳态值附近所需的最短时间，反映了系统的快速性；超调量指系统响应超过稳态值的最大偏离量，反映了系统的阻尼程度；时域性能指标主要包括超调量、调节时间、上升时间、峰值时间等；上升时间指系统响应从稳态值的10%上升到90%所需的时间，也是评价系统快速性的指标之一；峰值时间指系统响应达到第一个峰值所需的时间，与超调量一起反映了系统的动态特性。幅值裕度、相位裕度、截止频率等；频域性能指标主要包括幅值裕度相位裕度截止频率指系统开环频率特性幅值在截止频率处的倒数与1之差，反映了系统的相对稳定程度；指系统开环频率特性相位在截止频率处与-180°之差，也是评价系统相对稳定性的指标之一；指系统开环频率特性幅值首次下降到1时的频率，反映了系统的带宽和快速性。频域性能指标定义及计算方法系统误差、随机误差和粗大误差等；误差分析主要包括零点校正、灵敏度校正、线性度校正等，根据具体误差情况选择合适的校正方法。校正方法主要包括由于测量工具或方法本身不完善所引起的误差，具有规律性，可以通过校正来减小；系统误差由于测量过程中各种随机因素所引起的误差，具有随机性，但可以通过多次测量取平均值来减小；随机误差由于测量者粗心大意或测量条件突变所引起的误差，明显偏离真实值，应予以剔除；粗大误差0201030405误差分析与校正方法06典型非线性环节及其对系统影响饱和环节当输入信号超过一定范围时，输出信号不再随输入信号的增加而增加，而是保持在一个固定值或按照某种规律变化。间隙环节输出信号在输入信号变化的一定区间内不连续，存在跳跃现象。死区环节在输入信号的一定范围内，输出信号为零或不变，只有当输入信号超过这个范围时，输出信号才会发生变化。继电器环节一种具有开关特性的非线性环节，当输入信号达到某个阈值时，输出信号会发生突变。典型非线性环节介绍对系统动态性能的影响非线性环节可能使系统的动态性能变差，如超调量增大、调节时间延长等。对系统静态性能的影响非线性环节可能使系统的静态精度降低，如产生稳态误差等。对系统稳定性的影响非线性环节可能导致系统出现不稳定现象，如自激振荡、发散等。非线性环节对系统性能影响分析引入线性化环节优化系统结构采用智能控制策略调整系统参数改善非线性系统性能措施在系统中引入适当的线性化环节，如采用线性化反馈控制等，以减小非线性环节对系统性能的影响。采用智能控制策略，如模糊控制、神经网络控制等，对非线性系统进行有效控制。通过优化系统结构，如采用串级控制、前馈控制等，提高系统的稳定性和动态性能。根据系统性能要求，调整系统参数，如增大系统阻尼比、提高系统自然频率等，以改善系统性能。07实验环节：典型自动控制系统设计与实现通过设计和实现典型自动控制系统，加深对自动控制原理的理解，提高实践能力和创新能力。掌握典型自动控制系统的基本组成和工作原理，能够独立完成系统设计和实现，并对实验结果进行分析和讨论。实验目的和要求要求目的2.搭建系统硬件平台，包括传感器、执行器、控制器等。3.编写系统软件程序，实现控制算法和系统功能。4.进行系统调试和测试，确保系统正常运行并满足设计要求。内容：设计并实现一个典型的自动控制系统，如温度控制系统、位置控制系统等。步骤1.确定系统设计方案，包括系统组成、工作原理、控制算法等。010402050306实验内容和步骤结果分析对实验结果进行定量和定性分析，比较实际结果与预期结果的差异，并找出可能的原因。讨论根据实验结果，讨论系统设计的优缺点、改进方案以及可能的应用场景等。同时，可以与其他同学进行交流和比较，共同提高实验效果。实验结果分析和讨论08课程总结与预习提示本次课程重点内容回顾控制系统的数学模型详细讲解了如何建立控制系统的数学模型，包括微分方程、传递函数和状态空间表达式等。控制系统的时间响应分析介绍了控制系统在不同输入信号下的时间响应特性，包括瞬态响应和稳态响应，以及性能指标如超调量、调节时间等。控制系统的稳定性分析阐述了控制系统稳定性的概念和判据，如劳斯判据、奈奎斯特稳定判据等，并进行了实例分析。控制系统的频率响应分析介绍了控制系统的频率特性，包括频率响应曲线、伯德图