自动控制原理总复习省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

自自 动动 控控 制制 原原 理理课程总复习课程总复习 第1页自动控制概念自动控制概念自动控制系统：自动控制系统：能对被控对象工作状态进行能对被控对象工作状态进行自动控制系统。自动控制系统。自动控制自动控制:在无人直接参加情况下，利用控制装置，在无人直接参加情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程使工作机械、或生产过程（被控对象）（被控对象）某一某一个物理量个物理量（被控量）（被控量）按预定规律按预定规律（给定量）（给定量）运行。运行。第2页负反馈原理负反馈原理闭环控制 将将系系统统输输出出信信号号引引回回输输入入端端，与与输输入入信信号号相相比比较较，利利 用用所所得得偏偏差差信信号号进进行行控控制制，到到达达减减小小偏偏差差、消除偏差目标。消除偏差目标。_ 组成闭环控制系统关键组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，信号流动组成闭回路系统内部存在反馈，信号流动组成闭回路 (2)偏差起调整作用偏差起调整作用开环控制优点：简单、易于实现优点：简单、易于实现缺点：当被控量与期望值出现偏差时，系统不具备自动调整控制量能力。缺点：当被控量与期望值出现偏差时，系统不具备自动调整控制量能力。第3页第一章第一章 概述概述 控制系统组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征稳态特征第4页控制系统数学模型控制系统数学模型连续时间线性时不变系统连续时间线性时不变系统 离散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征状态空间模型差分方程脉冲传递函数离散系统频率特征离散状态方程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页经典步骤传递函数传递函数都可看作经典步骤组合传递函数都可看作经典步骤组合步骤：含有相同形式传递函数元部件分类。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经典步骤及其传递函数不一样元部件能够有相同传递函数；不一样元部件能够有相同传递函数；若输入输出变量选择不一样，同一部件能够有不一样若输入输出变量选择不一样，同一部件能够有不一样传递函数传递函数 ；任一传递函数都可看作经典步骤组合。任一传递函数都可看作经典步骤组合。第6页常见经典步骤1 百分比步骤K-增益234第7页常见经典步骤56有哪些经典步骤有哪些经典步骤例题：例题：第8页方方 块块 图图信号线信号线信号线信号线 方块方块方块方块 相加点相加点相加点相加点 分支点分支点分支点分支点第9页信信 号号 流流 图图 信号流图信号流图信号流图信号流图 结构图结构图结构图结构图 源节点源节点源节点源节点 输入信号输入信号输入信号输入信号 节点节点节点节点 阱节点阱节点阱节点阱节点 输出信号输出信号输出信号输出信号 混合节点混合节点混合节点混合节点 比较点，引出点比较点，引出点比较点，引出点比较点，引出点 支路支路支路支路 步骤步骤步骤步骤 支路支路支路支路 支路增益支路增益支路增益支路增益 步骤传递函数步骤传递函数步骤传递函数步骤传递函数 前向通路前向通路前向通路前向通路 回路回路回路回路 互不接触回路互不接触回路互不接触回路互不接触回路 增益增益增益增益 通路增益通路增益通路增益通路增益 前向通路增益前向通路增益前向通路增益前向通路增益 回路增益回路增益回路增益回路增益243第10页时域分析方法时域分析方法一阶系统动态响应特点经典二阶系统动态响应稳态偏差分析稳定性分析 劳斯判据 输入输入 误差系数误差系数 误差误差第11页时域分析方法时域分析方法不稳定不稳定临界稳定临界稳定稳定稳定负阻尼负阻尼过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼零阻尼零阻尼第12页二阶系统时间域波形二阶系统时间域波形极点分布极点分布输出波形输出波形输出波形输出波形极点分布极点分布零零阻阻尼尼欠欠阻阻尼尼负负阻阻尼尼过过阻阻尼尼临临界界阻阻尼尼第13页经典二阶系统时域指标经典二阶系统时域指标第14页时域分析方法时域分析方法开环增益变大，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页时域分析方法时域分析方法一阶系统动态响应特点经典二阶系统动态响应稳态偏差分析稳定性分析 劳斯判据 输入输入 误差系数误差系数 误差误差第16页根轨迹分析方法根轨迹分析方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页绘制根轨迹法则小结绘制根轨迹法则小结法则法则 5 5 渐近线渐近线法则法则 1 1 根轨迹起点和终点根轨迹起点和终点法则法则 2 2 根轨迹分支数，对称性和连续性根轨迹分支数，对称性和连续性法则法则 3 3 实轴上根轨迹实轴上根轨迹法则法则 4 4 根之和根之和法则法则 6 6 分离点分离点法则法则 7 7 与虚轴交点与虚轴交点法则法则 8 8 出射角出射角/入射角入射角第18页根轨迹分析方法根轨迹分析方法零度根零度根轨迹轨迹根轨迹根轨迹根轨迹根轨迹根轨迹根轨迹第19页频率特征分析方法频率特征分析方法定义定义例题例题1：哪个在哪个在取得较大相位超前角取得较大相位超前角第20页频率特征分析方法频率特征分析方法例题例题2：幅频特征是多少幅频特征是多少第21页频率特征分析方法频率特征分析方法图解表示方式图解表示方式对数幅频对数幅频对数相频对数相频极坐极坐标图标图对数对数坐标坐标图图第22页频率特征分析方法频率特征分析方法ReIm第23页作作 业业5-145-14已知已知第24页频率特征分析方法频率特征分析方法稳定不稳定稳定不稳定第25页频率特征分析方法频率特征分析方法稳定裕度截止频率截止频率相角裕度相角裕度相角交界频率相角交界频率幅值裕度幅值裕度第26页频率域校正频率域校正并联校正并联校正PIDPID校正校正校正过程校正过程校正装置校正装置超前校正超前校正滞后校正滞后校正串联校正串联校正第27页串联超前校正（串联超前校正（4）(2)(2)串联超前校正串联超前校正 实质实质 利用超前网络相角超前特征提升系统相角裕度利用超前网络相角超前特征提升系统相角裕度超前校正步骤超前校正步骤(设给定指标设给定指标 )由由 由由 确定确定 作图设计作图设计是否满足要求是否满足要求验算验算第28页串联迟后校正（串联迟后校正（3）(2)(2)串联迟后校正串联迟后校正 实质实质 利用迟后网络幅值衰减特征挖掘系统本身相角贮备利用迟后网络幅值衰减特征挖掘系统本身相角贮备迟后校正步骤迟后校正步骤(设给定指标设给定指标 )由由 由由 作图设计作图设计是否满足要求是否满足要求验算验算 绘制曲线绘制曲线第29页串联串联PID校正（校正（1）(1)(1)PID电路特征电路特征第30页百分比调整器百分比调整器P 起调整作用与输出量和给定量差成正比，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，所以他调整结果总是有有差就有调整作用，所以他调整结果总是有差存在，这种调整不可消除差，所以叫这种差存在，这种调整不可消除差，所以叫这种调整为有静差调整；但这种调整作用快，能调整为有静差调整；但这种调整作用快，能很快减小误差。很快减小误差。第31页百分比积分百分比积分PI调整器调整器 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，电容器电压总会抵达给定量，使输出量与给定量差为零；压总会抵达给定量，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；因为它能够增加系统到准确、准确输出；因为它能够增加系统“型别型别”滞后步骤滞后步骤第32页百分比微分百分比微分PD调整器调整器 这种控制总是以输出量与这种控制总是以输出量与给定量差改变率成正比，差改给定量差改变率成正比，差改变越猛烈，调整作用越大，差变越猛烈，调整作用越大，差改变越平稳，调整作用越弱；改变越平稳，调整作用越弱；微分调整作用，使得输出微分调整作用，使得输出量平稳而极少波动；量平稳而极少波动；这种微分调整作用，对输这种微分调整作用，对输出量改变、波动产生强烈阻尼、出量改变、波动产生强烈阻尼、抑制作用，就像摩擦力作用抑制作用，就像摩擦力作用超前步骤超前步骤第33页PID调整器调整器 特殊滞后特殊滞后-超前校正装置。增加了系统超前校正装置。增加了系统“型型别别”，增加了两个闭环极点。，增加了两个闭环极点。综合了综合了PIPI，PDPD控制器优点控制器优点滞后步骤滞后步骤第34页状态空间分析设计方法状态空间分析设计方法模型模型 7.1 7.1 线性系统状态空间数学模型线性系统状态空间数学模型 基本概念及状态空间描述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状态空间表示式与传递函数矩阵 分析方法分析方法 7.2 7.2 系统状态空间运动分析系统状态空间运动分析 线性定常系统状态运动分析线性定常系统状态运动分析 矩阵指数函数矩阵指数函数 第35页状态空间分析设计方法状态空间分析设计方法 7.3 线性系统能控性和能观察性线性系统能控性和能观察性 基本概念基本概念 能控能观判据能控能观判据 SISO SISO系统能控能观标准形系统能控能观标准形 结构分解结构分解综合方法综合方法 7.4 7.4 线性系统状态反馈和极点配置线性系统状态反馈和极点配置 状态反馈与输出反馈状态反馈与输出反馈 状态反馈极点配置状态反馈极点配置 输出反馈极点配置输出反馈极点配置 7.5 线性系统观察器设计线性系统观察器设计 全维观察器设计全维观察器设计 最小阶观察器最小阶观察器 含有观察器状态反馈控制系统含有观察器状态反馈控制系统第36页由机理建立状态空间表示式（由机理建立状态空间表示式（1）第37页建立状态空间表示式（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页状态空间模型运动分析状态空间模型运动分析第39页矩阵指数函数矩阵指数函数幂级数法幂级数法拉氏变换法拉氏变换法第40页矩阵指数函数矩阵指数函数对角矩阵法对角矩阵法凯莱哈密顿定理凯莱哈密顿定理约当矩阵块约当矩阵块第41页矩阵指数函数矩阵指数函数凯莱哈密顿定理，当凯莱哈密顿定理，当A有有M重特征值重特征值 N-M个单根个单根第42页能控、能观察性判据能控、能观察性判据格拉姆矩阵判据格拉姆矩阵判据秩判据秩判据PBHPBH特征向量判据特征向量判据约当规范型判据约当规范型判据第43页秩判据秩判据能控性判别矩阵能控性判别矩阵能观性判别矩阵能观性判别矩阵完全能控充分必要条件完全能控充分必要条件完全能观充分必要条件完全能观充分必要条件第44页PBH判据判据PBH能控性判别矩阵能控性判别矩阵PBH能观性判别矩阵能观性判别矩阵完全能控充分必要条件完全能控充分必要条件完全能观充分必要条件完全能观充分必要条件第45页约当规范型判据约当规范型判据第46页约当规范型判据约当规范型判据完全能控充分必要条件完全能控充分必要条件完全能观充分必要条件完全能观充分必要条件最终一行组成矩阵线性无关最终一行组成矩阵线性无关最终一行组成矩阵线性无关最终一行组成矩阵线性无关第47页能控标准形能控标准形线性定常系统线性定常系统设设A特征多项式特征多项式能控性矩阵能控性矩阵定理：定理：系统系统 能控，经过线性变换能够将其变成以下形能控，经过线性变换能够将其变成以下形 式能控标准形。式能控标准形。第48页变换矩阵可取为变换矩阵可取为能控标准形能控标准形第49页系统系统 能观察性矩阵为能观察性矩阵为则系统能观察则系统能观察定理：定理：系统系统 能观察，经过线性变换能够将其变成以下形式能观标能观察，经过线性变换能够将其变成以下形式能观标 准形。准形。推论推论：含有能观标准形系统一定能观。：含有能观标准形系统一定能观。能观察标准形能观察标准形第50页变换矩阵可取为变换矩阵可取为能观察标准形能观察标准形第51页计算矩阵特征多项式计算矩阵特征多项式极极 点点 配配 置置设希望闭环特征多项式设希望闭环特征多项式确定增益矩阵确定增益矩阵确定非奇异变换矩阵确定非奇异变换矩阵计算反馈增益矩阵计算反馈增益矩阵第52页极极 点点 配配 置置极点配置方法二：极点配置方法二：第53页全维状态观察器设计全维状态观察器设计方法二方法二第54页线性离散系统分析与校正线性离散系统分析与校正 8.1 8.1 采样控制系统概述采样控制系统概述 8.2 8.2 信号采样与保持信号采样与保持 采样器和采样过程采样器和采样过程 采样过程数学描述采样过程数学描述 采样定理及采样保持采样定理及采样保持 8.3 8.3 采样信号采样信号z z变换变换 采样信号采样信号z z变换变换 z z变换基本性质变换基本性质 Z Z反变换反变换 8.4 8.4 离散系统数学模型离散系统数学模型 微分方程连续化微分方程连续化 连续状态方程离散化连续状态方程离散化 脉冲传递函数脉冲传递函数第55页 8.5 8.5 采样系统数学模型之间相互转换采样系统数学模型之间相互转换 差分方程和脉冲传递函数之间转换差分方程和脉冲传递函数之间转换 差分方程和离散状态方程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离散状态方程和脉冲传递函数之间转换 8.6 8.6 离散系统性能分析离散系统性能分析 稳定性分析稳定性分析 稳态特征分析稳态特征分析 动态特征分析动态特征分析 线性离散系统分析与校正线性离散系统分析与校正 第56页控制系统数学模型控制系统数学模型连续时间线性时不变系统连续时间线性时不变系统 离散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征状态空间模型差分方程脉冲传递函数离散系统频率特征离散状态方程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页离散系统稳定性与稳态误差离散系统稳定性与稳态误差第58页(1)(1)相平面和相轨迹相平面和相轨迹相平面：相平面：相轨迹：相轨迹：系统变量及其导数系统变量及其导数随时间改变随时间改变在相平面上描绘出来轨迹在相平面上描绘出来轨迹。由系统变量及其导数由系统变量及其导数（如如 ）组成用以描述系统状态平面。组成用以描述系统状态平面。例例1 1 单位反馈系统单位反馈系统第59页(2)(2)相轨迹性质相轨迹性质对于线性定常系统，原点是对于线性定常系统，原点是惟一平衡点。惟一平衡点。运动方向运动方向上半平面上半平面 向右移动向右移动下半平面下半平面 向左移动向左移动顺时针运动顺时针运动经过横轴时经过横轴时 ，以，以90穿越穿越 x轴轴奇点奇点(平衡点平衡点)：设系统方程为：设系统方程为：相轨迹上斜率不确定点相轨迹上斜率不确定点第60页相平面法（相平面法（1515）非线性部分非线性部分比较点比较点例例4 4 系统如右，在系统如右，在 平面上分析系统自由响应运动。平面上分析系统自由响应运动。线性部分线性部分解解整理整理第61页7.2 相平面法（16）第62页相平面法（相平面法（1717）各各类类极极限限环环极限环极限环 对应二阶非线性系统周期运动对应二阶非线性系统周期运动稳定极限环稳定极限环不稳定极限环不稳定极限环半稳定极限环半稳定极限环半稳定极限环半稳定极限环第63页 描述函数基本概念描述函数基本概念(1)(1)周期函数周期函数 y(t)富氏级数展开富氏级数展开第64页用描述函数法分析非线性系统（用描述函数法分析非线性系统（5）4 4 自振分析自振分析 (定量定量)自振必要条件：自振必要条件：例例1 1 分析系统稳定性分析系统稳定性(M=1)，求自振参数。，求自振参数。解解 作图分析，作图分析，系统一定自振。系统一定自振。由自振条件：由自振条件：得得比较实比较实/虚部虚部：演示演示 第65页描述函数定义描述函数定义输出基波：输出基波：输入：输入：描述函数描述函数N(A)定义定义：理想继电特征描述函数：理想继电特征描述函数：演示演示描述函数描述函数第66页Lyapunov稳定性分析方法稳定性分析方法给定系统给定系统1：确定正定矩阵：确定正定矩阵2：3：正定正定稳定稳定负定负定不稳定不稳定从从能量能量角度分析系统稳定性角度分析系统稳定性第67页