自动控制原理——章讲述.pptx
1课件3 6为第一章的内容。制作目的是节省画图时间，便于教师讲解。课件6要强调串联并联反馈的特征，在此之前要交待相邻综合点与相邻引出点的等效变换。课件7中的省略号部分是反过来说，如合并的综合点可以分开等。最后一条特别要讲清楚，这是最容易出错的地方！课件10先要讲清H1和H3的双重作用，再讲分解就很自然了。课件11 12 13是直接在结构图上应用梅逊公式，制作者认为没必要将结构图变为信号流图后再用梅逊公式求传递函数。说明2第1页/共46页2说明3课件1730为第三章的内容。课件1719中的误差带均取为稳态值的5%，有超调的阶跃响应曲线的上升时间为第一次到达稳态值的时间。课件20要讲清T的求法，T与性能指标的关系。课件21要说明这是无零点的二阶系统。课件22要交待(s)的分母s2项的系数，且分子分母常数项相等。课件28小结中的3个问题答案：1系统稳定且 ；2 非单位反馈输出端定义的误差非单位反馈输出端定义的误差可通过等效变换后使用；可通过等效变换后使用；3 系统稳定。系统稳定。第2页/共46页3说明4课件3242为第四章的内容。课件32中的注意应在观看rltool后讲解。若不演示rltool也可以。课件33结论1和2与书中的相同，结论3分为nm，n=m，nm这3种情况介绍，其中n为开环极点数，m为开环零点数。课件34根轨迹出现后，先介绍图上方的C(s)=6实际是K*=6,图中的3个小方块为K*=6所对应的3个闭环极点，然后验证模值条件和相角条件。课件35要强调是1+，不能是1-，分子分母中的因子s的系数为1，不能为-1，K*不能为负。课件41先回顾180o根轨迹的模值方程和相角方程，然后再介绍零度根轨迹的模值方程和相角方程。第3页/共46页4说明5课件4463为第五章内容课件44要说明几个问题：1.给一个稳定的系统输入一个正弦，其稳态输出才是正弦，幅值改变相角改变；2.不稳定的系统输出震荡发散，该振荡频率与输入正弦的频率有无关系？3.不稳定的系统输入改为阶跃时，其输出曲线类似，此时用运动模态来解释。课件45中的省略号内容为：输入初始角不为零时如何处理，输入为余弦时没必要改为正弦。课件57种的几点说明内容为：1.增加k 值曲线上下平移，2.取不同的值时，修正值不同，详细情况参考课件57。第4页/共46页5第一章 自动控制的一般概念 1-1 自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求 第5页/共46页飞机示意图飞机示意图给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器第6页/共46页7给给定定装装置置放放大大器器舵舵机机飞飞机机 反馈电反馈电位器位器 垂直垂直陀螺仪陀螺仪0c扰动扰动俯仰角控制系统方块图俯仰角控制系统方块图飞机方块图飞机方块图第7页/共46页8液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM第8页/共46页9第二章 控制系统的数学模型 2-1 时域数学模型2-2 复域数学模型2-3 结构图与信号流图 第9页/共46页10结构图三种基本形式G1G2G2G1G1G2G1G2G1G2G1G1G21+串串 联联并并 联联反反 馈馈第10页/共46页112 相邻综合点可互换位置、可合并相邻综合点可互换位置、可合并结构图等效变换方法1 三种典型结构可直接用公式三种典型结构可直接用公式3 相邻引出点可互换位置相邻引出点可互换位置、可合并可合并 注意事项：注意事项：1 不是不是典型结构典型结构不可不可直接用公式直接用公式2 引出点综合点引出点综合点相邻相邻，不可不可互换位置互换位置第11页/共46页12引出点移动引出点移动G1G2G3G4H3H2H1abG1G2G3G4H3H2H1G41请你写出结果请你写出结果,行吗？行吗？第12页/共46页13G2H1G1G3综合点移动G1G2G3H1错！错！G2无用功无用功向同类移动向同类移动G1第13页/共46页14G1G4H3G2G3H1作用分解H1H3G1G4G2G3H3H1第14页/共46页15Pk从从R(s)到到C(s)的第的第k条前向通路传递函数条前向通路传递函数梅逊公式介绍 R-CC(s)R(s)=Pkk:称为系统特征式称为系统特征式=其中其中:所有单独所有单独回路增益回路增益之和之和LaLbLc所有两两互不接触回路增益乘积之和所有两两互不接触回路增益乘积之和LdLeLf所有三个互不接触回路增益乘积之和所有三个互不接触回路增益乘积之和k称为第称为第k条前向通路的余子式条前向通路的余子式k求法求法:去掉第去掉第k条前向通路后所求的条前向通路后所求的-La+LbLc-LdLeLf+1k=1-LA+LBLC-LDLELF+第15页/共46页16R(s)C(s)L1=G1 H1L2=G3 H3L3=G1G2G3H3H1L4=G4G3L5=G1G2G3L1L2=(G1H1)(G3H3)=G1G3H1H3L1L4=(G1H1)(G4G3)=G1G3G4H1 G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H3(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G3(s)梅逊公式例R-C H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G4(s)H1(s)H3(s)G1(s)G2(s)G3(s)P2=G4G3P1=G1G2G31=12=1+G1H1C(s)R(s)=?请你写出答案，行吗？第16页/共46页17G1(s)G3(s)H1(s)G2(s)H3(s)H2(s)R(s)C(s)N(s)E(S)G1(s)G3(s)H1(s)G2(s)H3(s)H2(s)R(s)C(s)N(s)E(S)P1=11=1+G2H2P11=?E(s)=1+G2H2+G1G2H3-G1H1G2 H2-G1H1(G2H3)R(s)N(s)(1+G2H2)(-G3G2H3)+R(s)E(S)G1(s)G3(s)H1(s)G2(s)H3(s)H2(s)C(s)N(s)R(s)E(S)G3(s)G2(s)H3(s)E(S)R(s)G1(s)H1(s)H2(s)C(s)P2=-G3G2H32=1P22=?梅逊公式求梅逊公式求E(s)P1=G2H31=1N(s)G1(s)H1(s)H2(s)C(s)G3(s)G2(s)H3(s)R(s)E(S)第17页/共46页18四个单独回路，两个回路互不接触四个单独回路，两个回路互不接触e1abcdfghC(s)R(s)C(s)R(s)=1+前向通路两条前向通路两条信号流图afbg ch efhgahfced(1g)bdabc第18页/共46页19第三章 线性系统的时域分析法 3-1 时域性能指标3-2 一阶系统时域分析3-3 二阶系统时域分析3-4 稳定性分析3-6 稳态误差计算 第19页/共46页20h(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量%=AB100%动态性能指标定义1h(t)t调节时间调节时间tsh(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量%=AB100%调节时间调节时间ts第20页/共46页21h(t)t上升时间上升时间tr调节时间调节时间 ts动态性能指标定义2第21页/共46页22h(t)tAB动态性能指标定义3trtpts%=BA100%第22页/共46页23一阶系统时域分析无零点的一阶系统 (s)=Ts+1k,T时间常数时间常数(画图时取画图时取k=1,T=0.5)单单位位脉脉冲冲响响应应k(t)=T1e-Ttk(0)=T1K(0)=T12单单位位阶阶跃跃响响应应h(t)=1-e-t/Th(0)=1/Th(T)=0.632h()h(3T)=0.95h()h(2T)=0.865h()h(4T)=0.982h()单单位位斜斜坡坡响响应应T?c(t)=t-T+Te-t/Tr(t)=(t)r(t)=1(t)r(t)=t 问问1、3个图各如何求个图各如何求T？2、调节时间、调节时间ts=？3、r(t)=vt时，时，ess=？4、求导关系、求导关系第23页/共46页24S1,2=j nj0j0j0j0 1 10 1 0 2-1S1,2=-nnS1,2=-n-n=-j1-2 nS1,2=n 2(s)=s2+2 ns+n2n2二阶系统单位阶跃响应定性分析j0j0j0j0T11T21 1 10 1 0h(t)=1T2tT1T21e+T1tT2T11e+h(t)=1-(1+nt)e-tnh(t)=1-cosnt过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼零阻尼零阻尼 sin(dt+)e-t h(t)=1-211n欠阻尼欠阻尼第24页/共46页25欠阻尼二阶系统动态性能分析与计算(s)=s2+2 ns+n2n2nj00 1时：时：S1,2=-n j 1-2 n-nd=n1-2h(t)=11-21e-ntsin(dt+)-d得得 tr=令令h(t)=1取其解中的最小值，取其解中的最小值，令令h(t)一阶导数一阶导数=0，取其解中的最小值，取其解中的最小值，得得 tp=d由由%=h()h(tp)h()100%由包络线求调节时间由包络线求调节时间eh(t)=11-21-ntsin(t+d)（0 0.8）得得%=e-100%第25页/共46页26设系统特征方程为：设系统特征方程为：s6+2s5+3s4+4s3+5s2+6s+7=0劳劳 思思 表表s6s5s0s1s2s3s41246357(64)/2=11(10-6)/2=227124635710(6-14)/1=-8-82 41 2劳思表介绍劳斯表特点劳斯表特点4 每两行个数相等每两行个数相等1 右移一位降两阶右移一位降两阶2 劳思行列第一列不动劳思行列第一列不动3 次对角线减主对角线次对角线减主对角线5 分母总是上一行第一个元素分母总是上一行第一个元素7 第一列出现零元素时，第一列出现零元素时，用正无穷小量用正无穷小量代替。代替。6 一行可同乘以或同除以某正数一行可同乘以或同除以某正数2+87-8(2 +8)-7271 2 7-8第26页/共46页27劳思判据系统稳定的系统稳定的必要必要条件条件:有正有负一定不稳定有正有负一定不稳定!缺项一定不稳定缺项一定不稳定!系统稳定的系统稳定的充分充分条件条件:劳思表第一列元素劳思表第一列元素不变号不变号!若变号系统不稳定若变号系统不稳定!变号的变号的次数次数为特征根在为特征根在s右右半平面的半平面的个数个数!特征方程各项系数特征方程各项系数均大于零均大于零!-s2-5s-6=0稳定吗？稳定吗？第27页/共46页28劳思表出现零行设系统特征方程为：设系统特征方程为：s4+5s3+7s2+5s+6=0劳劳 思思 表表s0s1s2s3s451756116601 劳斯表何时会出现零行劳斯表何时会出现零行?2 出现零行怎么办出现零行怎么办?3 如何求对称的根如何求对称的根?由零行的上一行构成由零行的上一行构成辅助方程辅助方程:有大小相等符号相反的有大小相等符号相反的特征根时会出现零行特征根时会出现零行s2+1=0对其求导得零行系数对其求导得零行系数:2s1211继续计算劳斯表继续计算劳斯表1第一列全大于零第一列全大于零,所以系统稳定所以系统稳定错啦错啦!由综合除法可得另两由综合除法可得另两个根为个根为s3,4=-2,-3解辅助方程得对称根解辅助方程得对称根:s1,2=j劳斯表出现零行系统一定不稳定第28页/共46页29 误差定义G(s)H(s)R(s)E(s)C(s)B(s)输输入入端定义：端定义：E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-C(s)H(s)G(s)H(s)R(s)E(s)C(s)H(s)1R(s)输输出出端定义：端定义：E(s)=C希希-C实实=-C(s)R(s)H(s)G(s)R(s)E(s)C(s)C(s)E(s)=R(s)-C(s)G1(s)H(s)R(s)C(s)G2(s)N(s)En(s)=C希希-C实实=Cn(s)总误差怎么求？总误差怎么求？第29页/共46页30典型输入下的稳态误差与静态误差系数G(s)H(s)R(s)E(s)C(s)E(s)=R(s)1+G(s)H(s)1若系统稳定若系统稳定,则可用终值定理求则可用终值定理求essess=lim s1+ksG0H0R(s)0sR(s)=R/sr(t)=R1(t)ess=1+ksRlim0sr(t)=VtR(s)=V/s2ess=sVlim0sksr(t)=At2/2R(s)=A/s3ess=s2Alim0skskpkvka第30页/共46页31取不同的r(t)=R1(t)ess=1+ksRlim0sr(t)=Vtess=sVlim0sksr(t)=At2/2ess=s2Alim0sks型型0型型型型R1(t)R1+kV kVt000A kAt2/2R1(t)VtAt2/2kkk000静态误差系数稳态误差小结：小结：123Kp=?Kv=?Ka=?非单位反馈怎么办？非单位反馈怎么办？啥时能用表格？啥时能用表格？表中误差为无穷时系统还稳定吗表中误差为无穷时系统还稳定吗?第31页/共46页32减小和消除误差的方法(1,2)1 按扰动的按扰动的全全补偿补偿N(s)R(s)Gn(s)T1s+1k1s(T2s+1)k2C(s)E(s)令令R(s)=0,En(s)=-C(s)=s(T1s+1)(T2s+1)+k1k2(T1s+1)+k1Gn(s)N(s)令分子令分子=0，得，得Gn(s)=-(T1s+1)/k1这就是按扰动的这就是按扰动的全全补偿补偿全全t从从0全过程全过程各种干扰信号各种干扰信号2 按按扰动扰动的的稳态稳态补偿补偿设系统稳定，设系统稳定，N(s)=1/s,则则essn=limsC(s)=lims0s0k1k21+k1Gn(s)Gn(s)=-1/k1第32页/共46页33令令N(s)=0,Er(s)=令分子令分子=0，得，得Gr(s)=s(T2s+1)/k23 按按输入输入的的全全补偿补偿N(s)R(s)Gr(s)T1s+1k1s(T2s+1)k2C(s)E(s)设系统稳定，设系统稳定，R(s)=1/s2 则则essr=limsEr(s)=lims0s01-k2sGr(s)k1k2k2sGr(s)=4 按按输入输入的的稳态稳态补偿补偿s(T1s+1)(T2s+1)s(T1s+1)(T2s+1)+k1k2-k2(T1s+1)Gr(s)R(s)减小和消除误差的方法(3,4)第33页/共46页34第四章 线性系统的根轨迹法 4-1 根轨迹概念4-2 绘制根轨迹的基本法则4-3 广义根轨迹 第34页/共46页注意注意：K一变，一组根变一变，一组根变；K一停，一组根停一停，一组根停；一组根对应同一个一组根对应同一个K；根轨迹概念-2-10jks(0.5s+1)K:0 特征方程：特征方程：S2+2s+2k=0特征根：特征根：s1,2=112kk=0时，时，s1=0,s2=20k0.5 时，两个负实根时，两个负实根 ；若；若s1=0.25,s2=?k=0.5 时，时，s1=s2=10.5k时，时，s1,2=1j2k1演示演示rltool第35页/共46页36GHG(s)=KG*(s-piqi=1);(s-zifi=1)H(s)=KH*(s-pjhj=1)j=1(s-zjl)(s)=(s-piqi=1)hj=1(s-pj)(s-zifi=1)+KG*KH*(s-zjl)j=1(s-zifi=1)(s-pjhj=1)*KG结论：结论：1 零点、零点、2 极点、极点、3 根轨迹增益根轨迹增益闭环零极点与开环零极点的关系第36页/共46页37模值条件与相角条件的应用s1=-0.825s2,3=-1.09j2.07-1.5-1-20.52.2678.8o2.112.61127.53o92.49o2.072K*=2.262.112.612.072=6.006892.49o-66.27o-78.8o-127.53o=180o-1.09+j2.0766.27o求模求角例题-0.825 =0.466 n=2.34第37页/共46页38根轨迹方程特征方程特征方程 1+GH=01+K*=0j=1ms pi(-)pi开环极点开环极点“”,也是常数！也是常数！开环零点开环零点“”,是是常数！常数！Zji=1n根轨迹增益根轨迹增益K*，不是定数，从，不是定数，从0 变化变化这种形式这种形式的特征方程的特征方程就是就是根轨迹方程根轨迹方程s zj(-)第38页/共46页39根轨迹的模值条件与相角条件j=1mn1+K*=0(ss-zjpi)i=1-1(s-zj)(s-pj)=(2k+1)k=0,1,2,j=1i=1mnj=1mnK*=1 ss-zjpii=1K*=mnj=1 s-zj s-pii=1相角条件相角条件:模值条件模值条件:绘制根轨迹的充要条件绘制根轨迹的充要条件 确定根轨迹上某点对应的确定根轨迹上某点对应的K*值值第39页/共46页40绘制根轨迹的基本法则1根轨迹的根轨迹的条数条数2根轨迹对称于根轨迹对称于 轴轴实实就是特征根的就是特征根的个数个数3根轨迹起始于根轨迹起始于,终止于终止于j=1mnK*=1 ss-zjpii=1j=1mn=ss-zjpii=11K*开环极点开环极点开环零点开环零点(nm?)举例()()4 n-m 条渐近线对称于实轴条渐近线对称于实轴,均起于均起于a 点点,方方向由向由a确定确定:pi-zj n-m i=1j=1nma=a=(2k+1)n-mk=0,1,2,5实轴上的根轨迹实轴上的根轨迹6根轨迹的会合与分离根轨迹的会合与分离1 说明什么2 d的推导3 分离角定义实轴上某段实轴上某段右右侧零、极点侧零、极点个数之和个数之和为为奇数奇数，则该段，则该段是是根轨迹根轨迹j=1mi=1nd-pi11d-zj=k=0,1,2,L=(2k+1)L,无零点时右边为零无零点时右边为零L为来会合的根轨迹条数为来会合的根轨迹条数7 与虚轴的交点与虚轴的交点 可由可由劳思表劳思表求出求出 或或 令令s=j解出解出8 起始角与终止角起始角与终止角第40页/共46页41根轨迹示例1j0j0j0j0j0j00j0j0jj00j同学们，头昏了吧？同学们，头昏了吧？第41页/共46页42根轨迹示例2j0j0j00jj0j0j0j00jj00jj0n=1;d=conv(1 2 0,1 2 2);rlocus(n,d)n=1 2;d=conv(1 2 5,1 6 10);rlocus(n,d)第42页/共46页43零度根轨迹特征方程为以下形式时，特征方程为以下形式时，绘制绘制零度零度根轨迹根轨迹请注意：请注意：G(s)H(s)的分子分母均的分子分母均首一首一1.K*:0 +12.K*:0 1+第43页/共46页44零度根轨迹的模值条件与相角条件K*=mnj=1 s-zj s-pii=1模值条件模值条件:(s-zj)(s-pj)=(2k+1)k=0,1,2,j=1i=1mn相角条件相角条件:2 k零度零度第44页/共46页45绘制零度根轨迹的基本法则1根轨迹的根轨迹的条数条数就是特征根的就是特征根的个数个数不变！不变！不变！不变！2根轨迹对称于根轨迹对称于 轴轴实实3根轨迹起始于根轨迹起始于,终止于终止于开环极点开环极点开环零点开环零点()()j=1mn=ss-zjpii=11K*不变！不变！4 n-m 条渐近线对称于实轴条渐近线对称于实轴,起点起点pi-zj n-m i=1j=1nma=不变！不变！渐近线方向渐近线方向:a=(2k+1)n-mk=0,1,2,2k5实轴上某段实轴上某段右右侧零、极点侧零、极点个数之和个数之和为为 奇奇 数数，则该段，则该段是是根轨迹根轨迹偶偶6根轨迹的分离点根轨迹的分离点j=1mi=1nd-pi11d-zj=k=0,1,2,L=(2k+1)L,不变！不变！不变！不变！7与虚轴的交点与虚轴的交点8起始角与终止角起始角与终止角变了变了第45页/共46页46感谢您的观看。第46页/共46页
