北理工843控制工程基础复习大纲及试题汇总.ppt

控制工程基础讲义自动控制原理复习大纲自动控制原理复习大纲赵小梅赵小梅 第第8教学楼教学楼613室室5/16/2023控制工程基础讲义第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念5/16/2023控制工程基础讲义本章主要内容本章主要内容1.基本概念（基本概念（掌握）掌握）2.反馈控制的基本原理反馈控制的基本原理（掌握）（掌握）3.控制系统的构成控制系统的构成（掌握）（掌握）及分类及分类（了解）（了解）4.控制系统的研究内容控制系统的研究内容（掌握）（掌握）5/16/2023控制工程基础讲义1.1.自动控制发展历史自动控制发展历史控制理论的发展控制理论的发展:经典控制理论经典控制理论 五十年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。采用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。现代控制理论现代控制理论 以状态空间法为基础研究多输出输入(MIMO)系统，变参数、非线性、高精度等系统。采用的方法主要有：状态空间分析法。智能控制技术智能控制技术 90年代开始发展 专家系统、模糊控制、神经网络正在发展的各个领域正在发展的各个领域 自适应控制、大系统理论、H鲁棒控制、非线性控制 （微分几何，混沌，变结构）5/16/2023控制工程基础讲义2.2.术语术语自动控制自动控制对象对象 过程过程 系统系统 扰动扰动 反馈控制反馈控制反馈控制系统反馈控制系统 随动系统随动系统 自动调整系统自动调整系统 过程控制系统过程控制系统5/16/2023控制工程基础讲义4.4.闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制反馈控制系统反馈控制系统开环控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较5/16/2023控制工程基础讲义反馈控制系统反馈控制系统反馈反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制系统反馈控制系统 能对输入量与被反馈量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。5/16/2023控制工程基础讲义反反馈馈控制系控制系统统的基本的基本组组成成被控对象被控对象控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成)-测量元件：其职能是测量元件：其职能是测量测量被控制的物理量被控制的物理量;-给定元件：其职能是给定元件：其职能是给出给出与期望的被控量相对应的系统输入量与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）。（即参考量）。-比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行考量进行比较比较，求出它们之间的偏差。，求出它们之间的偏差。-放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大放大，用来推动执行元件，用来推动执行元件去控制被控对象。去控制被控对象。-执行元件：直接执行元件：直接推动推动被控对象，使其被控量发生变化。被控对象，使其被控量发生变化。-校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以串联或反馈的方式连接在系统中，以改善改善系统性能。系统性能。5/16/2023控制工程基础讲义闭环闭环与开与开环环控制系控制系统统的比的比较较闭环控制系统的特点闭环控制系统的特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点开环控制系统的特点 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。单、调整方便、成本低。5/16/2023控制工程基础讲义反反馈馈控制系控制系统统的方框的方框图图系统方框图系统方框图 为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例：的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例：（1）装置用方框表示）装置用方框表示 （2）信号用带箭号的线段表示）信号用带箭号的线段表示 （3）信号引出点）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）信号相加点（比较点）5/16/2023控制工程基础讲义第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型5/16/2023控制工程基础讲义本章主要内容本章主要内容1.时域数学模型时域数学模型微分方程微分方程 的建立与求解的建立与求解（掌握）（掌握）2.频域数学模型频域数学模型传递函数传递函数（掌握）（掌握）3.控制系统的结构图控制系统的结构图-等效变换等效变换（掌握）（掌握）4.控制系统的信号流图与梅逊公式控制系统的信号流图与梅逊公式（掌握）（掌握）5.脉冲响应脉冲响应（了解）（了解）5/16/2023控制工程基础讲义微分方程微分方程 的建立与求解的建立与求解系统微分方程的列写；系统微分方程的列写；（掌握）（掌握）线性方程的求解（用拉氏变换法）；线性方程的求解（用拉氏变换法）；（了解）（了解）5/16/2023控制工程基础讲义传递函数传递函数传递函数的基本概念；传递函数的基本概念；（掌握）（掌握）传递函数的列写（由微分方程和系统原理图出发）；传递函数的列写（由微分方程和系统原理图出发）；（掌握）（掌握）5/16/2023控制工程基础讲义结构图结构图-等效变换等效变换 结构图的概念和绘制方法；结构图的概念和绘制方法；（掌握）（掌握）结构图的等效变换（环节的合并和分支点、相加结构图的等效变换（环节的合并和分支点、相加点的移动）；点的移动）；（掌握）（掌握）闭环系统的传递函数（给定作用和扰动作用共同闭环系统的传递函数（给定作用和扰动作用共同下）；下）；（掌握）（掌握）特征表达式（特征方程）特征表达式（特征方程）（掌握）（掌握）5/16/2023控制工程基础讲义信号流图与梅逊公式信号流图与梅逊公式信号流图的组成；术语；信号流图的组成；术语；（掌握）（掌握）信号流图的绘制和等效变换；信号流图的绘制和等效变换；（掌握）（掌握）梅逊公式及其应用梅逊公式及其应用（掌握）（掌握）信号流图和结构图之间的关系信号流图和结构图之间的关系 （掌握）（掌握）5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题2【题题】在在下下列列RLCRLC电电路路图图中中，输输入入量量是是电电压压u(t)u(t)，输输出出量量是是电容电容C C上的电压上的电压u uc c(t)(t)。1 1、试试根根据据电电路路的的基基本本原原理理，建建立立描描述述电电路路输输入入量量与与输输出出量间运动关系的微分方程。量间运动关系的微分方程。2 2、利用、利用LaplaceLaplace变换，求出该电路系统的传递函数模型。变换，求出该电路系统的传递函数模型。CLRu(t)输入输出i(t)uc(t)5/16/2023控制工程基础讲义答案答案5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题2续续【题】下图电路中，输入量是电压【题】下图电路中，输入量是电压v(t)v(t)，输出量为电，输出量为电容电压容电压u uc c(t)(t)。试推导出描述电路的输入量与输出。试推导出描述电路的输入量与输出量之间关系的微分方程，并求出系统的传递函数。量之间关系的微分方程，并求出系统的传递函数。5/16/2023控制工程基础讲义答案答案5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题2续续 已知某系统的结构框图如下图所示，试求出该系已知某系统的结构框图如下图所示，试求出该系统的输入输出传递函数统的输入输出传递函数C(s)/R(s)C(s)/R(s)5/16/2023控制工程基础讲义答案答案5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题2续续求下图所示的系统的闭环传递函数，即求下图所示的系统的闭环传递函数，即C(s)/R(s)C(s)/R(s)5/16/2023控制工程基础讲义答：答：5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义答案：答案：5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题2续续线性动态系统传递函数的基本定义？线性动态系统传递函数的基本定义？系系统统在零初在零初值值条件下，条件下，输输出量的出量的LaplaceLaplace变换变换象函象函数与数与输输入量的入量的LaplaceLaplace变换变换象函数之比象函数之比 5/16/2023控制工程基础讲义第三章第三章 线性控制系统的运动线性控制系统的运动5/16/2023控制工程基础讲义本章主要内容本章主要内容1.稳定性稳定性2.Routh-Hurwitz判据判据3.参数对稳定性的影响参数对稳定性的影响4.静态误差分析静态误差分析5.动态性能指标动态性能指标6.动态性能分析动态性能分析5/16/2023控制工程基础讲义稳定性稳定性 稳定性的概念稳定性的概念（理解）（理解）线性系统稳定的充要条件线性系统稳定的充要条件（掌握）（掌握）劳斯代数稳定性判据劳斯代数稳定性判据（掌握）（掌握）劳斯阵（各种特殊情况下劳斯阵的排列和判稳方法）劳斯阵（各种特殊情况下劳斯阵的排列和判稳方法）劳斯劳斯-胡尔维茨稳定性判据的应用胡尔维茨稳定性判据的应用（掌握）（掌握）判稳判稳 系统参数变化对稳定性的影响系统参数变化对稳定性的影响5/16/2023控制工程基础讲义稳态误差分析稳态误差分析（掌握）（掌握）系统误差、稳态误差的定义系统误差、稳态误差的定义给定输入值作用下系统的误差分析给定输入值作用下系统的误差分析 系统的型系统的型 位置误差系数，速度误差系数，加速度误差系数位置误差系数，速度误差系数，加速度误差系数扰动输入作用下系统的误差分析扰动输入作用下系统的误差分析给定输入和扰动作用同时存在系统的误差分析给定输入和扰动作用同时存在系统的误差分析 系统的总稳态误差等于给定误差和扰动误差的迭加（误系统的总稳态误差等于给定误差和扰动误差的迭加（误差点定义在同一点）差点定义在同一点）5/16/2023控制工程基础讲义动态性能分析动态性能分析（掌握）（掌握）瞬态过程的性能指标瞬态过程的性能指标(有衰减振荡和单调变化之分有衰减振荡和单调变化之分)典型一阶系统的瞬态响应和性能指标典型一阶系统的瞬态响应和性能指标典型二阶系统的瞬态响应典型二阶系统的瞬态响应 二阶无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的阻尼系数、二阶无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的阻尼系数、特征根、极点分布和单位阶跃响应。特征根、极点分布和单位阶跃响应。典型二阶系统的性能指标典型二阶系统的性能指标 主要是超调量和调整时间；与系统参数之间的关系；速度主要是超调量和调整时间；与系统参数之间的关系；速度反馈校正。反馈校正。5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题35/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题3续续5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题3续续5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题3续续5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义答案：答案：5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义答案：答案：5/16/2023控制工程基础讲义第四章第四章 控制系统的频率法分析控制系统的频率法分析5/16/2023控制工程基础讲义本章主要内容本章主要内容1.频率特性的基本概念及表示方法频率特性的基本概念及表示方法2.典型环节的频率特性典型环节的频率特性3.复杂系统频率特性的绘制复杂系统频率特性的绘制 4.Nyquist稳定判据稳定判据5.稳定裕度稳定裕度 6.闭环系统的性能分析闭环系统的性能分析5/16/2023控制工程基础讲义频率特性的基本概念频率特性的基本概念（理解）（理解）频率特性的定义频率特性的定义频率特性与传递函数之间的关系频率特性与传递函数之间的关系各种数学模型之间的关系各种数学模型之间的关系5/16/2023控制工程基础讲义频率特性的对数坐标图频率特性的对数坐标图（掌握）（掌握）基本环节的对数坐标图基本环节的对数坐标图开环系统对数坐标频率特性的绘制（绘制波德图）开环系统对数坐标频率特性的绘制（绘制波德图）5/16/2023控制工程基础讲义频率特性的极坐标图频率特性的极坐标图（掌握）（掌握）开环系统极坐标频率特性的绘制（绘制奈氏图）开环系统极坐标频率特性的绘制（绘制奈氏图）奈魁斯特稳定判据奈魁斯特稳定判据稳定裕度稳定裕度5/16/2023控制工程基础讲义闭环系统的性能分析闭环系统的性能分析 通过频率特性曲线获得稳态性能指标通过频率特性曲线获得稳态性能指标（掌握）（掌握）频率域性能指标频率域性能指标（了解）（了解）频率域特性指标与时域瞬态指标的关系频率域特性指标与时域瞬态指标的关系（了解）（了解）5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题4已知某最小相位系统的开环对数频率特性（已知某最小相位系统的开环对数频率特性（BodeBode图）如图示。图）如图示。5/16/2023控制工程基础讲义（1 1）由由图图写写出出系系统统的的开开环环传传递递函函数数和和频频率率特特性性函函数的表达式；数的表达式；（2 2）求求出出闭闭环环系系统统在在斜斜坡坡信信号号作作用用下下的的静静态态误误差差表达式；表达式；（3 3）由由图图判判断断系系统统的的稳稳定定性性，并并写写出出闭闭环环系系统统的的增益稳定裕量和相角稳定裕量表达式。增益稳定裕量和相角稳定裕量表达式。5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义历年试题历年试题4续续5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义5/16/2023控制工程基础讲义谢谢！谢谢！5/16/2023