北京理工大学自动控制原理辅导班笔记5504.pdf
《北京理工大学自动控制原理辅导班笔记5504.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《北京理工大学自动控制原理辅导班笔记5504.pdf(42页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 http:/资料分享平台 410 自动控制原理辅导班笔记 钟海秋教授 一、自动控制理论的分析方法:(1)时域分析法;(2)频率法;(3)根轨迹法;(4)状态空间方法;(5)离散系统分析方法;(6)非线性分析方法 二、系统的数学模型(1)解析表达:微分方程;差分方程;传递函数;脉冲传递函数;频率特性;脉冲响应函数;阶跃响应函数(2)图形表达:动态方框图(结构图);信号流图;零极点分布;频率响应曲线;单位阶跃响应曲线 时域响应分析 一、对系统的三点要求:(1)必须稳定,且有相位裕量和增益裕量gK(2)动态品质指标好。pt、st、rt、%(3)稳态误差小,精度高 二、结构图简化梅逊公式 例 1、解
2、:方法一:利用结构图分析:http:/资料分享平台 sXsYsRsYsXsRsE11 方法二:利用梅逊公式 nkKKPsG1)(其中特征式 .11,1,1QfedfedMkjkjNiiLLLLLL 式中:iL 为所有单独回路增益之和 jiLL 为所有两个互不接触的单独回路增益乘积之和 fedLLL 为所有三个互不接触的单独回路增益乘积之和 其中,kP 为第K 条前向通路之总增益;k 为从中剔除与第K 条前向通路有接触的项;n 为从输入节点到输出节点的前向通路数目 对应此例,则有:通路:211GGP,11 特征式:312131211)(1GGGGGGGG 则:3121111)()(GGGGPsR
3、sY 例 2:2002 年备考题 http:/资料分享平台 解:方法一:结构图化简 继续化简:于是有:结果为其中)(sG=)(sG 5342112361GGGGGHGGG 2342112334211HGGGGHGGGGGG5G2H6G12342131HGGGGGG 34211231GGGGHGG5G2H6G421GGG 12331HGGG 1G2G 5G2H1K 3G4G12HG http:/资料分享平台 方法二:用梅逊公式 012342321123HGGHGGGHGG 通路:1,1321651GGGGGP 1232521,HGGGP 1,334653GGGGP 于是:.332211PPPsR
4、sY 三、稳态误差 (1)参考输入引起的误差传递函数:HGGsRsE2111)(;扰动引起的误差传递函数:HGGHGsNsE2121 (2)求参考输入引起的稳态误差ssre时。可以用 pK、vK、aK叠加,也可以用终值定理:sEsrs 0lim(3)求扰动引起的稳态误差 ssne 时,必须用终值定理:sEsNs 0lim(4)对阶跃输入:sGKsp00lim,如 tatr1,则 sasR,pssrKae1 2G 1GH http:/资料分享平台 (5)对斜坡输入:sGsKsv00lim,如 tbtr,则 2sbsR,vssrKbe(6)对抛物线输入:sGsKsp020lim,如 221tctr
5、,则 3scsR,assrKce 例 3:求:sRsY,令 0sN,求 sNsY,令 0sR 解:结构图化简:继续化简,有:当 0sN时,求得 sRsY=。;当 0sR时,有 2G 33222321HGGHGGG 331GGH 1G 3G 3H2221HGG31GH http:/资料分享平台 求得 sNsY=例 4:令 0sN,求 sRsY,令 0sR,求 sNsY 为了完全抵消干扰对输出的影响,则?SGx 解:求 sRsY,用用梅逊公式:21111,1GKGP 1,212xGGP 12112111KGGKGKGGKG 则:12112111KGGKGGGGKGsRsYx,同理求得 sRsY=若
6、完全抵消干扰对输出的影响,则干扰引起的输出应该为零。即 sNsY=0,故 12112111KGGKGGGGKGsRsYx=0,所以1211GGKGGx 例 5:2002年题4 其中 4111ssssGn,222ssKsGn,r(t)和 n(t)分别是参考输入和扰动输入。(1)求误差传递函数 sRsEsGre 和 sNsEsGne;http:/资料分享平台 (2)是否存在n1 0 和 n2 0,使得误差为零?(3)设 r(t)和 n(t)皆为阶跃输入,若误差为零,求此时的n1 和 n2 解:2111GGsRsEsGre,2121GGGsNsEsGne,N(s)为负 r(t)=t,要求ssre=0
7、.则系统应为型系统,那么n1+n2=2.r(t)=1(t),n(t)=1(t),要求sse=0,则 n1+n2=1 因为如 1244sKssssKsNsE,则 41limlimlim000ssNsEssNsNsEssEsesssssn 而事实上:1244sKssssKssNsE 01limlimlim000ssNsEssNsNsEssEsesssssn 可见积分环节在 sG1部分中,而不在 sG2中。故 n1=1,n2=0。就可以实现要求 2G 1K http:/资料分享平台 例 6:如图,当 203cos215sintttr时,求稳态输出 解:应用频率法:75jj,则 73tan585735
8、3,71tan50575111jjjj 73tan203cos581071tan15sin505|11tttyt 四、动态指标(1)二阶系统传递函数的标准形:2222nnnssRsY(2)cos,越大,越小(3)21nrt,21npt,nst43(=5%或 2%)例 7:如图,要求%30%,1.0stp,试确定参数K,T。25s 1TssK http:/资料分享平台 解:222222/nnnssTKTssTKKsTsKsRsY,则TKn2,Tn12。由1.012npt,3.01exp%2,可得=?,T=?例 8:求:选择1K,tK,使得%20%,ts=1.8 秒(%2)求pK、vK、aK,并求
9、出 tttr 1时的稳态误差 解:tnnnnntKKKssKsKKsKsRsY112222112122 由%20%,则%201exp2,求得 由8.14nst,求得n。,从而得1K、tK。由传递函数:tKKssKsG110得,sGKsp00lim,tsvKsGsK1lim00,0lim020sGsKsa 1K 21s sKt http:/资料分享平台 当 tttr 1时,ttvpssKKKKe0111 频率法 一、基本概念:jGsGjs,输入是正弦信号,稳态输出。如:tRtr11sin,则 1111111sin1jGjGtRjGjGty 二、惯性环节 1TsK,221TKjG,TjG1tan,
10、900 11TssK,221TKjG,TjG1tan90,则:0:,18090:,0:A 注意:321 jw 0+u 0+G(s)http:/资料分享平台 因为 TjG1321tan90 1121sTsTK,(如图3)则 21112221tantan11TTTTKA 1121sTsTsK,(如图4)21112221tantan9011TTTTKA求w1。因1801,故 90tantan180tantan9021112111TTTT 两边取正切:21212111TTTTTT 11121sTsTssK,其中21TT,(如图5)0+0+0+http:/资料分享平台 增益裕量:11AKg,相位裕量:c
11、 180,如图6 注意:用1cjG求 K;用180tan11jG求 w1。例 1:11121sTsTssK,T1T2,K=10,作出波德图 例 2:2002 年题1 求:(1)写出开环传递函数 sG0(2)计算系统的相位裕量和增益裕量(3)做出 sG0的 Nyquist 曲线,并分析闭环系统的稳定性 http:/资料分享平台 解:11.01220sssKsG 可见图中2c,因为幅频特性曲线在w1=0.5 和w2=10 时发生转折,显然w=2时,曲线只在w1=0.5 发生转折,而未到w2=10。故w2=10 不发生作用,所以112222KK,故 11.0122ssssG 相位裕量:.2tan4t
12、an18011c 因为180tan101jG,则 gK01.021.0tan2tan1111111:则Z=0,N=0,P=0。符合Z=P+N,故稳定 三、Nyquist 判据 Z 为闭环右半平面根数,P 为开环 sG0右半平面根数,N 为 sG0包围-1 圈数,顺时针为正,逆时针为负。当符合Z=P+N 是系统稳定。其中Z=0 例 3:TTsssKsG,1120 解:奈氏曲线如下图。N=2,P=0,Z=N+P=2 0,故不稳定。http:/资料分享平台 例 4:120TssKsG,如图:N=2,P=0,Z=N+P=2 0,故不稳定。例 5:01065212340sssssG,判断系统是否稳定。分
13、析:判断稳定性,用劳斯判据:相邻系数必须为正,不能缺项 如:01230KsTssG。显然缺s 项,故不稳定。劳斯阵列第一列全为正,则系统稳定。如果有一个负数,则变号次,即系统有个有根,不稳定。系统如果与虚轴有交点,则劳斯阵有一行全为,此行的上一行为辅助多项式,由辅助多项式可求出与虚轴的交点坐标。如 062323sss,劳斯阵为:http:/资料分享平台 6:000:063:021:0123ssss,则由于一行全为零。则系统与虚轴相交。辅助多项式为:jss20632,12,则与虚轴的交点为j2。解:劳斯阵:10020202421026210202101226251062105101234ssss
14、s,可见系统不稳定,有两个右根。例:02010521234sssssG,解:劳斯阵:204010201022000102205101234sssss,因为此处不能往下计算,换成。时,且当00,04010,故系统不稳定。例:2002 年备考题单位反馈系统,开环传递函数 1001000020sssG,http:/资料分享平台 要求:画出对数幅频特性,求c,判断系统稳定性。加入矫正装置,使c扩大一倍,求矫正后系统传递函数和相位裕量。解:开环传递函数应由所给的零极点形式化成时间常数形式:101.010020sssG,由作图可得10c,由劳斯判据可知,0100001.023 ss,缺项,则系统不稳定。也
15、可由19011001.0tan1801cjG,10180cjG,判定系统不稳定。也可由零极点判断画图,不稳定。加入矫正装置是111s,即 101.01100210ssssG 1602001.0tan20tan180111200csG(w1 可由图中按比例读出),则20180cjG。例 8:2001 年备考题 求:系统阻尼比=0.5 时,?hK sKh1 14ss http:/资料分享平台 hK=0 时,求%,pt、st(%2)解:222221414nnnhhssKssKsRsY,则 4321442144hhhnKKK hK=0 时,442sssRsY,则25.02n,于是stns84,pt=%
16、=例 9设计型题,较易,主要考概念 求:sGc,使 ttr时,0sse;使 221ttr时,01.0sse 解:TssGc,1,利用基本概念,不用计算 TsKsGc,1,则KTsssKsKsa101101lim220 故:1001.01011KKKeass。根轨迹法 一、定义:sGc1102Tss http:/资料分享平台 01111*0njimiipszsKsG。其中*K为根轨迹增益。开环放大倍数njjmiipzKK11*闭环特征方程的根随参数*K而变化的轨迹,称为根轨迹。其符合两个条件:非最小相位系统或最小相位系统相角条件:幅值条件:,2,121000ksGksGsG 几条规则:实轴上的根
17、轨迹 最小相位系统右边有奇数个零极点时,有根轨迹 非最小相位系统右边有偶数个零极点时,有根轨迹 根轨迹条数=Max(n,m),起点为开环极点(0gK),终点为开环零点(gK)渐进线条数:(n-m)条,与实轴交点坐标:mn 零点极点1 与实轴夹角:mnk121。分离点与会合点:使0*dsdK,并使*K0 的点 复数极点出射角:http:/资料分享平台 量辐角其他极点至该极点的向零点至极点的向量辐角1801p 对非最小相位系统 量辐角其他极点至该极点的向零点至极点的向量辐角1p 复数零点的入射角:角极点至该零点的向量辐量辐角其他零点至该零点的向1801z 对非最小相位系统 角极点至该零点的向量辐量
18、辐角其他零点至该零点的向1z 与虚轴交点:(a)用劳斯判据确定,用辅助方程求得(b)js 代入闭环特征方程,由实部=0,虚部=0 求得 例 1:210sssKsG 解:渐进线(3 条):10321,,3312k 由0211sssK,则21sssK,026323223*ssdssssddsdK,得 385.0,577.1385.0,423.0*22*11KsKs http:/资料分享平台 与虚轴的交点:方法一 02323Ksss,劳斯阵:KsKsKss0123323021 要与虚轴有交点,则有一行全零,即6032KK 辅助方程:jss20632,12 方法二 将js 代入特征方程:02323Kj
19、jj 2,60320332KK虚部:实部:,则与虚部的交点6,22,1Kjs 根轨迹如下图 例 2:32220sssKsG http:/资料分享平台 解:渐进线一条。出射角140022tan2tan180111p 分离点与会合点:2322*sssK,故:023222222*sssssdsdK,则0142ss,得464.5,752.3265.0221Kss,可见根轨迹是圆弧。证明:取圆弧上一点js。1803222tan2tan32222112jjjsG(应用辐角条件)两边取正切:222222232222132222 可见是圆。例 3:解:结构图化简,有:hKKssK11 http:/资料分享平台
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 北京理工大学 自动控制 原理 辅导班 笔记 5504
限制150内