自動(dòng)控制原理課件胡壽松ppt

1、說(shuō)明1自動(dòng)控制原理的電子版內(nèi)容以胡壽松教授主編的第五版“自動(dòng)控制原理”為基礎(chǔ),以PowerPoint 2000和MATLAB6.5為工具，以幫助教師更好地講好自控幫助學(xué)生更好地學(xué)好自控為目的而制作的。本課件大部分內(nèi)容都是以點(diǎn)擊鼠標(biāo)的方式分步 出現(xiàn)的，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇“定位”，然后再點(diǎn)擊“幻燈片漫游”，可進(jìn)入各章節(jié)學(xué)習(xí)。使用者 在使用前應(yīng)先看看各章說(shuō)明，即可理解其含意。1說(shuō)明2課件3 6為第一章的內(nèi)容。制作目的是節(jié)省畫(huà)圖時(shí)間，便于教師講解。課件6要強(qiáng)調(diào)串聯(lián)并聯(lián)反饋的特征，在此之前要交待相鄰綜合點(diǎn)與相鄰引出點(diǎn)的等效變換。課件7中的省略號(hào)部分是反過(guò)來(lái)說(shuō)，如合并的綜合點(diǎn)可以分開(kāi)等。最后一條特別要講清楚

2、， 這是最容易出錯(cuò)的地方！課件10先要講清H1和H3的雙重作用，再講分解就 很自然了。課件11 12 13是直接在結(jié)構(gòu)圖上應(yīng)用梅遜公式，制作者認(rèn)為沒(méi)必要將結(jié)構(gòu)圖變?yōu)樾盘?hào)流圖后再用梅遜公式求傳遞函數(shù)。2說(shuō)明3課件1730為第三章的內(nèi)容。課件1719中的誤差帶均取為穩(wěn)態(tài)值的5%，有超 調(diào)的階躍響應(yīng)曲線的上升時(shí)間為第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài) 值的時(shí)間。課件20要講清T的求法，T與性能指標(biāo)的關(guān)系。課件21要說(shuō)明這是無(wú)零點(diǎn)的二階系統(tǒng)。課件22要交待(s)的分母s2項(xiàng)的系數(shù)，且分子分母常數(shù)項(xiàng)相等。課件28小結(jié)中的3個(gè)問(wèn)題答案：1系統(tǒng)穩(wěn)定且 R(s)2非單位反饋輸出端定義的誤差E(s) =；1+ G(s)H (s)可通

3、過(guò)等效變換后使用；3 系統(tǒng)穩(wěn)定。3說(shuō)明4課件3242為第四章的內(nèi)容。課件32中的注意應(yīng)在觀看rltool后講解。若不演 示rltool也可以。課件33結(jié)論1和2與書(shū)中的相同，結(jié)論3分為nm，n=m， nm這3種情況介紹，其中n為開(kāi)環(huán)極點(diǎn)數(shù)，m為開(kāi)環(huán)零點(diǎn)數(shù)。課件34根軌跡出現(xiàn)后，先介紹圖上方的C(s)=6實(shí)際是K*=6,圖中的3個(gè)小方塊為K*=6所對(duì)應(yīng)的3個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)， 然后驗(yàn)證模值條件和相角條件。課件35要強(qiáng)調(diào)是1+，不能是1-，分子分母中的因子s的 系數(shù)為1，不能為-1，K*不能為負(fù)。課件41先回顧180o根軌跡的模值方程和相角方程，然后4再介紹零度根軌跡的模值方程和相角方程。說(shuō)明5課件446

4、3為第五章內(nèi)容課件44要說(shuō)明幾個(gè)問(wèn)題：1.給一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)輸入一個(gè)正弦，其穩(wěn)態(tài)輸出才是正弦，幅值改變相 角改變；2.不穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出震蕩發(fā)散，該振蕩頻率與輸入正弦的頻率有無(wú)關(guān)系？3.不穩(wěn)定的系統(tǒng)輸入改為階躍時(shí)，其輸出曲線類似，此時(shí)用運(yùn) 動(dòng)模態(tài)來(lái)解釋。課件45中的省略號(hào)內(nèi)容為：輸入初始角不為零時(shí) 如何處理，輸入為余弦時(shí)沒(méi)必要改為正弦。課件57種的幾點(diǎn)說(shuō)明內(nèi)容為：1. 增加k 值曲線上下平移，2.z 取不同的值時(shí)，修正值不同，詳細(xì)情況參考課件57。56第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求飛機(jī)示意

5、圖反饋電位器給定電位器飛機(jī)方塊圖 擾動(dòng)0c8 俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖垂直陀螺儀反饋電位器飛機(jī)舵機(jī)放大器給定裝置液位控制系統(tǒng)控制器Q1浮子電位器減速器電動(dòng)機(jī)用水開(kāi)關(guān)SMQ2if9c10第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2-1 時(shí)域數(shù)學(xué)模型2-2 復(fù)域數(shù)學(xué)模型2-3 結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖結(jié)構(gòu)圖三種基本形式串聯(lián)并聯(lián)反饋G1G2G1G2G1G2G11+ G1 G2G2G2G1G112結(jié)構(gòu)圖等效變換方法 1三種典型結(jié)構(gòu)可直接用公式2相鄰綜合點(diǎn)可互換位置、可合并3相鄰引出點(diǎn)可互換位置、可合并 注意事項(xiàng)：2引出點(diǎn)綜合點(diǎn)相鄰，不可互換位置1不是典型結(jié)構(gòu)不可直接用公式請(qǐng)你寫(xiě)出結(jié)果,行嗎？引出點(diǎn)移動(dòng)ab13H1H3G2G1G4

6、G3H2 1G4H1H3G2G1G4G3H2錯(cuò)無(wú)用功向同類移動(dòng)綜合點(diǎn)移動(dòng)G2！G114H1G2G1G3H1G2G1G3作用分解G415H1H3H3H1G3G2G1G4H1H3G3G2G1Pkk C(s)R(s)梅遜公式介紹 R-C:=1 - La=+ LbLc-LdLeLf+其中:所有單獨(dú)回路增益之和LaLbLc所有兩兩互不接觸回路增益乘積之和LdLeLf所有三個(gè)互不接觸回路增益乘積之和Pk從R(s)到C(s)的第k條前向通路傳遞函數(shù)k稱為第k條前向通路的式k求法: 去掉第k條前向通路后所求的k=1-LA+ LBLC- LDLELF+稱為系統(tǒng)特征式GGGGGGGGGG4444444444(s)

7、(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)GGGGGGGGG111111111(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)GGGGGGGGGG2222222222(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)GGGGGGGGGG3333333333(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)HHHHHHHHH111111111(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)HHHHHHHHHH3333333333(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)(s)GG11(s)(s)GG22(s)(s)GG33(s)(s)GG4

8、4(s)(s)GG11(s)(s)GG22(s)(s)GG33(s)(s)HH11(s)(s)HH33(s)(s)G4(s)G3(s)請(qǐng)你寫(xiě)出答案，行嗎？梅遜公式例R-CR(s) C(s)2=1+G1H11=1L1L4=(G1H1)(G4G3)=G1G3G4H1L1L2= (G1H1) (G3H3) = G1G3H1H3L5 = G1G2G3L4= G4G3L3= G1G2G3H3H1L2= G3 H3L1= G1 H1P2= G4G3P1=G1G2G3C(s) R(s) =?H33(s)H11(s)G3(s)G22(s)G11(s)G4(s)G3(s)N(s)R(s)E(S)C(s)G1(s

9、)G2(s)H1(s)H2(s)H3(s)R(s)E(S)P1=11=1+G2H2P11= ?C(s)N(s)R(s)GG33(s)(s)N(s)R(s)E(S)E(S)C(s)GG11(s)(s)GG22(s)(s)HH11(s)(s)HH22(s)(s)HH33(s)(s)G3(s)R(s)E(S)G2(s)P2= - G3G2H32= 1P22=?H3(s)C(s)G1(s)H1(s)H2(s)P1= G2H31= 1梅遜公式求E(s) N(s)E(S) R(s) R(s) (1+G2H2) +(- G3G2H3) +(G2H3) N(s)E(s)=1 - G1H1+ G2H2+ G1G

10、2H3-G1H1G2 H2H3(s)H1(s)HG1(s)G2(s)2(s)C(s)G3(s)19信號(hào)流圖eg bcad1R(s)C(s)fh前向通路兩條 四個(gè)單獨(dú)回路，兩個(gè)回路互不接觸abcd + ed (1 bg)1 af bg ch eh gf + af ch C(s)R(s)=20第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法3-1時(shí)域性能指標(biāo)3-2一階系統(tǒng)時(shí)域分析3-3二階系統(tǒng)時(shí)域分析3-4穩(wěn)定性分析3-6穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算2h(t)AA超調(diào)量% =B100%峰值時(shí)間tpB上 升時(shí)間trth(t)調(diào)節(jié)時(shí)間tst動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義1h(t)A B100%超調(diào)量% =AB峰值時(shí)間tp上 升時(shí)間tr調(diào)節(jié)時(shí)間tst1

11、22動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義2h(t)調(diào)節(jié)時(shí)間 ts上升時(shí)間trt23動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義3h(t) A%=100%ABBttrtpts單1k(0)=T位1K(0)=T2脈沖響應(yīng)單h(0)=1/T位h(T)=0.632h()階h(2T)=0.865h()躍h(3T)=0.95h()響h(4T)=0.982h()應(yīng)單位斜T坡響應(yīng)?一階系統(tǒng)時(shí)域分析時(shí)間常數(shù) k Ts+1, T無(wú)零點(diǎn)的一階系統(tǒng) (s)= (畫(huà)圖時(shí)取k=1,T=0.5) c(t)=t-T+Te-t/T t T 1 T-k(t)=eh(t)=1-e-t/Tr(t)= (t)r(t)= 1(t)r(t)= t 1 、3個(gè)圖各如何求T？問(wèn) 4、求導(dǎo)關(guān)系

12、3 、r(t)=vt時(shí)，ess=？2 、調(diào)節(jié)時(shí)間ts=？2jz 1S1,2= - z nn z2 - 1 0jz 1S1,2=- zn =-n0j0 z 1S1,2= -zn j n1-z2 0jz0S1,2 = jn0tteT1eT2h(t)= 1 +T2+TT1T2111h(t)= 1-(1+nt) e- tn0h(t)= 1 -cosnth(t)=111-z2e-znt sin(dt+) 2二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)定性分析n(s)=s2+2zns+2nj0 z 1j0 z 1 11T2T1過(guò)阻尼臨界阻尼jj0欠阻尼零阻尼z00 z 1jn2d = n1-2z(s)=s2+2 z s+ 2nn

13、n- z 00 z 1時(shí)：nS1,2=- z nj n 1-z21z th(t)= 1 1-z2e-nsin(dt +)欠阻尼二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析與計(jì)算 1- tzeh(t)= 1sin(t+)n1-d2z 令h(t)=1取其解中的最小值，得得，e-z得 % =2 100%1 - z= e-p /tgb 100%（0 z 0.8） 由包絡(luò)線求調(diào)節(jié)時(shí)間h(tp) h()由%=h()100%tp=d令h(t)一階導(dǎo)數(shù)=0， 取其解中的最小值t =- rd(64)/2=1(10-6)/2=21357246(6-14)/1= -824112勞斯表特點(diǎn)0127-8勞思表介紹設(shè)系統(tǒng)特征方程為：s6+2s5

14、+3s4+4s3+5s2+6s+7=013567s6s524勞思表s4s3 s2 s1s012-871 右移一位降兩階2 勞思行列第一列不動(dòng)27+83次對(duì)角線減主對(duì)角線-8(2 +8) -7724 每?jī)尚袀€(gè)數(shù)相等5分母總是上一行第一個(gè)元素6 一行可同乘以或同除以某正數(shù)7 第一列出現(xiàn)零元素時(shí)，用正無(wú)窮小量代替。27勞思判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件:有正有負(fù)一定不穩(wěn)定!缺項(xiàng)一定不穩(wěn)定!系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件:勞思表第一列元素不變號(hào)!若變號(hào)系統(tǒng)不穩(wěn)定!變號(hào)的次數(shù)為特征根在s右半平面的個(gè)數(shù)!28-s2-5s-6=0穩(wěn)定嗎？均大于零!特征方程各項(xiàng)系數(shù)551 勞斯表何時(shí)會(huì)出現(xiàn)零行?0662 出現(xiàn)零行怎么辦?3 如何

15、求對(duì)稱的根?勞斯表出現(xiàn)零行系統(tǒng)一定不穩(wěn)定勞思表出現(xiàn)零行設(shè)系統(tǒng)特征方程為：s4+5s3+7s2+5s+6=0 有大小相等符號(hào)相反的特征根時(shí)會(huì)出現(xiàn)零行由零行的上一行構(gòu)成輔助方程:s2+1=0對(duì)其求導(dǎo)得零行系數(shù): 2s1繼續(xù)計(jì)算勞斯表s4s311716勞思表s2s1 s011 21第一列全大于零,所以系統(tǒng)穩(wěn)定 解輔助錯(cuò)方啦程得!對(duì)! 稱根:s1,2=j由綜合除法可得另兩個(gè)根為s3,4= -2,-32930誤差定義E(s)E(s)R(s)C(s)R(s)C(s)B(s)C(s)E(s)=R(s)-C(s)輸入端定義：E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-C(s)H(s)N(s)R(s)C(s)輸出端

16、定義：R(s)H(s)E(s)=C-C=-C(s)希實(shí)R(s)E(s)R(s)C(s)En(s)=C希-C實(shí)= Cn(s)總誤差怎么求？G(s)H(s) 1H(s)H(s)G2(s)G1(s)H(s)G(s)G(s)典型輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)誤差系數(shù)r(t)=R1( t)R(s)=R/sR(s)E(s)C(s) R=ekpss1+ 11+G(s)H(s)E(s)=R(s)r(t)=VtR(s)=V/s2= Vkessvr(t)=At2/2R(s)=A/s3= lim s R(s)e= A1+ k G Hsss0ekas00ss31lim s2 ks0slim s ks0s若系統(tǒng)穩(wěn)定,則可用終值

17、定理求esslim ks0sG(s)H(s)V2r(t)=R1(t)ess=kr(t)=At /2Rlim sAess=s0 sess=lim s2k1+limkr(t)=Vt32 ss0ss0取不同的穩(wěn)態(tài)誤差靜態(tài)誤差系數(shù)1小結(jié)： 23Kp=? Kv=? Ka=?啥時(shí)能用表格？非單位反饋怎么辦？表中誤差為無(wú)窮時(shí)系統(tǒng)還穩(wěn)定嗎?R1( t)VtAt2/2R1( t)VtAt2/20型 R1+ kk00型0 Vkk0型00 Akkt從0全過(guò)程這就是按擾動(dòng)的全補(bǔ)償全各種干擾信號(hào)33減小和消除誤差的方法(1,2)1按擾動(dòng)的全補(bǔ)償N(s)R(s)E(s)C(s)(T1s+1)+ k1Gn(s)令R(s)=

18、0,E (s) = -C(s) =N(s)s (T1s+1)(T2s+1) + k1k2n令分子=0，得Gn(s) = - (T1s+1)/k1設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，N(s)=1/s ,則2按擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償1+ k1Gn(s) k1k2Gn(s)= -1/k1essn= limsC(s) =lims0s0k2s(T2s+1)k1T1s+1Gn(s)減小和消除誤差的方法(3,4)N(s)E(s)R(s)C(s)3按輸入的全補(bǔ)償s (T1s+1)(T2s+1) - k2 (T1s+1)Gr(s) R(s)令N(s)=0, E (s)=rs (T1s+1)(T2s+1) + k1k2s (T2s+1)/ k2

19、設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，R(s)= 1/s2令分子=0，得Gr(s)=4按輸入的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償則k1-2G (s) se= limsE (s)= limGr(s)=srssrrks0s0k1k2234k2s(T2s+1)k1T1s+1Gr(s)35第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法4-1 根軌跡概念4-2 繪制根軌跡的基本法則4-3 廣義根軌跡：根軌跡概念S2+2s+2k=0特征方程特征根：s1,2= 112kk=0時(shí)，s1=0,s2=20k0.5 時(shí)，兩個(gè)負(fù)實(shí)根k=0.5 時(shí)，s1=s2=1；若s1=0.25,s2=?0.5k時(shí)，s1,2=1j2k1j-10-2演示rltool注意：一組根對(duì)應(yīng)同一個(gè)K；K一變，一組根

20、變；K一停，一組根停；K:0 k s(0.5s+1)37閉環(huán)零極點(diǎn)與開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)的關(guān)系fl(s-zi)(s-zj)i=1 qj=1G(s)= K*;(s)= K*HGHh(s-pi)(s-pj)i=1j=1hf*)(s-pj)(s-ziKGj=1i=1(s )=qh) (s-pj=1fl+ K* K * (s-z(s-pi)(s-zjijGHi=1i=1j=1 結(jié)論：1 零點(diǎn)、 2 極點(diǎn)、3 根軌跡增益HG模值條件與相角條件的應(yīng)用-0.825z =0.466 n=2.34-1.09+j2.0778.8o92.49o2.26127.53o2.61 66.27o2.112.072s1=-0.825

21、s2,3= -1.09j2.07-2-1.50.5-12.262.112.612.072= 6.0068K*=92.49o- 66.27o- 78.8o- 127.53o= 180o38Zj開(kāi)環(huán)零點(diǎn)“”,是常數(shù)pi 開(kāi)環(huán)極點(diǎn)“”,也是常數(shù)！根軌跡方程特征方程 1+GH = 0！m (s - zj )j=11+K*= 0np )( si=1-i這種形式的特征方程就是根軌跡方程39根軌跡增益K* ，不是定數(shù)，從0 變化01m (s - zj )j=1+K*n=- (s -pi )i=1ms - zjj=1K*n=1s -pii=1m根軌跡的模值條件與相角條件 相角條件:n(s-zj) (s-pj)

22、 = (2k+1) j=1i=1k=0, 1,2,nps-iK* =1i=1模值條件:ms - zjj=1 確定根軌跡上某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的K*值 繪制根軌跡的充要條件ms - zjj=1K*n= 1s -pii=1m(nm?)s - zj1=n舉例j=1K*s -pii=1實(shí)軸上的根軌跡1 說(shuō)明什么2 d的推導(dǎo)3 分離角定義1根軌跡的條數(shù)就是特征根的個(gè)數(shù)2根軌跡對(duì)稱于實(shí)軸3根軌跡起始于開(kāi)環(huán)極點(diǎn)( ),終止于開(kāi)環(huán)零點(diǎn)( )繪制根軌跡的基本法則78或 令s=j解出與虛軸的交點(diǎn)起始角與終止角4n-m條漸近線對(duì)稱于實(shí)軸,均起于a 點(diǎn),方mnpi-zj(2k+1)k= 0,1,2, a=向由a確定:i=1j=1

23、=n-man-m56實(shí)軸上某段右側(cè)零、極點(diǎn)個(gè)數(shù)之和為奇數(shù)，則該段是根軌跡根軌跡的會(huì)合與分離n 1m 1,d-zj(2k+1)L= j=1k= 0,1,2, L=d-pi=1iL為來(lái)會(huì)合的根軌跡條4數(shù)1無(wú)零點(diǎn)時(shí)右邊為零可由勞思表求出j0j0j0j0j0j042根軌跡示例1jjj000jj00同學(xué)們，頭昏了吧？j0j0j0j043j0j0根軌跡示例2jjj000 n=n1=21;d=conv(1 2 05,112621)0;r)l;orcloucsu(ns,(dn),d)jjj000零度根軌跡特征方程為以下形式時(shí)，繪制零度根軌跡請(qǐng)注意：G(s)H(s)的分子分母均首一44mK *(s - z j

24、)2.1+j =1= 0K*:0 n(s - pi )i=1mK * (s - z j )1.1n= 0K*:0 +j =1(s - pi )i =1零度根軌跡的模值條件與相角條件nps-iK*= 模值條件:i=1ms - zjj=1 相角條件:mnk2(s-z )(s-p) = (2k+1) jjj=1i=1k=0, 1, 2, ms - zj1=nj=1K*s -pii=1(2k+1)奇n1m1(2k+1)d-p= , L=k= 0,1,2, i=1ij=1d-zjL46繪制零度根軌跡的基本法則根軌跡的條數(shù)就是特征根的個(gè)數(shù)123不變！不變！根軌跡對(duì)稱于實(shí)軸根軌跡起始于開(kāi)環(huán)極點(diǎn)( ),終止于

25、開(kāi)環(huán)不零變點(diǎn)！( )mn4n-m條漸近線對(duì)稱于實(shí)不軸變,起！點(diǎn)pi-zji=1j=1=an-m 2ka=漸近線方向:k= 0,1,2, n-m實(shí)軸上某段右側(cè)零、極點(diǎn)個(gè)數(shù)之和為數(shù)，則該段是根軌跡56根軌跡的分離點(diǎn)不變！與虛軸的交點(diǎn)不變！ 變了78起始角與終止角偶47第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法5-1 頻率判據(jù)5-2 典型環(huán)節(jié)與開(kāi)環(huán)頻率特性5-3 頻域穩(wěn)定判據(jù)5-4 穩(wěn)定裕度5-5 閉環(huán)頻域性能指標(biāo)48給系統(tǒng)輸入一個(gè)幅值不變頻給穩(wěn)定的系統(tǒng)輸入結(jié)論同頻率的正弦，Ar=1 =0.5=1率不斷增大的正弦，曲線如下:一個(gè)正弦，其穩(wěn)態(tài)輸出是與輸入值隨而變，相角也是的函數(shù)。=2=2.5=4幅頻率特性的概念不設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖，由勞思判據(jù)知系統(tǒng)穩(wěn)定。40AB相角問(wèn)題 穩(wěn)態(tài)輸出遲后于輸入的角度為：A該角度與有關(guān)