1、第 1 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 自动控制系统的分类 1.3 对自动控制系统的基本要求1 什么是自动控制：所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器） ，使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控变量）自动地按照预定规律运行。2 自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体3 被控对象：要求实现自动控制的机器设备、生产过程，或其他对象4 被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量5 控制量：可以被改变，并影响被控制量的物理量，一般指系统
2、的输入量6 扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动7 控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称【控制器，控制阀】8 检测装置：测量系统某些物理量值的装置【温度传感器】热水系统方框图控制器 控制阀 加热水箱温度传感器输出温度测量值蒸汽流量偏差阀门开度干扰9 对控制系统的基本要求基本要求：稳定性、快速性、准确性（稳、快、准） 、抗干扰（1）稳定性：稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间变化趋于零恒值系统：被控量恢复设定值随动系统：被控量跟踪到新的值（2）快速性：指过渡过程的形式和快满，称为动态性能（3）准确性：指过渡过程结束后稳态误差越小越好稳态误差：指
3、过渡过程结束后，希望的输出量与实际输出量之间的误差1.3.2 典型外作用几种典型输入：阶跃函数，斜坡函数，加速度函数脉冲函数，正弦函数拉普拉斯变换第 2 章 控制系统的数学模型2.1 控制系统的时域数学模型2.1.1 控制系统微分方程的建立2.1.2 线性系统的特性2.1.3 线性定常微分方程求解2.1.4 非线性微分方程的线性化2.2 控制系统的复数域数学模型2.2.1 传递函数的定义和性质2.2.2 传递函数的零点和极点2.2.3 典型环节的传递函数2.3 控制系统的结构图2.3.1 结构图的基本元素2.3.2 几个基本概念及术语2.3.3 结构图的绘制2.3.4 结构图的简化2.4 信号
4、流图与梅森增益公式2.4.1 信号流图的组成及性质2.4.2 信号流图的绘制2.4.3 梅森增益公式第 3 章 线性系统的时域分析法3.1 系统时间响应的性能指标3.1.1 动态过程与稳态过程3.1.2 动态性能与稳态性能3.2 一阶系统的时域分析3.2.1 一阶系统的数学模型3.2.2 单位阶跃响应3.2.3 单位脉冲响应3.2.4 单位斜坡响应3.2.5 单位加速度响应3.3 二阶系统的时域分析3.3.1 二阶系统的数学模型3.3.2 单位阶跃响应3.3.3 欠阻尼二阶系统动态过程分析3.3.4 过阻尼二阶系统动态过程分析3.3.5 单位斜坡响应3.3.6 二阶系统性能的改善3.5 线性系
5、统的稳定性分析3.5.1 稳定的基本概念3.5.2 线性系统稳定的充要条件3.5.3 劳斯赫尔维茨稳定判据3.6 线性系统的稳态误差3.6.1 误差与稳态误差3.6.2 系统类型3.6.3 阶跃输入作用下的稳态误差3.6.4 斜坡输入作用下的稳态误差3.6.5 加速度输入作用下的稳态误差3.6.6 扰动作用下的稳态误差3.6.7 减小或消除稳态误差的措施第 4 章 线性系统的根轨迹法4.1 根轨迹法的基本概念根轨迹：开环系统某一参数从零变化到无穷时，闭环系统特征方程的根在平面上变化的轨迹理解： 根轨迹是闭环特征根的轨迹 闭环特征根就是闭环系统的极点 闭环系统的极点决定了系统的稳定性等性质 有参
6、数变化，特征方程的根相当于某个参数的函数4.1.2 根轨迹方程根轨迹就是当 K*变化时，系统所有闭环极点的集合，也就是当 K*变化时，满足根轨迹方程的所有解的集合。 相角条件是绘制根轨迹的充分必要条件 要确定一个测试点是否在根轨迹上，只需要看其否满足相角条件 确定根轨迹上某一点的 K*值时，才使用模值条件4.2 根轨迹的绘制4.3 广义根轨迹4.3.1 参数根轨迹4.3.2 附加开环零点的作用：作用 1：改变稳定性；作用 2：改善动态性能4.3.3 零度根轨迹第 5 章 线性系统的频域分析法5.1 频率特性什么叫频率特性？一个稳定的线性系统，当输入正弦信号时，则输出信号是与输入同频率、但幅值和
7、相位（一般）不同的正弦信号。三种模型的关系频率特性曲线：1、幅相频率特性曲线奈奎斯特（Nyquist）曲线，或极坐标图2、对数频率特性曲线伯德（Bode）图3、对数幅相特性曲线尼柯尔斯（Nichols ）图5.2 典型环节的频率特性5.2.4 开环幅相曲线的绘制（1）确定在 =0+和处的点在低频段，即起点处 即幅相曲线终于坐标原点 ；终止角（2）确定与实轴的交点，即 Q()=01)()(11*niimjjpszK2,10,)12()()(11 kkpszsniimjj 1)()(11*niimjjpszK mjjniizsK11*|vjKjG)()(2)(,)( Av90)()(limmnj5
8、.2.5 开环对数频率特性曲线的绘制84NiiNi i LAL11 )()(lg20l)( NiiA1)()(Nii1)()(系 统 幅 频 特 性 是 各 环 节 幅 频 特 性 的 叠 加系 统 相 频 特 性 是 各 环 节 相 频 特 性 的 叠 加幅 频 特 性相 频 特 性绘制幅频特性曲线的步骤1）开环传函按典型环节分解2）确定各环节交接频率3）绘制低频段渐近线86在 低 频 段 vjKjG)()(低 频 段 曲 线 斜 率 为 -20v dB/dec确 定 低 频 渐 近 线 上 的 一 点min 1,.,1.0在 取 点 00 lg2lg2)( vKLa4） 做 min频 率
9、段 的 渐 近 线根据频率特性曲线确定系统传递函数，仅适用于最小相位系统5.3 频率域稳定判据14幅 角 原 理 ： 设 s平 面 闭 合 曲 线 包 围 F(s)的 Z个 零点 和 P个 极 点 ， 当 s沿 顺 时 针 运 动 一 周 时 ， 在 F(s)平 面 上 ， 对 应 的 闭 合 曲 线 F包 围 原 点 的 圈 数ZPR0R顺 时 针逆 时 针不 包 围 包 围 零 点 个 数 包 围 极 点 个 数 F包 围 原 点 圈 数1、Nyquist 稳定判据124奈 氏 判 据 ： 反 馈 控 制 系 统 稳 定 的 充 分 必 要 条 件 是 半闭 合 曲 线 GH不 穿 过 (
10、-1,j0)点 ， 且 逆 时 针 包 围 临 界 点(-1,j0)的 圈 数 R等 于 开 环 传 递 函 数 的 正 实 部 极 点 数 P由 幅 角 原 理 知P为 G(s)H(s)正 实 部 极 点 个 数 ， R 为 GH逆 时 针 包围 （ -1,j0） 的 圈 数 ZP闭 环 稳 定 ， 则 0ZF(s)的 零 点 即 是闭 环 极 点2NPRZ RP1412. 对 数 频 率 稳 定 判 据P为 开 环 正 实 部 极 点 数 ， 系 统 稳 定 的 充 分 必 要 条 件是 ： 0)(L02NPRZ且 穿 越 (2k+1) 的 次 数 N=N+-N-满 足)1()(kc型 次
11、 v0的 系 统 ， 需 要 在 相 频 起 始 段 向 上 补 做 90v的 虚 直 线 。 补 做 虚 直 线 的 穿 越 皆 为 负 穿 越5.4 稳定裕度153j05.4.1 相 角 裕 度幅 值 穿 越 频 率 ： 极 坐 标 曲 线 与 单 位 圆 相 交 所 对 应的 频 率 ， 亦 称 截 止 频 率 。ccccjGA1)()(相 角 稳 定 裕 度 )(180c)(c用 负 角 度 计 算 1c)(c155.4.2 幅 值 裕 度相 角 穿 越 频 率 ： 极 坐 标 曲 线 与 负 实 轴 交 点 所 对应 频 率 。x180)()(xxjG)(1xjh幅 值 稳 定 裕
12、度 j01hcx1575.4.3 Bode图 上 表 示 的 稳 定 裕 度相 角 稳 定 裕 度)(L)(00918c幅 值 穿 越 频 率 (截 止 频 率 ):c幅 频 曲 线 与 0分 贝 交 点 所对 应 频 率 )(180c系 统 稳 定 0158幅 值 稳 定 裕 度 (增 益 裕 度 )(L)(00918hc相 角 穿 越 频 率 :x相 频 曲 线 与 -180度 交 点 所对 应 频 率系 统 稳 定 lg20hx)(lg20lg20xxLjGh159由 Bode图 定 义 的 幅 值 稳 定 裕 度 0)(lg20xoejGh1)(xNyquistjh注 意 ： 由 Ny
13、quist曲 线 和 Bode定 义 的 幅 值 稳 定裕 度 的 大 小 不 一 样由 Nyquist曲 线 定 义 的 幅 值 稳 定 裕 度NyquistxBode hjlg2)(1l各种频域指标的意义 的定义和意义； 的定义brM,第 6 章 线性系统校正频域指标：相角裕度，幅值裕度，谐振峰值，闭环带宽，静态误差系数一般采用频率法校正校正方法：1）串联校正，2）反馈校正，3）复合校正96.1.2校 正 方 式1. 串 联 校 正校 正 装 置 Gc(s)串 联 在 系 统 的 前 向 通 道 中Gc(s) G(s)H(s)R(s) C(s)-)(sc是 校 正 装 置 的 传 递 函 数
