機(jī)械工程控制基礎(chǔ)復(fù)習(xí)課件-嚴(yán)清華

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 復(fù)習(xí)課件復(fù)習(xí)課件 武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第一章第一章 緒論緒論 反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)方向相反（作用相反），反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)方向相反（作用相反），稱稱負(fù)反饋負(fù)反饋。 反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)方向相同（作用相同），反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)方向相同（作用相同），稱稱正反饋正反饋。一、反饋一、反饋 ：將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地、直接或間接地返回輸入端將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地、直接或間接地返回輸入端 輸入輸入x xi i輸出輸出x xo oG G 1 1、正反饋與負(fù)反饋：、正反饋與負(fù)反饋：第一章第一章 緒論緒論 二、控制系統(tǒng)的分類二、控制系統(tǒng)的分類按有無反饋來分按有無反

2、饋來分 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)：輸入和輸出之間無反饋，：輸入和輸出之間無反饋，輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用無影響。輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用無影響?？刂破骺刂破鬏斎胼斎胼敵鲚敵隹刂茖?duì)象控制對(duì)象2 2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)：輸入、輸出之間有反饋，輸出對(duì)：輸入、輸出之間有反饋，輸出對(duì)控制作用有影響，反饋的作用就是減小偏差。控制作用有影響，反饋的作用就是減小偏差?？刂破骺刂破鬏斎胼斎胼敵鲚敵隹刂茖?duì)象控制對(duì)象第一章第一章 緒論緒論 三、控制系統(tǒng)的基本要求三、控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)

3、當(dāng)輸出量偏穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件先決條件。 1 1. .穩(wěn)定性穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。2.2.準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性第一章第一章 緒論緒論 前提是前提是系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定。快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定?？焖傩允侵府?dāng)

4、系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度即度即過渡過程。一般希望這種過渡過程進(jìn)行得越快過渡過程。一般希望這種過渡過程進(jìn)行得越快越好，但如果要求過渡過程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)越好，但如果要求過渡過程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)誤差誤差(偏差偏差)過大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的過大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。要求。3.3.快速性快速性控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量?？刂凭龋苑€(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差定狀態(tài)時(shí)，系

5、統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。值。 定義：定義：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在在零初始條件零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比。換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比。 一、傳遞函數(shù)定義一、傳遞函數(shù)定義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) G(S) 為：為：0110110)()()(asasassbsbsXsXsGnnnnmmmmi+ + + + + + += = =- - - - -LLLL（nm） 2）列出系統(tǒng)原始微分方程組（非線性方程需線性化）列出系統(tǒng)原始微分方程組（非線性方程需線性化） 3）假設(shè)全部初始條件均為零，對(duì)

6、微分方程）假設(shè)全部初始條件均為零，對(duì)微分方程4）求輸出量和輸入量的拉氏變換之比）求輸出量和輸入量的拉氏變換之比傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)進(jìn)行拉氏變換進(jìn)行拉氏變換二、求傳遞函數(shù)的步驟：二、求傳遞函數(shù)的步驟：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1）確定輸入、輸出）確定輸入、輸出列寫微分方程的一般步驟列寫微分方程的一般步驟(1)(1)確定系統(tǒng)或各元件的輸入、輸出變量確定系統(tǒng)或各元件的輸入、輸出變量。系統(tǒng)的給定輸入量或。系統(tǒng)的給定輸入量或擾動(dòng)輸入量都是系統(tǒng)的輸入量，而被控制量則是輸出量；擾動(dòng)輸入量都是系統(tǒng)的輸入量，而被控制量則是輸出量；(2) (2) 從系統(tǒng)的輸入端開始，按照信號(hào)的傳遞順序，根據(jù)各變量從系統(tǒng)的輸入端

7、開始，按照信號(hào)的傳遞順序，根據(jù)各變量所遵循的物理定理，所遵循的物理定理，依次列寫出各元件、部件的動(dòng)態(tài)微分方依次列寫出各元件、部件的動(dòng)態(tài)微分方程程；(3)(3)消除中間變量消除中間變量，寫出只含有輸入、輸出變量的微分方程；，寫出只含有輸入、輸出變量的微分方程；(4)(4)標(biāo)準(zhǔn)化。右端輸入，左端輸出，各階導(dǎo)數(shù)降冪排列標(biāo)準(zhǔn)化。右端輸入，左端輸出，各階導(dǎo)數(shù)降冪排列. .第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 機(jī)械系統(tǒng)微分方程的列寫機(jī)械系統(tǒng)微分方程的列寫 機(jī)械系統(tǒng)中部件的運(yùn)動(dòng)有機(jī)械系統(tǒng)中部件的運(yùn)動(dòng)有直線直線和和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)兩種。機(jī)械系統(tǒng)中以各種形式出現(xiàn)的物兩種。機(jī)械系統(tǒng)中以各種形式出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，都可簡(jiǎn)化為理現(xiàn)象，

8、都可簡(jiǎn)化為質(zhì)量、彈簧質(zhì)量、彈簧和和阻尼阻尼三個(gè)要素。列寫其微分方程通常用三個(gè)要素。列寫其微分方程通常用達(dá)朗達(dá)朗貝爾貝爾原理。即：作用于每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的原理。即：作用于每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的合力，同質(zhì)點(diǎn)慣性力形成平衡力系。合力，同質(zhì)點(diǎn)慣性力形成平衡力系。 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1. 質(zhì)量質(zhì)量mfm(t)參考點(diǎn)x (t)v (t)()()(22txdtdmtvdtdmtfm=2. 彈簧彈簧KfK(t)fK(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)-=-=-=ttKdttvKdttvtvKtKxtxtxKtf)()()()()()()(2121第二章第二章 傳遞函

9、數(shù)傳遞函數(shù) 3. 阻尼阻尼CfC(t)fC(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)dttdxCdttdxdttdxCtCvtvtvCtfC)()()()()()()(2121=-=-=電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)微分方程的列寫電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)微分方程的列寫 電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析主要根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析主要根據(jù)基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律和和電壓定律電壓定律寫出微分方程式，進(jìn)而建立系統(tǒng)的數(shù)寫出微分方程式，進(jìn)而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。學(xué)模型。1 1）基爾霍夫電流定律：匯聚到某節(jié)點(diǎn)的所有電）基爾霍夫電流定律：匯聚到某節(jié)點(diǎn)的所有電流之代數(shù)和應(yīng)等于流之代數(shù)和應(yīng)等于0 0（即流出節(jié)點(diǎn)的電流之和等（即流出節(jié)點(diǎn)的電流之和等于所有流進(jìn)節(jié)

10、點(diǎn)的電流之和）。于所有流進(jìn)節(jié)點(diǎn)的電流之和）。2 2）基爾霍夫電壓定律）基爾霍夫電壓定律電網(wǎng)絡(luò)的閉合回路中電勢(shì)的代數(shù)和等于沿回路電網(wǎng)絡(luò)的閉合回路中電勢(shì)的代數(shù)和等于沿回路的電壓降的代數(shù)和。的電壓降的代數(shù)和。第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 電氣系統(tǒng)1. 電阻電阻電氣系統(tǒng)三個(gè)基本元件：電阻、電容和電感。Ri(t)u(t)()(tRitu=2.電容電容=dttiCtu)(1)(Ci(t)u(t)第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 3.電感電感dttdiLtu)()(=Li(t)u(t)1.1.線線 性性 性性 質(zhì)質(zhì)若有常數(shù)若有常數(shù)k k1 1，k k2 2, ,函數(shù)函數(shù)f f

11、1 1(t),f(t),f2 2(t),(t),且且f f1 1(t),f(t),f2 2(t)(t)的拉氏變換為的拉氏變換為F F1 1(s),F(s),F2 2(s),(s),則有則有)()()()(22112211sFksFktfktfkL+=+拉氏變換的性質(zhì)拉氏變換的性質(zhì) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 顯然，拉氏變換為線性變換。顯然，拉氏變換為線性變換。4.4.微分定理微分定理設(shè)設(shè)f(t)f(t)的拉氏變換為的拉氏變換為F(s),F(s),則：則：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) =)()()()()()(222sFsdttfdLsFsdttfdLssFdttdfLnnnLL當(dāng)當(dāng)f(t

12、)及其各階導(dǎo)數(shù)在及其各階導(dǎo)數(shù)在t=0時(shí)刻的值均為零時(shí)（時(shí)刻的值均為零時(shí)（零零初始條件初始條件）：）：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 5.5.積分定理積分定理設(shè)設(shè)f(t)f(t)的拉氏變換為的拉氏變換為F(s),F(s),則則: :0)()0(,)0()()()1()1(=+=-tdttffsfssFdttfL)(1)(sFsdttfL=當(dāng)當(dāng)初始條件為零初始條件為零時(shí)時(shí)：)0(1)0(1)(1)()()1(nnnnfsfssFsdttfL-+=LL同樣：同樣：)(1)(sFsdttfLnn=L當(dāng)當(dāng)初始條件為零初始條件為零時(shí)：時(shí)：質(zhì)量質(zhì)量彈簧彈簧阻尼系統(tǒng)阻尼系統(tǒng)m my y( (t t) )f f

13、( (t t) )c ck k圖圖2-52-5令初始條件均為零，令初始條件均為零，方程兩邊取拉氏變換方程兩邊取拉氏變換( () )()(2sFsYkcsms= =+ + +kcsmssFsYsG+ + += = =21)()()( 例例1:)()()()(tftk ytyctym= =+ + +.第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) L、C、R 組成的電路如圖，列出以組成的電路如圖，列出以u(píng)1為為R RC Cu u2 2(t)(t)i(t)i(t)L Lu u1 1(t)(t)輸入、輸入、u2為輸出的運(yùn)動(dòng)方程為輸出的運(yùn)動(dòng)方程 例例2：解：由解：由 KVLKVL 有：有

14、：= =+ + += =dtduCiudtdiLRu= = dtiCu12221,消去中間變量消去中間變量i ：222221udtudCLdtduCRU+ + += =寫成微分方程標(biāo)準(zhǔn)形式：寫成微分方程標(biāo)準(zhǔn)形式：( () )()(1122sUsURCsLCs= =+ + +11)()()(212+ + += = =RCsLCssUsUsG第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1傳遞函數(shù)和微分方程是一一對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)和微分方程是一一對(duì)應(yīng)的 微分方程：在時(shí)域內(nèi)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系（特性）微分方程：在時(shí)域內(nèi)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系（特性） 傳遞函數(shù)：在復(fù)頻域內(nèi)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系（特性）傳遞函數(shù)：在復(fù)頻域內(nèi)描述系統(tǒng)

15、的動(dòng)態(tài)關(guān)系（特性）三、傳遞函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)三、傳遞函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)是傳遞函數(shù)是 s s 的復(fù)變函數(shù)。傳遞函數(shù)中的各項(xiàng)系數(shù)的復(fù)變函數(shù)。傳遞函數(shù)中的各項(xiàng)系數(shù)和相應(yīng)微分方程中的各項(xiàng)系數(shù)對(duì)應(yīng)相等，完全取決于和相應(yīng)微分方程中的各項(xiàng)系數(shù)對(duì)應(yīng)相等，完全取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)； 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2 2、傳遞函數(shù)是一種以系統(tǒng)參數(shù)表示的線性定常、傳遞函數(shù)是一種以系統(tǒng)參數(shù)表示的線性定常系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系式；傳遞函數(shù)系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系式；傳遞函數(shù)的概念通常只適用于的概念通常只適用于線性定常系統(tǒng)線性定常

16、系統(tǒng)； 3 3、傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，即在零、傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，即在零時(shí)刻之前，系統(tǒng)對(duì)所給定的平衡工作點(diǎn)處于相時(shí)刻之前，系統(tǒng)對(duì)所給定的平衡工作點(diǎn)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。因此，傳遞函數(shù)原則上對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。因此，傳遞函數(shù)原則上不能反映不能反映系統(tǒng)在非零初始條件下的全部運(yùn)動(dòng)規(guī)律系統(tǒng)在非零初始條件下的全部運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 4 4、傳遞函數(shù)只能表示系統(tǒng)、輸入與輸出的關(guān)系，、傳遞函數(shù)只能表示系統(tǒng)、輸入與輸出的關(guān)系，無法描述系統(tǒng)內(nèi)部中間變量的變化情況。無法描述系統(tǒng)內(nèi)部中間變量的變化情況。 5 5、一個(gè)傳遞函數(shù)只能表示一個(gè)輸入對(duì)一個(gè)輸出

17、的、一個(gè)傳遞函數(shù)只能表示一個(gè)輸入對(duì)一個(gè)輸出的關(guān)系，只適合于關(guān)系，只適合于單輸入單輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)的描述。的描述。 統(tǒng)與外界聯(lián)系，當(dāng)輸入位置發(fā)生改變時(shí)，分子會(huì)改變。統(tǒng)與外界聯(lián)系，當(dāng)輸入位置發(fā)生改變時(shí)，分子會(huì)改變。 6、傳遞函數(shù)的分母只取決于系統(tǒng)本身的固有特性，與、傳遞函數(shù)的分母只取決于系統(tǒng)本身的固有特性，與外界無關(guān)，因此分母反映系統(tǒng)固有特性，其分子反映系外界無關(guān)，因此分母反映系統(tǒng)固有特性，其分子反映系第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 四、傳遞函數(shù)的特征方程、零點(diǎn)和極點(diǎn)四、傳遞函數(shù)的特征方程、零點(diǎn)和極點(diǎn)第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) mmmmbsbsbsbsM+=-1110)(Lnnnnas

18、asasasN+=-1110)(L令：)()()()()(sNsMsXsXsGio=則：N(s)=0稱為系統(tǒng)的稱為系統(tǒng)的特征方程特征方程，其根稱為系統(tǒng)的，其根稱為系統(tǒng)的特征根特征根。特征方程決定著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。特征方程決定著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。N(s)中中s的最高階次的最高階次等于系統(tǒng)的階次。等于系統(tǒng)的階次。1. 特征方程特征方程當(dāng)當(dāng)s=0時(shí)：時(shí)： G(0)=bm/an=KK稱為系統(tǒng)的稱為系統(tǒng)的放大系數(shù)放大系數(shù)或或增益增益。第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2.2.零點(diǎn)和極點(diǎn)零點(diǎn)和極點(diǎn) )()()()()()()(210210nmiopspspsazszszsbsX

19、sXsG-=LL將將G(s)寫成下面的形式：寫成下面的形式： N(s)=a0(s-p1)(s-p2)(s-pn)=0的根的根s=pj (j=1, 2, , n)，稱為傳遞函數(shù)的，稱為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)極點(diǎn)；決定系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線的收斂性決定系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線的收斂性，即穩(wěn)定性，即穩(wěn)定性式中式中: M(s)=b0(s-z1)(s-z2)(s-zm)=0的根的根s=zi (i=1, 2, , m)，稱為傳遞函數(shù)的，稱為傳遞函數(shù)的零點(diǎn)零點(diǎn)；影響瞬態(tài)響應(yīng)曲線的形狀影響瞬態(tài)響應(yīng)曲線的形狀，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1 1比例環(huán)節(jié)（放大環(huán)節(jié)）比例環(huán)節(jié)（放大環(huán)節(jié)）KsXsXs

20、Gi= = =)()()(0傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： ，K：放大系數(shù)（增益）：放大系數(shù)（增益） 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 五、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)五、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 1)()()(0+ += = =Ts1sXsXsGiK：增益；：增益；T：時(shí)間常數(shù)：時(shí)間常數(shù) 2一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：G(s)=s 3微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 5積分環(huán)節(jié)：積分環(huán)節(jié)：ssG1)(= =傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 4一階微分環(huán)節(jié)：一階微分環(huán)節(jié)：sG)(= =傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 1+ +Ts121)(22+ + += =

21、TssTsGx x2222nnnssw wxwxww w+ + += =T：振蕩環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：振蕩環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) n：無阻尼固有頻率：無阻尼固有頻率 ：阻尼比：阻尼比 0 x1 6振蕩環(huán)節(jié)：振蕩環(huán)節(jié)：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 7. 7. 二階微分環(huán)節(jié)：二階微分環(huán)節(jié)： 式中，式中， 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) x x阻尼比，對(duì)于二階微分環(huán)節(jié)，阻尼比，對(duì)于二階微分環(huán)節(jié)，0 x x1()12)(22+=sssGx傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：SiesXsXsG - -= = =)()()(08 8延時(shí)環(huán)節(jié)：延時(shí)環(huán)節(jié)：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)

22、方框圖的結(jié)構(gòu)要素方框圖的結(jié)構(gòu)要素 1.1.信號(hào)線信號(hào)線 帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的傳遞方向，直線旁標(biāo)記信號(hào)的的傳遞方向，直線旁標(biāo)記信號(hào)的時(shí)間函數(shù)或象函數(shù)。時(shí)間函數(shù)或象函數(shù)。X X( (s s), ), x x( (t t) )信號(hào)線信號(hào)線2.2.信號(hào)引出點(diǎn)（線）信號(hào)引出點(diǎn)（線） 表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置和傳遞方向。表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置和傳遞方向。 同一信號(hào)線上引出的信號(hào)，其性質(zhì)、大小完全一樣。同一信號(hào)線上引出的信號(hào)，其性質(zhì)、大小完全一樣。 引出線引出線X X( (s s) )X X( (s s) )X X( (s s) )X X( (s s) )X X( (

23、s s) )X X( (s s) )第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 3.3.函數(shù)方框函數(shù)方框( (環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)) ) G(s)X1(s)X2(s)函數(shù)方框函數(shù)方框具有運(yùn)算功能，即：函數(shù)方框具有運(yùn)算功能，即： X2(s)=G(s)X1(s) 傳遞函數(shù)的圖解表示。傳遞函數(shù)的圖解表示。4.4.求和點(diǎn)（比較點(diǎn)、綜合點(diǎn)）求和點(diǎn)（比較點(diǎn)、綜合點(diǎn)）信號(hào)之間代數(shù)加減運(yùn)算的圖解。用符號(hào)信號(hào)之間代數(shù)加減運(yùn)算的圖解。用符號(hào)“ ”及相應(yīng)的信號(hào)箭頭表示，每個(gè)箭頭及相應(yīng)的信號(hào)箭頭表示，每個(gè)箭頭前方的前方的“+”+”或或“-”-”表示加上此信號(hào)或減去此信表示加上此信號(hào)或減去此信號(hào)。號(hào)。 第二章第

24、二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 性質(zhì)性質(zhì)1 1：相鄰求和點(diǎn)可以互換、相鄰求和點(diǎn)可以互換、合并、分解，即滿足代數(shù)運(yùn)算合并、分解，即滿足代數(shù)運(yùn)算的交換律、結(jié)合律和分配律。的交換律、結(jié)合律和分配律。 X X1 1( (s s) )X X2 2( (s s) )X X1 1( (s s) ) X X2 2( (s s) ) A AB BA A- -B BC CA A- -B+CB+C A+CA+C- -B BB BC CA AA+CA+C A AB BA A- -B+CB+CC CA A- -B+CB+C性質(zhì)性質(zhì)2 2：求和點(diǎn)可以有多個(gè)輸入，但輸出是唯一的。求和點(diǎn)可以有多個(gè)輸入

25、，但輸出是唯一的。 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) R1Cs1 求和點(diǎn)求和點(diǎn)函數(shù)方框函數(shù)方框函數(shù)方框函數(shù)方框引出線引出線U Ui i( (s s) )U U( (s s) )I I( (s s) )U Uo o( (s s) )方框圖示例方框圖示例任何系統(tǒng)都可以由信號(hào)線、函數(shù)方框、信號(hào)任何系統(tǒng)都可以由信號(hào)線、函數(shù)方框、信號(hào)引出點(diǎn)及求和點(diǎn)組成的方框圖來表示。引出點(diǎn)及求和點(diǎn)組成的方框圖來表示。 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 三、傳遞函數(shù)方塊圖變換三、傳遞函數(shù)方塊圖變換 通過方塊圖的變換，可使方塊圖簡(jiǎn)化，通過方塊圖的變換，可使方塊圖簡(jiǎn)化，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。得系統(tǒng)的傳

26、遞函數(shù)。1 1、等效變換規(guī)則：輸入輸出不變，總傳遞函數(shù)不變。、等效變換規(guī)則：輸入輸出不變，總傳遞函數(shù)不變。 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) R1Cs1 U Ui i( (s s) )U U( (s s) )I I( (s s) )U Uo o( (s s) )第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2 2）并聯(lián)規(guī)則：）并聯(lián)規(guī)則：X Xi i(s)(s)G G1 1G G2 2X X0 0( (s s) )X Xi i( (s s) )G G1 1G G2 2X X0 0( (s s) )1 1）串聯(lián)規(guī)則）串聯(lián)規(guī)則： X Xi i( (s s) )G G1 1G G2 2

27、X X0 0( (s s) )X Xi i( (s s) )G G1 1G G2 2X X0 0( (s s) )+ +3 3）反饋規(guī)則）反饋規(guī)則：X Xi i( (s s)+)+G GX X0 0( (s s) )X Xi i( (s s) )G GX X0 0( (s s) )H H+ +1 1GHGH第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 分支點(diǎn)前移：分支點(diǎn)前移：規(guī)則：分支路上串入相同的傳遞函數(shù)方塊規(guī)則：分支路上串入相同的傳遞函數(shù)方塊X XG GX X G GX X G GX XG GG GX GX GX GX G分支點(diǎn)后移：分支點(diǎn)后移：規(guī)則：分支路上串入相同傳遞函數(shù)的倒數(shù)的方塊規(guī)則：分支路上串

28、入相同傳遞函數(shù)的倒數(shù)的方塊X XG GX X G GX XX XG GX GX G1 1G GX X4 4）分支點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則）分支點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 相加點(diǎn)前移相加點(diǎn)前移 G GX X2 2X X1 1G GXX2 2+ +- -X X1 1+ +G GX X1 1G GXX2 21 1G GX X2 2-5)5)求和點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則求和點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 相加點(diǎn)后移相加點(diǎn)后移 G GX X1 1X X2 2（X X1 1XX2 2）G G+ +- -X X1 1G GX X2 2G G（X X1 1XX2 2）G G+ +- -第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函

29、數(shù) A A+ + +A+B-CA+B-CB B+ +C C- -A A+ + +A+B-CA+B-CC C+ +B B- -相加點(diǎn)分離規(guī)則相加點(diǎn)分離規(guī)則B B+ +C C- -A+B-CA+B-CA A+ +B B+ +A A+ +A+B-CA+B-C- -C C相加點(diǎn)交換規(guī)則相加點(diǎn)交換規(guī)則第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1 1）求和點(diǎn)后移，分支點(diǎn)前移，加傳遞函數(shù)本身）求和點(diǎn)后移，分支點(diǎn)前移，加傳遞函數(shù)本身 2 2）求和點(diǎn)和求和點(diǎn)之間、分支點(diǎn)和分支點(diǎn)之間可作）求和點(diǎn)和求和點(diǎn)之間、分支點(diǎn)和分支點(diǎn)之間可作任何移動(dòng)任何移動(dòng)3 3）求和點(diǎn)

30、和分支點(diǎn)之間不作任何移動(dòng)）求和點(diǎn)和分支點(diǎn)之間不作任何移動(dòng)小結(jié)：小結(jié)： 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 1）明確系統(tǒng)的輸入和輸出明確系統(tǒng)的輸入和輸出。對(duì)于多輸入多輸出系。對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)，針對(duì)每個(gè)輸入及其引起的輸出分別進(jìn)行化簡(jiǎn)；統(tǒng)，針對(duì)每個(gè)輸入及其引起的輸出分別進(jìn)行化簡(jiǎn)；2）若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖內(nèi)若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖內(nèi)無交叉回路無交叉回路，則根據(jù)，則根據(jù)環(huán)節(jié)串聯(lián)，并聯(lián)和反饋連接的等效環(huán)節(jié)串聯(lián)，并聯(lián)和反饋連接的等效從里到外從里到外進(jìn)行進(jìn)行簡(jiǎn)化；簡(jiǎn)化；3）若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖內(nèi)若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖內(nèi)有交叉回路有交叉回路，則根據(jù)，則根據(jù)相加點(diǎn)、分支點(diǎn)等移動(dòng)規(guī)則相加點(diǎn)、分支點(diǎn)等移動(dòng)規(guī)則消除交叉回路消

31、除交叉回路，然后，然后按第按第2 2）步進(jìn)行化簡(jiǎn)；）步進(jìn)行化簡(jiǎn)；2 2、方塊圖的簡(jiǎn)化及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取、方塊圖的簡(jiǎn)化及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 0 0i i+ +A A+ +B BG G1 1+ +H H2 2H H1 1G G2 2G G3 3D D- - -+ +C C解：解：1）相加點(diǎn)）相加點(diǎn)C前移（再相加點(diǎn)交換）前移（再相加點(diǎn)交換）i i+ +A A+ +B BG G1 1H H1 1G G2 2G G3 3D D- -0 0+ +1 1G G1 1H H2 2- -+ +例例1 1 ：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二

32、章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化 3）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化 i i+ +A A- -0 01 1G G1 1H H2 2- -C C+ +G G1 1G G2 2GG3 31-G1-G1 1G G2 2H H1 1i i+ +(E)(E)0 0- -G G1 1G G2 2G G3 31G1G1 1G G2 2H H1 1+G+G2 2G G3 3H H2 2第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 4）總傳遞函數(shù)）總傳遞函數(shù) i i0 0G G1 1G G2 2G G3 31G1G1 1G G2 2H H1 1+G+G2 2G G3 3H H2 2+G+G1

33、1G G2 2G G3 31）分支點(diǎn)）分支點(diǎn)E前移前移i i+ +A A+ +G G1 1+ +H H2 2G G3 3H H1 1G G2 2G G3 3D D- -0 0- -+ +C C（E E）解解2：第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化 i i+ + +G G1 1H H1 1G G3 30 0- -+ +1+G1+G2 2G G3 3H H2 2G G2 23）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化）內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化 i i+ +G G3 30 0- -G G1 1G G2 21+G1+G2 2G G3 3H H2 2GG1 1G G2 2H H1 1第二章第二章 傳遞

34、函數(shù)傳遞函數(shù) 4）總傳遞函數(shù)）總傳遞函數(shù) i i0 0G G1 1G G2 2G G3 31+G1+G2 2G G3 3H H2 2GG1 1G G2 2H H1 1+G+G1 1G G2 2G G3 33、梅遜公式的介紹、梅遜公式的介紹=kkkBGG1BG式中：式中： 方框圖的特征式，且方框圖的特征式，且kG第第k k條條前向通道前向通道的傳遞函數(shù)；的傳遞函數(shù)；系統(tǒng)系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)；傳遞函數(shù)；aaL所有所有不同回路不同回路的的開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)之和之和cbcbLL,每?jī)蓚€(gè)每?jī)蓚€(gè)互不接觸回路互不接觸回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的開環(huán)傳遞函數(shù) 乘積之和乘積之和fedfedLLL,每三個(gè)每三個(gè)互不

35、接觸回路互不接觸回路的開環(huán)傳遞函的開環(huán)傳遞函 數(shù)乘積之和數(shù)乘積之和各局部反饋：各局部反饋：正反饋正反饋取取+ ; 負(fù)反饋負(fù)反饋取取-.1,+-+-=fedfedcbcbaaLLLLLLk第第k條前向通道特征式的余因子，即對(duì)于條前向通道特征式的余因子，即對(duì)于將與第將與第k條前向通道相接觸的回路傳遞函數(shù)代以條前向通道相接觸的回路傳遞函數(shù)代以零值，余下的零值，余下的 即為即為 k4、梅遜公式的應(yīng)用、梅遜公式的應(yīng)用0 0i i+ +A A+ +B BG G1 1+ +H H2 2H H1 1G G2 2G G3 3D D- - -+ +C C例例1 1 ：3212321213211)(GGGHGGHG

36、GGGGSGB+ + +- -= =123kGGG G=1212321231( 1)( 1)( 1)GG HG G HGG G = - + -+ -1k =一、一、 典型輸入信號(hào)典型輸入信號(hào)1 1、系統(tǒng)的響應(yīng)過程、系統(tǒng)的響應(yīng)過程瞬態(tài)響應(yīng)：瞬態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)系統(tǒng)在某一輸入信號(hào)作用下在某一輸入信號(hào)作用下，其輸出量從初始狀，其輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)過程。瞬態(tài)響應(yīng)也稱為過渡過程。態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)過程。瞬態(tài)響應(yīng)也稱為過渡過程。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：當(dāng)當(dāng)某一信號(hào)輸入某一信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)在時(shí)間趨于無窮大時(shí)的時(shí)，系統(tǒng)在時(shí)間趨于無窮大時(shí)的輸出狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)也稱為靜態(tài)。輸出狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)也稱為靜態(tài)。 第三章第三章

37、時(shí)域分析法時(shí)域分析法 第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 2 2、常用的典型輸入信號(hào)、常用的典型輸入信號(hào)sinsinw wt t 正弦信號(hào)正弦信號(hào) 復(fù)數(shù)域表達(dá)式復(fù)數(shù)域表達(dá)式 時(shí)域表達(dá)式時(shí)域表達(dá)式 名名 稱稱 22ww+s1 1 ( (t t) )，t t=0 =0 單位脈沖信號(hào)單位脈沖信號(hào) 單位加速度信號(hào)單位加速度信號(hào) t t， t t 0 0 單位速度信號(hào)單位速度信號(hào) 1(1(t t) )，t t 0 0 單位階躍信號(hào)單位階躍信號(hào) s121s31s0,212tt部分分式展開法部分分式展開法 對(duì)于象函數(shù)對(duì)于象函數(shù)F(s),F(s),?？蓪懗扇缦滦问剑撼？蓪懗扇缦滦问剑?mm 1mm 10nn

38、1nn 1012m12nb sbsbB(s)F(s)A(s)a sasak(sz )(sz )(sz )(sp )(sp )(sp )-+=+-=-LLLL式中式中:p:p1,p,p2 2,p,pn n稱為稱為F(s)F(s)的極點(diǎn)，的極點(diǎn)，z z1 1,z,z2 2,z,zm稱為稱為F(s)F(s)的零點(diǎn)的零點(diǎn)第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) F(s)F(s)總能展開成下面的部分分式之和總能展開成下面的部分分式之和 : :1 1、F(s)F(s)無重極點(diǎn)的情況無重極點(diǎn)的情況第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) =-=-+-+-=niiinnpsApsApsApsAsAsBsF12211)()()(L

39、式中，式中，Ai為常數(shù)，稱為為常數(shù)，稱為s = pi極點(diǎn)處的留數(shù)。極點(diǎn)處的留數(shù)。ipsiipssFA=-=)()( 例例1 1第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 例例：求)6(2)(22-+-=ssssssF的原函數(shù)。解解：23)2)(3(2)6(2)(321222+-+=+-+-=-+-=sAsAsAsssssssssssF31)2)(3(2)(0201-=+-+-=ssssssssFA158)2(2)() 3(3232=+-=-=sssssssFsA第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 54) 3(2)()2(2223=-+-=+=-=-=sssssssFsA215431158131)(+-+-=s

40、sssF即：)0(5415831)()(231+-=-teesFLtftt第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 2、 F(s)含有重極點(diǎn)含有重極點(diǎn) 設(shè)設(shè)F(s)存在存在r重極點(diǎn)重極點(diǎn)p0，其余極點(diǎn)均不同，則：，其余極點(diǎn)均不同，則： )()()()()()(101110nrrmmmmpspspsbsbsbsbsAsBsF-+=+-LL式中，式中，Ar+1，An利用前面的方法求解利用前面的方法求解。)()()()()(11001002001nnrrrrrpsApsApsApsApsA-+-+-+-+-=+-LL第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 0)(001pspssFAr=-=0)(002pspssFds

41、dAr=-=0)(! 2102203pspssFdsdAr=-=0)()!1(10110pspssFdsdrArrrr=-=-第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) atnnentasL-=+)!1()(111注意到：)0( )!2()!1()()(10102021011+-+-=+-teAeAeAtrAtrAsFLtftpntprtprrrnrLL所以：解解 例例2 2求求 的拉氏反變換的拉氏反變換 23s2s3F(s)(s1)+=+2131112332as2s3aaF(s)(s1)(s1)(s1)(s1)+=+2311s132312s1322313s123s2s3a(s1)2(s1)d s2s3a

42、(s1) 0ds(s1)1 ds2s3a(s1) 12!ds(s1)=-=-=-+=+=+=+=+=+=+12tt2t321f(t)L t ee(t1)e(s1)s1-=+=+=+第二章第二章 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 拉氏反變換，得拉氏反變換，得單位階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)為：為：?jiǎn)挝浑A躍輸入的象函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍輸入的象函數(shù)：則系統(tǒng)輸出量的拉氏變換為：則系統(tǒng)輸出量的拉氏變換為： 第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 二、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) ssXi1)(=TsssTssXsGsXio111111)()()(+-=+=0,1)(-=-tetxTto)(txo1. 1. 的的表達(dá)式表達(dá)

43、式第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 三、一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng) 拉氏反變換，得拉氏反變換，得單位速度響應(yīng)單位速度響應(yīng)為：為：?jiǎn)挝凰俣容斎氲南蠛瘮?shù)：?jiǎn)挝凰俣容斎氲南蠛瘮?shù)：則系統(tǒng)響應(yīng)的拉氏變換為：則系統(tǒng)響應(yīng)的拉氏變換為： )(txo1. 1. 的的表達(dá)式表達(dá)式21)(ssXi=TsTsTssTssXsGsXio11111)()()(22+-=+=0,)(+-=-tTeTttxTto第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 四、一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 拉氏反變換，得拉氏反變換，得單位脈沖響應(yīng)單位脈沖響應(yīng)為：為：?jiǎn)挝幻}沖輸入的象函數(shù)：?jiǎn)挝幻}沖輸入的象函數(shù)：則系統(tǒng)

44、響應(yīng)的拉氏變換為：則系統(tǒng)響應(yīng)的拉氏變換為： )(txo1. 1. 的的表達(dá)式表達(dá)式1)(=sXiTsTsGsXo111)()(+=0,1)(=-teTtxTto1、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型用微分方程描述：用微分方程描述： 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： )()()(2)(0002txtxtxTtxTi= =+ + +& & & & &x x121)(22+ + += =TssTsGx x1 1= =阻尼比阻尼比無阻尼固有頻率無阻尼固有頻率: : :x xT Tw w n二階系統(tǒng)的特征參數(shù)二階系統(tǒng)的特征參數(shù) 四、四、 二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)第

45、三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 221+ + += = =wnssTnx xw w令令2wn2wn二階系統(tǒng)的特征方程：二階系統(tǒng)的特征方程： 0222= =+ + +nnsSw wxwxw122, 1- - -= =x xw wxwxwnns特征根：特征根： （極點(diǎn)）（極點(diǎn)） 極點(diǎn)極點(diǎn)s1、s2在復(fù)平面（在復(fù)平面（s平面）上分布不同，系統(tǒng)的平面）上分布不同，系統(tǒng)的時(shí)城特性不同，根據(jù)阻尼比時(shí)城特性不同，根據(jù)阻尼比的不同，分五種情況：的不同，分五種情況： 1. 0 1 過阻尼系統(tǒng)過阻尼系統(tǒng) s s1 10 0j j s s2 2 圖圖3-73-7s s1 1( (s s2 2) )n n0 0j

46、j 圖圖3-83-8s s2 20 0j j s s1 1圖圖3-93-9njsw w2, 1 nsw w- -= =2,1122, 1- - -= =x xw wxwxwnns第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 5. 0 (i = 0, 1, 2, , n)注意注意：該條件僅為系統(tǒng)穩(wěn)定的：該條件僅為系統(tǒng)穩(wěn)定的必要必要條件。條件。第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件勞斯穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù) 其中，其中，a ai i0 (0 (i i=0,1,2,=0,1,2, ,n n) )，即滿足系統(tǒng)穩(wěn)，即滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。定的必要條件。 0)(1110=+=-nn

47、nnasasasasDL考慮系統(tǒng)的特征方程：考慮系統(tǒng)的特征方程：勞斯穩(wěn)定判據(jù)的判別過程如下：勞斯穩(wěn)定判據(jù)的判別過程如下： 第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 列出勞斯陣列列出勞斯陣列 ：130211aaaaab-=150412aaaaab-=170613aaaaab-=sna0 a2 a4 a6 sn-1a1 a3 a5 a7 sn-2b1b2b3b4 sn-3c1c2c3c4 sn-4d1d2d3d4 s2e1e2s1f1s0g1第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 121311bbaabc-=131512bbaabc-=141713bbaabc-=121211ccbbcd-=131312cc

48、bbcd-=141413ccbbcd-=第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 在上述計(jì)算過程中，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，可在上述計(jì)算過程中，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以以用一個(gè)正整數(shù)去除或乘某一整行用一個(gè)正整數(shù)去除或乘某一整行，這時(shí)并，這時(shí)并不改變系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)論。不改變系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)論。 q 用勞斯判據(jù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性用勞斯判據(jù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性考察勞斯陣列表中第一列各數(shù)的符號(hào)，如果考察勞斯陣列表中第一列各數(shù)的符號(hào)，如果第一列中各數(shù)第一列中各數(shù)a a0 0、a a1 1、b b1 1、c c1 1、的符號(hào)的符號(hào)相同，則表示系統(tǒng)具有正實(shí)部特征根的個(gè)數(shù)相同，則表示系統(tǒng)具有正實(shí)部特征根的個(gè)數(shù)等于零，系統(tǒng)穩(wěn)定等于零，系

49、統(tǒng)穩(wěn)定；如果符號(hào)不同，系統(tǒng)不；如果符號(hào)不同，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且符號(hào)改變的次數(shù)等于系統(tǒng)具有的正穩(wěn)定，且符號(hào)改變的次數(shù)等于系統(tǒng)具有的正實(shí)部特征根的個(gè)數(shù)。實(shí)部特征根的個(gè)數(shù)。 通常通常a a0 0 0 0，因此，勞斯穩(wěn)定判據(jù)可以簡(jiǎn)述，因此，勞斯穩(wěn)定判據(jù)可以簡(jiǎn)述為為勞斯陣列表中第一列的各數(shù)均大于零勞斯陣列表中第一列的各數(shù)均大于零。 第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 例：設(shè)系統(tǒng)的特征方程為：例：設(shè)系統(tǒng)的特征方程為：05001004)(23=+=ssssD應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：勞斯陣列如下：解：勞斯陣列如下：s s3 31 1100100s s2 24 450

50、0500s s1 1-25 0-25 0s s0 05005000 0勞斯陣列第一列中元素勞斯陣列第一列中元素符號(hào)改變了兩次，表明符號(hào)改變了兩次，表明系統(tǒng)具有兩個(gè)正實(shí)部的系統(tǒng)具有兩個(gè)正實(shí)部的極點(diǎn)，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。極點(diǎn)，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。事實(shí)上系統(tǒng)包含了三個(gè)極點(diǎn)：事實(shí)上系統(tǒng)包含了三個(gè)極點(diǎn)：0.406+0.406+j j10.18510.185、0.406-0.406-j j10.18510.185、 -4.812-4.812第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 低階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)低階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù) q 二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)0)(2120=+=asasasDa a0 000，a a1 100，a a2

51、 200從而，二階系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：從而，二階系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 q 三階系統(tǒng)三階系統(tǒng)0)(322130=+=asasasasD從而，三階系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：從而，三階系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：特征方程的各項(xiàng)系數(shù)大于零，且：特征方程的各項(xiàng)系數(shù)大于零，且： a a1 1a a2 2- -a a0 0a a3 30 0 例例：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：求系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)求系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K K和和T T的取值范圍的取值范圍) 15)(1() 1()(+=sTsssKsG解：系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為：解：系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為：0)1 ()5(52

52、3=+KsKsTTs-+05)1)(5(00TKKTKT系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：-+54500TTKT第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 勞斯判據(jù)的應(yīng)用勞斯判據(jù)的應(yīng)用- -綜合實(shí)例綜合實(shí)例 例：已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：例：已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：hKsTsKsTKKsG+=) 1(1)(2211其中其中K K、K K1 1 、K K2 2 、K Kh h、T T1 1 、T T2 2均為正常數(shù)。均為正常數(shù)。求系統(tǒng)在輸入求系統(tǒng)在輸入x xi i( (t t) = ) = a a+ +btbt ( (a, ba, b0)0)作用作用下，穩(wěn)態(tài)誤差下，穩(wěn)態(tài)誤差e essss

53、 0) 0)時(shí)，系統(tǒng)各參時(shí)，系統(tǒng)各參數(shù)應(yīng)滿足的條件。數(shù)應(yīng)滿足的條件。第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 解：系統(tǒng)必須穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。解：系統(tǒng)必須穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。系統(tǒng)的特征方程為：系統(tǒng)的特征方程為：0)(21221321=+hKKKKssTTsTT穩(wěn)定條件為：穩(wěn)定條件為：0, 021212121-+hhKKKKKKKKTTTT即：即：2121210TTTTKKKKh+第三章第三章 時(shí)域分析法時(shí)域分析法 本系統(tǒng)為本系統(tǒng)為I I型系統(tǒng)，在輸入型系統(tǒng)，在輸入x xi i( (t t) = ) = a a+ +btbt 作用作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為：下的穩(wěn)態(tài)誤差為：=+=hvpssKKKKbK

54、bKae211顯然，穩(wěn)態(tài)誤差顯然，穩(wěn)態(tài)誤差e essss m時(shí)，時(shí)，Nyquist曲線終點(diǎn)幅值為曲線終點(diǎn)幅值為 0 ，而相角為，而相角為 (nm)90。第四章第四章 頻率特性分析頻率特性分析 wn-m=1n-m=2n-m=3n-m=4ReIm0q 不含一階或二階微分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，相角滯后量單不含一階或二階微分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，相角滯后量單調(diào)增加。含有一階或二階微分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，由于相調(diào)增加。含有一階或二階微分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，由于相角非單調(diào)變化，角非單調(diào)變化， Nyquist曲線可能出現(xiàn)凹凸。曲線可能出現(xiàn)凹凸。第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 3、Nyquist判據(jù)判據(jù) 當(dāng)當(dāng)w由由 到到 時(shí)，若時(shí)，若GH平

55、面上的開環(huán)頻率特性平面上的開環(huán)頻率特性G(jw)H(jw)逆時(shí)針方向包圍逆時(shí)針方向包圍(-1,j0)點(diǎn)點(diǎn)P圈，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)圈，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，定，P為為G(s)H(s)在在s平面的右半平面的極點(diǎn)數(shù)。平面的右半平面的極點(diǎn)數(shù)。- 對(duì)于開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，有對(duì)于開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，有P=0，此時(shí)閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件：，此時(shí)閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件：系統(tǒng)的開環(huán)頻率軌跡系統(tǒng)的開環(huán)頻率軌跡G(jw)H(jw)不包圍不包圍(-1,j0)點(diǎn)。點(diǎn)。第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 4、判別步驟、判別步驟（1）根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)，確定）根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)，確定P；（2）作）作G(jw)H(jw)的的Nyquist圖，確定圖，確定N

56、；（3）運(yùn)用判據(jù)）運(yùn)用判據(jù)N=Z-P，確定，確定Z；若；若Z=0，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 四、四、Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用例例1：穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 ) 1() 1)(1)(12() 1)(1()()(321221+-+=KsTsTsTsTsTsTKsHsGbax解：解：2)G(jw)H(jw)Nyquist軌跡：軌跡：3) N=-1=-P，則有，則有Z=0，閉環(huán)閉環(huán)穩(wěn)定（開環(huán)不穩(wěn)定）穩(wěn)定（開環(huán)不穩(wěn)定）1)右半平面極點(diǎn)數(shù)：右半平面極點(diǎn)數(shù)：P=1注意：注意：我們作我們作Nyquist軌跡時(shí)，軌跡時(shí)，w

57、的取值常從的取值常從0 到到 ，此時(shí)，此時(shí)Nyquist軌跡逆時(shí)針包圍軌跡逆時(shí)針包圍(-1,j0)的圈數(shù)為的圈數(shù)為N，若有，若有N=P/2，則閉環(huán)，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定。+例例2：第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 五、開環(huán)含有積分環(huán)節(jié)時(shí)的五、開環(huán)含有積分環(huán)節(jié)時(shí)的Nyquist軌跡軌跡處理：處理：作出作出w w由由 0+ 變化時(shí)的變化時(shí)的Nyquist曲線后，從曲線后，從G(j0)開始開始，沿沿逆時(shí)針方向逆時(shí)針方向用虛線以無窮大的半徑、角度為用虛線以無窮大的半徑、角度為v90 的輔助圓的輔助圓弧?；?。第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 例例1：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開

58、環(huán)傳遞函數(shù)為：) 1()(+=TssKsG應(yīng)用應(yīng)用Nyquist判據(jù)判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。判據(jù)判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：解：開環(huán)開環(huán) Nyquist曲線不包圍曲線不包圍 (-1, j0 )點(diǎn)，而點(diǎn)，而N=0，因此，系統(tǒng)閉，因此，系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。環(huán)穩(wěn)定。w w =0w w = 0w w =0+ReIm第四章第四章 頻域分析法頻域分析法 例例2：應(yīng)用：應(yīng)用Nyquist判據(jù)判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。已知：判據(jù)判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。已知：) 12)(1() 14()(2+=sssssHsG）（解：解：開環(huán)開環(huán) Nyquist曲線順時(shí)針包圍曲線順時(shí)針包圍 (-1, j0 )點(diǎn)點(diǎn)2圈，即圈，即N=2，因，因此

59、，系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。此，系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)Bode圖繪制圖繪制則系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性：則系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性：系統(tǒng)的對(duì)數(shù)相頻特性：系統(tǒng)的對(duì)數(shù)相頻特性：| )(|lg20)(w ww wjGL= =+ + += =| )(|lg20| )(|lg2021w ww wjGjG + + += =)()(21w ww wLL + + += = = )()()()(21w ww ww ww wjGjGjG 第四章第四章 頻率分析法頻率分析法 )()()()(321w ww ww ww wjGjGjGjG= = 考慮系統(tǒng)：考慮系統(tǒng)：典型環(huán)節(jié)的典型環(huán)節(jié)的Bode圖圖第四章第四章 頻率分析法頻率分析法

60、 繪制繪制Bode圖的步驟圖的步驟疊加法：疊加法：第四章第四章 頻率分析法頻率分析法 繪制繪制Bode圖的步驟圖的步驟順序頻率法：順序頻率法：第四章第四章 頻率分析法頻率分析法 1. 將開環(huán)傳遞函數(shù)表示為典型環(huán)節(jié)將開環(huán)傳遞函數(shù)表示為典型環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)形式標(biāo)準(zhǔn)形式的串聯(lián)：的串聯(lián)：LLLL) 12)(1() 1() 12)(1() 1()()(112211112211+=+sTsTsTsTsssssKsHsGqqqqvppppx 2. 確定各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率：確定各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率：,21LTTww并由小到大標(biāo)示在對(duì)數(shù)頻率軸上。并由小到大標(biāo)示在對(duì)數(shù)頻率軸上。第四章第四章 頻率分析法頻率分析法 3. 過（過（1，20lgK）點(diǎn)，作斜率等于）點(diǎn)，