自動(dòng)控制原理全套ppt課件(完整版)

1、自動(dòng)控制原理 自動(dòng)控制理論第1章 緒論第2章 控制系統(tǒng)建模第3章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法第4章 線性系統(tǒng)的根軌跡法第5章 線性系統(tǒng)的頻率法第6章 控制系統(tǒng)的校正第7章 非線性控制系統(tǒng)分析第1章 緒論自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)介自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)與基本要求自動(dòng)控制的基本原理與方式開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)什么是自動(dòng)控制？其研究?jī)?nèi)容有哪些？所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)外加的設(shè)備或裝置（稱為控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（稱為被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控變量）自動(dòng)地按照預(yù)定的控制目標(biāo)運(yùn)行。自動(dòng)控制原理研究的是

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)中的普遍性問(wèn)題，首先研究其組成和基本結(jié)構(gòu)，然后建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上便可以計(jì)算各個(gè)信號(hào)之間的定量關(guān)系，進(jìn)而分析出自動(dòng)控制系統(tǒng)可否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)，并研究怎樣提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果。1.1 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)介古代自動(dòng)控制裝置經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論古代自動(dòng)控制裝置我國(guó)西漢時(shí)代（公元前200多年）發(fā)明的指南車東漢時(shí)期的張衡在公元132年發(fā)明的候風(fēng)地動(dòng)儀北宋時(shí)期（公元1068-1089年）蘇頌和韓公廉制成了一座水運(yùn)儀象臺(tái)，它是一個(gè)根據(jù)被調(diào)節(jié)量偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的閉環(huán)非線性自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)古代羅馬人依據(jù)反饋原理構(gòu)建的水位控制裝置，至今仍在抽水馬桶的水位控制中使用1

3、788年英國(guó)人瓦特（Watt）發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器，在自動(dòng)控制裝置中最具代表性，也對(duì)后世的自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響1. 經(jīng)典控制理論英國(guó)數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和德國(guó)數(shù)學(xué)家胡爾維茨（Hurwitz）分別在1877年和1899年獨(dú)立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則1932年，美國(guó)物理學(xué)家奈奎斯特（Nyquist）根據(jù)控制系統(tǒng)的頻域特性，提出了一種根據(jù)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦輸入響應(yīng)來(lái)判別閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法伯德（Bode）于1945年提出了用對(duì)數(shù)頻率特性曲線分析反饋控制系統(tǒng)的方法以美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（Wiener）1948年出版的名著控制論-關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊

4、的科學(xué)為標(biāo)志，作為一門獨(dú)立的科學(xué)理論產(chǎn)生。同年，美國(guó)科學(xué)家伊萬(wàn)斯（Evans）創(chuàng)立了根軌跡分析方法2. 現(xiàn)代控制理論1956年，美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼（Bellman）提出了離散多階段決策的最優(yōu)性原理，創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃1956年,前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理最優(yōu)控制1959年美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼（Kalman）等人提出了著名的卡爾曼濾波器20世紀(jì)70年代瑞典控制理論學(xué)者奧斯特隆姆（Astrom）和法國(guó)控制理論學(xué)者朗道（Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。3. 智能控制理論60年代初期，史密斯（Smith）提出采用性能模式識(shí)別器來(lái)學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法的新思想196

5、5年，美國(guó)的扎德（Zadeh）創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具1966年門德?tīng)枺∕endel）首先提出了“人工智能控制”的概念1971年，傅京遜首次正式提出智能控制這個(gè)新興的學(xué)科領(lǐng)域。1974年，英國(guó)工程師曼德尼（Mamdani）將模糊集合和模糊語(yǔ)言用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，取得良好的控制效果。80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究獲得了重要進(jìn)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和應(yīng)用研究為智能控制的研究起到了重要的促進(jìn)作用。1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)與基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求應(yīng)由自動(dòng)控制所需完成的主要任務(wù)決定1.2.1 自動(dòng)控制的主要任務(wù)自動(dòng)控制的主要任務(wù)就是在沒(méi)有人直接參與的情況下

6、，應(yīng)用控制器自動(dòng)地、有目的地操縱被控對(duì)象，使得被控變量能夠按期望的規(guī)律變化進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的目的。被控對(duì)象-要進(jìn)行控制的受控客體。它可以是一種設(shè)備，也可以是某種過(guò)程被控變量-是一種被測(cè)量和被控制的量值或狀態(tài)。系統(tǒng)-由一些相互聯(lián)系、相互制約的環(huán)節(jié)或部件組成，并且具有一定功能的整體，每個(gè)系統(tǒng)都有輸入量和輸出量控制器-作用于被控對(duì)象的設(shè)備或裝置控制系統(tǒng)-含有控制器和被控對(duì)象的系統(tǒng)1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1. 穩(wěn)定性如果被控變量的實(shí)際值與期望值的偏差能隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小并趨于恒定，則系統(tǒng)就是穩(wěn)定的時(shí)間偏差2. 快速性和平穩(wěn)性快速性是指要求控制系統(tǒng)盡可能快地完成控制任務(wù)，可以用過(guò)渡過(guò)程所需時(shí)間來(lái)衡

7、量；平穩(wěn)性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩的振幅和頻率，即被控變量圍繞給定值擺動(dòng)的幅度和次數(shù)曲線所對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)快速性優(yōu)于所對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)，但平穩(wěn)性次之時(shí)間輸出給定值3. 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性可用穩(wěn)態(tài)誤差衡量，它是在動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出值與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出值之差。誤差越小，系統(tǒng)的控制精度越高，準(zhǔn)確性越好。穩(wěn)態(tài)誤差也是衡量控制性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，往往決定控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地減小穩(wěn)態(tài)誤差。在研究和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，上述性能常常相互矛盾：如要求穩(wěn)態(tài)精度很高時(shí)，往往導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能的惡化，甚至不穩(wěn)定；為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能會(huì)犧牲快速性。所以在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，一般需要在各性能之間進(jìn)行折中考慮。1.3自

8、動(dòng)控制的基本原理與方式-開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制1.3.1 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，按照這種方式組成的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)1. 按給定值控制作用信號(hào)是單方向的，形成開(kāi)環(huán)，這是所有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的基本特征例如，電爐溫度控制系統(tǒng)就屬于按給定值控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：保持電爐溫度恒定在給定值被控對(duì)象被控變量溫度T工作原理：手柄給定 調(diào)壓器電壓 電阻絲電流 爐溫 電爐電阻絲調(diào)壓器220V手柄爐門2. 按擾動(dòng)控制測(cè)量裝置先對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，然后利用得到的擾動(dòng)值，通過(guò)執(zhí)行裝置修正控制作用，補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的不利影響擾動(dòng)作為控制系統(tǒng)的輸入量，從

9、輸入端到輸出端來(lái)看，也僅有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系，因此系統(tǒng)仍然是開(kāi)環(huán)控制補(bǔ)償前提：擾動(dòng)是可測(cè)量的被控對(duì)象擾動(dòng)被控變量執(zhí)行裝置測(cè)量裝置例如，水位高度控制系統(tǒng)就屬于按擾動(dòng)控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)被控對(duì)象被控變量工作原理：Q2 閥2 杠桿閥1 Q1 無(wú)法補(bǔ)償壓力變化閥1閥2杠桿Q2Q1HP水槽水槽閥2水位高度H閥1杠桿1.3.2 閉環(huán)控制1. 反饋控制原理反饋-把輸出量（被控變量的實(shí)際值）回送到輸入端，并與參考輸入進(jìn)行比較的過(guò)程。如果是參考輸入與回送的輸出量相減，稱為負(fù)反饋；如果是相加，則稱為正反饋。反饋控制-就是采用負(fù)反饋并利用偏差信號(hào)進(jìn)行控制的過(guò)程。實(shí)質(zhì)就是利用偏去控制偏差人在日常生活中的許多活動(dòng)都體現(xiàn)反

10、饋控制的原理。例如我們?cè)陂_(kāi)門時(shí)，控制手移動(dòng)到門把位置的過(guò)程工作原理：門把的位置是手運(yùn)動(dòng)的參考輸入，首先我們要用眼睛不斷目測(cè)門把與手的位置，并將位置信息送給大腦（反饋），然后由大腦判斷手與門把的距離（產(chǎn)生偏差信號(hào)），并根據(jù)偏差的大小發(fā)出控制手移動(dòng)的命令（控制作用），手的移動(dòng)逐漸使門把與手的距離（偏差）減少，直到偏差減小為零，手便可移動(dòng)到門把的位置。形成閉合回路即閉環(huán)眼睛大腦手輸出參考輸入（門把位置）（手位置）眼睛工作原理：擾動(dòng)轉(zhuǎn)速 測(cè)速發(fā)電機(jī)TG輸出電壓 放大器輸出電壓 電機(jī)電樞電壓 轉(zhuǎn)速比較器負(fù)反饋閉環(huán)控制前向通路反饋通路2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成與主要信號(hào)1) 測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量

11、并轉(zhuǎn)換為所需的信號(hào)。如果這個(gè)物理量不是電量，一般需要傳感器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，例如測(cè)速發(fā)電機(jī)等。2) 給定元件：給出與期望輸出相對(duì)應(yīng)的參考輸入量，例如電位器等。3) 比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控變量實(shí)際值與給定元件給出的參考輸入進(jìn)行比較，得出兩者的偏差。4) 放大元件：即放大器，其職能是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生控制作用。由于偏差信號(hào)一般較小，難以直接驅(qū)動(dòng)較大功率的執(zhí)行元件，因此許多控制系統(tǒng)都需要放大元件，常用的有電壓放大、功率放大。5) 執(zhí)行元件：用來(lái)直接控制被控對(duì)象，使被控變量產(chǎn)生變化。6) 校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，是結(jié)構(gòu)和參數(shù)便于調(diào)整的元件，以串聯(lián)或反饋的方式

12、連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。1) 輸入信號(hào)：控制系統(tǒng)的參考輸入量，常用r(t)表示，被控變量應(yīng)該按照輸入信號(hào)的規(guī)律變化。2) 輸出信號(hào)：控制系統(tǒng)的被控變量隨時(shí)間變化的信號(hào)，常用c(t)表示。3) 主反饋信號(hào)：是輸出信號(hào)的某種函數(shù)關(guān)系（如正比），且量綱與輸入信號(hào)相同的信號(hào)，常用b(t )表示。4) 偏差信號(hào)：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)的差，常用e(t )表示。5) 誤差信號(hào)：輸出信號(hào)與期望輸出信號(hào)的差。誤差反映了控制系統(tǒng)的精度，常用e(t )表示。廣義而言誤差包含偏差的概念，偏差信號(hào)也被認(rèn)為是從輸入端定義的誤差信號(hào)。6) 擾動(dòng)信號(hào)：使被控變量產(chǎn)生不應(yīng)有的變化的信號(hào)，常用n(t )表示。擾動(dòng)信號(hào)往往

13、會(huì)導(dǎo)致被控變量出現(xiàn)誤差（不利影響）。3. 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)能預(yù)先知道或可測(cè)量時(shí)，控制效果較好；缺點(diǎn): 不能自動(dòng)修正被控變量的偏差，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn): 具有自動(dòng)修正被控變量出現(xiàn)偏差的能力，也可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度較高；缺點(diǎn): 被控變量可能會(huì)出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散以至于系統(tǒng)不能正常工作。分析和設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜。1.3.3 復(fù)合控制反饋控制只有在輸入信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)作用在被控對(duì)象并產(chǎn)生影響后才能做出控制。前饋控制能在被控對(duì)象還沒(méi)有產(chǎn)生影響前就

14、做出控制，即在偏差產(chǎn)生之前就先糾正偏差，它是對(duì)系統(tǒng)輸出的影響進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償?shù)囊环N措施，其信號(hào)流向?yàn)轫樝虿粯?gòu)成回路，因此前饋控制是開(kāi)環(huán)控制。前饋通路一般由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償裝置或?qū)_動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償裝置組成，分別稱為按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制和按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制。廣義被控對(duì)象包含了執(zhí)行元件、被控對(duì)象和測(cè)量元件1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類連續(xù)線性定?？刂葡到y(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)按控制方式可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)；按輸入信號(hào)變化規(guī)律可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)；按其數(shù)學(xué)模型可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)、集中參數(shù)系統(tǒng)和

15、分布參數(shù)系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等；按元件類型可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等；按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；按系統(tǒng)的功能可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。1.4.1 連續(xù)線性定?？刂葡到y(tǒng)可以用線性定常微分方程描述為：式中，c(t )是被控變量；r (t )是參考輸入；系數(shù)a0, a1, an, b0, b1, , bm 都是常數(shù)，故稱定常系統(tǒng)。1. 恒值控制系統(tǒng)參考輸入是一個(gè)常值，要求被控變量也等于常值，故又稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)。分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于系統(tǒng)的抗干擾性能。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，恒值控制系統(tǒng)的參考輸入并不是絕對(duì)不變的，它可

16、以隨環(huán)境、生產(chǎn)條件的變化而重新給定，但是一經(jīng)給定后，控制系統(tǒng)就應(yīng)該使被控變量與給定的參考輸入保持一致。例如房間內(nèi)的空調(diào)、直流電動(dòng)機(jī)負(fù)反饋控制系統(tǒng)等。在工業(yè)控制中，如果被控變量是溫度、壓力、流量、液位等生產(chǎn)過(guò)程參量時(shí)，這種控制系統(tǒng)則稱為過(guò)程控制系統(tǒng)，它們大多都屬于恒值控制系統(tǒng)。2. 隨動(dòng)控制系統(tǒng)參考輸入是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控變量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入的變化，故又稱為跟蹤系統(tǒng)。如果被控變量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，則稱之為伺服系統(tǒng)。對(duì)隨動(dòng)控制系統(tǒng)而言，擾動(dòng)的影響是次要的，控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于被控變量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。如函數(shù)記錄儀，電壓跟隨器、高射炮的自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、

17、雷達(dá)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等。3. 程序控制系統(tǒng)當(dāng)參考輸入是預(yù)先已知的隨時(shí)間變化的函數(shù)時(shí)，要求被控變量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)，控制作用將使得被控變量按預(yù)定的規(guī)律（程序）變化，這種系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)是預(yù)先已知的時(shí)間函數(shù)，而隨動(dòng)控制系統(tǒng)是未知的任意時(shí)間函數(shù)。例如，數(shù)字程序控制機(jī)床、有全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦繡花機(jī)等。1.4.2 非線性控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，只要有一個(gè)元件的輸入-輸出特性是非線性的，則此系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。一般用非線性微分方程來(lái)描述特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)嚴(yán)格說(shuō)來(lái)實(shí)際的控制系統(tǒng)都含有程度不同的非線性元件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運(yùn)動(dòng)

18、部件的死區(qū)、間隙、摩擦特性等。線性系統(tǒng)模型的建立只是在真實(shí)的系統(tǒng)中，某些非線性被人們用線性關(guān)系代替了，另外一些非線性則被忽略掉了。非線性控制系統(tǒng)由于在數(shù)學(xué)處理上較為困難，迄今為止，仍沒(méi)有統(tǒng)一的方法。對(duì)非線性程度不太嚴(yán)重的元件，一般采用在一定范圍內(nèi)線性化的處理方法，可以將其近似為線性系統(tǒng)。早期的經(jīng)典非線性控制方法主要包括相平面法和描述函數(shù)法。新的非線性系統(tǒng)控制方法，包括反饋線性化、反推設(shè)計(jì)法和滑模變結(jié)構(gòu)控制等。1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例溫度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.5.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理： 爐溫 放大器1輸出 放大器2輸出 電機(jī)反轉(zhuǎn) 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 煤氣進(jìn)量 爐溫恒值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任

19、務(wù)：保持煤氣爐溫度恒定在給定值。被控變量：爐溫T。給定元件：給定電位器。擾動(dòng)：環(huán)境溫度、煤氣壓力等。被控對(duì)象：煤氣爐。測(cè)量元件：熱電偶。比較元件：放大器1和給定電位器的連接電路。執(zhí)行元件：電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥。1.5.2 速度控制系統(tǒng)工作原理：蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速套筒下滑杠桿作用閥門開(kāi)度 進(jìn)汽量 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速 恒值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：保持蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速n 在期望值附近。被控變量：蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速n。給定元件：給定裝置。執(zhí)行元件：閥門。擾動(dòng)：負(fù)載、蒸汽壓力等。被控對(duì)象：蒸汽機(jī)。測(cè)量元件：圓錐齒輪、飛球裝置。比較元件：套筒。1.5.3 位置控制系統(tǒng)工作原理：操縱桿i 橋路輸出放大器電機(jī)反轉(zhuǎn) 減速器 船舵o 隨動(dòng)控制系

20、統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：使船舶舵角位置o 跟蹤操縱桿角位移i 的變化。被控變量：船舵角位置o。給定元件：操縱桿。執(zhí)行元件：電動(dòng)機(jī)、減速器被控對(duì)象：船舵。測(cè)量元件：電位器組。比較元件：電位器組、橋式電路。第2章 控制系統(tǒng)建模建模的一般方法拉氏變換與傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換信號(hào)流圖及梅遜公式數(shù)學(xué)模型：描述被控對(duì)象輸入和輸出之間量化關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：系統(tǒng)中各變量隨時(shí)間變化緩慢，以至于它們對(duì)時(shí)間的變化率可以忽略不計(jì)（變量的各階次導(dǎo)數(shù)為零）動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：描述變量各階次導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程，其中各變量隨時(shí)間的變化率不可以忽略（變量的各階次導(dǎo)數(shù)不為零）建模：獲得數(shù)學(xué)模型的過(guò)程經(jīng)典控制的數(shù)學(xué)模型

21、主要采用輸入輸出的描述方法（外部描述），現(xiàn)代控制則常用表示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變量描述（內(nèi)部描述）不同的控制系統(tǒng)可能具有完全相同的數(shù)學(xué)模型，同一個(gè)物理系統(tǒng)也可以用不同的數(shù)學(xué)模型表示。建模一旦完成，對(duì)控制系統(tǒng)的量化分析主要針對(duì)數(shù)學(xué)模型，而不再涉及實(shí)際系統(tǒng)的具體性質(zhì)、特點(diǎn)。常用數(shù)學(xué)模型：微分方程（時(shí)域）、傳遞函數(shù)（復(fù)域）、頻率特性（頻域）、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖2.1微分方程建模的一般方法-機(jī)理分析法2.1.1 線性元件的微分方程建立元件微分方程的一般步驟是： 確定元件的輸入和輸出變量。 根據(jù)元件遵循的物理（或化學(xué)等）定律，列寫相應(yīng)的微分方程。 消去中間變量。 標(biāo)準(zhǔn)化，將與輸入有關(guān)的各項(xiàng)放在等號(hào)的右邊，與

22、輸出有關(guān)的各項(xiàng)放在左邊，方程兩邊變量的導(dǎo)數(shù)按降冪次序排列。例2-1 建立如圖所示的RLC無(wú)源電路的微分方程。其中ur(t)為輸入，uc(t)為輸出。解：設(shè)RLC電路的回路電流為i(t)，由基爾霍夫定律可寫出回路方程為 例2-2 圖示為彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械位移系統(tǒng)。建立質(zhì)量m以外力F(t)為輸入（重力不計(jì)），位移y(t)為輸出的微分方程。解：根據(jù)牛頓第二定律有F1(t)為阻尼器的阻力；F2(t)為彈簧的彈力。 f為阻尼系數(shù)；k為彈性系數(shù)。比較兩式可以看出，RLC無(wú)源電路和彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械位移系統(tǒng)的微分方程結(jié)構(gòu)相同，稱這種具有相同微分方程結(jié)構(gòu)的元件或系統(tǒng)為相似系統(tǒng)。相似系統(tǒng)揭示了不同物理現(xiàn)

23、象間的相似關(guān)系，便于我們使用一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型去研究與其相似的復(fù)雜系統(tǒng)。例2-3試列出圖示電樞控制的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的微分方程，電樞電壓 ua(t)為輸入，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速m(t)為輸出。其中Ra，La分別為電樞電路的電阻和電感；勵(lì)磁磁通為常值。解：設(shè)電樞回路電流為ia，電壓平衡方程為電樞電阻Ra電感LaEa是電樞反電勢(shì) Ce是反電勢(shì)系數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩方程為 Cm是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Mm(t)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為fm是電動(dòng)機(jī)和負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的粘性摩擦系數(shù)，Jm是電動(dòng)機(jī)和負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mc(t)是折合到電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩。消去中間變量ia (t)，Ea及Mm(t)，

24、可得微分方程若La很小，可以忽略不計(jì)，則上式可以簡(jiǎn)化為Tm= Ra Jm /( Ra fm + Ce Cm)是電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，K1= Cm /( Ra fm + Ce Cm)，K2= Ra /( Ra fm + Ce Cm)是電動(dòng)機(jī)傳遞系數(shù)。若Ra 和 Jm 也忽略不計(jì)，則可簡(jiǎn)化為此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速m(t)與輸入電樞電壓ua(t)成正比，電動(dòng)機(jī)可作為測(cè)速發(fā)電機(jī)使用。2.1.2 控制系統(tǒng)的微分方程控制系統(tǒng)是由若干元件組成的，所以可以分兩步來(lái)建模：第一步先將系統(tǒng)分解為各個(gè)元件（環(huán)節(jié)），并寫出它們的輸入輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式；第二步再對(duì)各式聯(lián)立，消去中間變量就可獲得描述整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系的微分方

25、程。例2-4建立圖示速度控制系統(tǒng)的微分方程。參考輸入為ui，輸出是轉(zhuǎn)速。解：控制系統(tǒng)由給定電位器、運(yùn)算放大器1（比較作用）、運(yùn)算放大器2（RC校正網(wǎng)絡(luò)）、功率放大器、直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、減速器等元件構(gòu)成。分別列寫各元件的微分方程：速度控制系統(tǒng)原理圖運(yùn)算放大器1：參考輸入電壓 ui 和反饋電壓 ut 在此比較，產(chǎn)生偏差電壓并進(jìn)行放大，故有K1 = R2/ R1 是運(yùn)算放大器1的比例系數(shù)。運(yùn)算放大器2：RC校正網(wǎng)絡(luò)有K2 = R2/ R1是運(yùn)算放大器2的比例系數(shù)， = R1C是微分時(shí)間常數(shù)。功率放大器：對(duì)晶閘管整流裝置，若忽略控制電路的時(shí)間滯后，有 K3為比例系數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)：根據(jù)上例可得Tm

26、，Km，Kc，Mc是考慮減速機(jī)和負(fù)載后，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效值。減速機(jī)：設(shè)減速比為i，則有測(cè)速發(fā)電機(jī)：因?yàn)檩敵鲭妷号c轉(zhuǎn)速成正比，故有 Kt為測(cè)速發(fā)電機(jī)的比例系數(shù)。根據(jù)以上各式消去中間變量u1，u2，ua，ut，m，整理可得Tm=(i Tm +K1 K2 K3 Km Kt) / (i +K1 K2 K3 Km Kt)；Kg= K1 K2 K3 Km / (i +K1 K2 K3 Km Kt)；Kg= K1 K2 K3 Km / (i +K1 K2 K3 Km Kt)；Kc= Kc / (i +K1 K2 K3 Km Kt)。上式即為速度控制系統(tǒng)的微分方程，可用于研究給定電壓為ui，或有負(fù)載擾動(dòng)

27、轉(zhuǎn)矩Mc時(shí)，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2.1.3 線性系統(tǒng)的基本特征能用線性微分方程描述的元件或系統(tǒng)，稱為線性元件或線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的重要特征就是滿足疊加定理，即具有可疊加性和齊次行。 例如系統(tǒng)的線性微分方程為疊加性：設(shè)r(t)= r1(t)，輸出解c(t)= c1(t)，當(dāng)r(t)= r2(t)時(shí)，輸出解為c(t)= c2(t)，易證上式滿足疊加性，即當(dāng)r(t)= r1(t)+ r2(t)時(shí)，輸出c(t)= c1(t)+ c2(t)。這說(shuō)明兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)作用在控制系統(tǒng)所得到的輸出，等于各個(gè)信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)得到的輸出之和。齊次性：若 r(t)= k r1(t)，k 為常數(shù)，易證上式的輸出必為c(t

28、)= k c1(t)。這說(shuō)明參考輸入增大若干倍時(shí)，系統(tǒng)輸出將增大同樣的倍數(shù)。疊加定理給線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。如果有幾個(gè)輸入信號(hào)（如給定輸入和擾動(dòng)輸入）同時(shí)作用于系統(tǒng)，可以將這些信號(hào)單獨(dú)作用（其它輸入可以認(rèn)為是零），分別求出相應(yīng)的輸出，再將這些輸出疊加即得這些信號(hào)共同作用的輸出解。此外，輸入信號(hào)可以只取單位值1，實(shí)際輸出只要乘以相應(yīng)的倍數(shù)即可，從而簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。2.1.4 非線性系統(tǒng)的線性化常用的線性化方法為小偏差法?？紤]非線性函數(shù)：設(shè)工作點(diǎn)為A(x0, y0)，若離A的增量x充分小，以至于可用直線AC代替曲線AB，此時(shí)x與y成線性關(guān)系，這種線性關(guān)系與原非線性關(guān)系f (x) 的誤差取

29、決于x，x越小，誤差越小。將 f (x) 在x0附近展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)忽略x2及以上的高次項(xiàng)令 y = y f (x0)，即可得在工程應(yīng)用中，如果非線性微分方程中的變量只在某工作點(diǎn)的附近作微小變化，且非線性函數(shù)在工作點(diǎn)附近連續(xù)可導(dǎo)，一般可采用線性化的方法。需要指出的是，因 f(x0) 會(huì)隨 x0 的不同而變化，因此線性化后的微分方程，會(huì)隨工作點(diǎn)的不同而改變。例2-5 設(shè)鐵芯線圈電路如圖(a) 所示，鐵芯線圈的磁通與線圈的電流i的關(guān)系如圖(b) 所示，建立以 ur 為輸入，i 為輸出的微分方程模型。線性化方程解：線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為電壓回路方程為由圖(b)知，d(i)/di是電流 i 的非線性函數(shù)，將

30、 (i) 在 i0 處展開(kāi)為略去高階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)有令 ，并略去可得上式代入電壓回路方程，得鐵芯線圈在工作點(diǎn)i0的增量線性化微分方程為2.2 拉氏變換與傳遞函數(shù)拉氏變換的定義及相關(guān)性質(zhì)、定理用拉氏變換求解微分方程傳遞函數(shù)定義、性質(zhì)及典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.2.1 拉氏變換的定義對(duì)函數(shù) f (t)，t 為實(shí)變量，如果線性積分（s = + j為復(fù)變量）存在，則稱其為函數(shù) f (t) 的拉氏變換。變換后的函數(shù)將是復(fù)變量 s 的函數(shù)，一般記為 F (s)，或L f (t)，即通常稱 F (s) 為 f (t) 的象函數(shù)，而 f (t) 為 F (s) 的原函數(shù)。相應(yīng)的定義拉氏逆變換為拉氏變換拉氏逆變換2.2.2

31、 拉氏變換的性質(zhì)與定理1. 線性性質(zhì)f 1(t) 和 f 2(t) 的拉氏變換分別為 F1(s) 和 F2(s)，a，b 為常數(shù)2. 微分定理f (0)，f (0)，f (n-1)(0)為函數(shù) f (t) 及其各階導(dǎo)數(shù)在 t = 0時(shí)的值。當(dāng)f (0) = f (0) = = f (n-1)(0) = 0時(shí)，則有3. 積分定理f (-1) (0)，f (-2)(0)，f (-n)(0) 為函數(shù) f (t) 及其各重積分在 t = 0 時(shí)的值。當(dāng) f (-1) (0) = f (-2)(0) = = f (-n)(0) = 0 時(shí)，則有4. 終值定理如果 L f (t) = F (s)，且 sF

32、 (s) 的所有極點(diǎn)全在 s 平面的左半部，即 sF (s) 在 s 的右半平面及虛軸上解析，則有5. 初值定理如果L f (t) = F (s)，并且 存在，則有6. 位移定理應(yīng)用時(shí)要 注意條件2.2.3 用拉氏變換求解微分方程用拉氏變換求解微分方程是工程中常用的方法，具體求解的步驟如下： 對(duì)微分方程中的各項(xiàng)做拉氏變換（要注意各變量的初值），將微分方程轉(zhuǎn)化為以復(fù)數(shù) s 為變量的代數(shù)方程。 根據(jù)上一步得到的代數(shù)方程解出系統(tǒng)輸出的拉氏變換表達(dá)式。 對(duì)系統(tǒng)輸出的拉氏變換表達(dá)式進(jìn)行拉氏逆變換，即可得到微分方程的解。設(shè)系統(tǒng)輸出的拉氏變換為C(s)，其表達(dá)式一般為a1，a2，an 和 b0，b1，b2，

33、bm 均為常實(shí)數(shù)，m，n為正整數(shù)，且有 m n對(duì)C(s)的分母多項(xiàng)式作因式分解A(s)=(s-s1)(s-s2)(s-sn)s1，s2，sn為方程A(s)=0的根，即C(s)的極點(diǎn)（1）A(s)=0 無(wú)重根。展開(kāi)為部分分式之和di 是待定常數(shù)，稱為C(s)在極點(diǎn) si 處的留數(shù)取拉氏逆變換得輸出的解為（2）A(s)=0有重根。設(shè) s1 為 m 重根，sm+1，sm+2，sn 為單根，將C(s)展開(kāi)為d1，dm 可根據(jù)下式確定：取拉氏逆變換得輸出的解為例2-6 設(shè)定常微分方程為輸入為單位階躍函數(shù)，即 u(t)=1(t)，初始條件為y(0)=-1，y(0)=2，求微分方程的解。解：先對(duì)微分方程的各

34、項(xiàng)進(jìn)行拉氏變換可得代入初始條件求得令s(s2+3s+2)=0，得方程的根為：s1=0，s2=-1，s3=-2，沒(méi)有重根，故Y(s)用部分分式可展開(kāi)為取拉氏逆變換可得微分方程的解為2.2.4 傳遞函數(shù)的定義與性質(zhì)1. 傳遞函數(shù)的定義定義：控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)是線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出c(t)的拉氏變換C(s)與輸入r(t)的拉氏變換R(s)之比。傳遞函數(shù)可以有量綱和單位，即輸出變量的單位與輸入變量的單位之比。線性定常系統(tǒng)零初始條件下拉氏變換為故其傳遞函數(shù)為例2-8 求出RLC電路的傳遞函數(shù)G(s)= Uc(s)/Ur(s)，已知其微分方程為解：在零初始條件下對(duì)微分方程取拉氏變換可得

35、根據(jù)定義，傳遞函數(shù)為2. 傳遞函數(shù)的性質(zhì)主要性質(zhì)：（1）傳遞函數(shù)只適用于線性定常系統(tǒng)，是線性定常系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型，它與時(shí)間域的數(shù)學(xué)模型線性定常微分方程一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)相等。（2）傳遞函數(shù)表示系統(tǒng)傳遞、變換輸入信號(hào)的能力，反映系統(tǒng)本身的性能，由傳遞函數(shù)自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與輸入信號(hào)的形式無(wú)關(guān)。（3）傳遞函數(shù)通常是復(fù)變量 s 的有理分式，所有系數(shù)均為實(shí)數(shù)，其分子多項(xiàng)式的次數(shù) m 小于等于分母多項(xiàng)式的次數(shù) n，即 m n。這主要是因?yàn)閷?shí)際可物理實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)或元件通常具有慣性及能源有限的緣故。（4）傳遞函數(shù)是系統(tǒng)的外部描述，不能反映系統(tǒng)內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的信息，故不同的物理系統(tǒng)是可以具有相同形式傳

36、遞函數(shù)的；另一方面，對(duì)同一系統(tǒng)，如果取不同的物理量作輸入或輸出時(shí)，其傳遞函數(shù)也不相同。（5）傳遞函數(shù)的拉氏逆變換是輸入為單位脈沖函數(shù) (t) 時(shí)的響應(yīng)c(t)，即脈沖響應(yīng)。因?yàn)榇藭r(shí)有R(s)=1，而 c(t) =L -1C(s) = L -1G(s) R(s)=L -1G(s)。3. 傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)表示形式傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式等于零（A(s)=0）即是系統(tǒng)的特征方程式，它的最高次數(shù) n 就是系統(tǒng)的階數(shù)。特征方程 A(s)=0 的根 p1，p2，pn 稱為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)；分子多項(xiàng)式等于零（B(s)=0）得到的根 z1，z2，zm 稱為傳遞函數(shù)的零點(diǎn)。因?yàn)榉肿?、分母多?xiàng)式的系數(shù)都是實(shí)數(shù)，故傳遞函

37、數(shù)若具有復(fù)數(shù)的極、零點(diǎn)，它們必然是共軛出現(xiàn)的。 Kr 稱為根增益或根放大系數(shù)。零、極點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)性能有極大的影響，常用零極點(diǎn)分布圖表示，在復(fù)平面用符號(hào)“”標(biāo)示零點(diǎn)的位置，用符號(hào)“”標(biāo)示極點(diǎn)的位置。任一傳遞函數(shù)必有零極點(diǎn)分布圖與之對(duì)應(yīng)，故零極點(diǎn)分布圖也可表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。如傳遞函數(shù) 其零極點(diǎn)分布圖2.2.5 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)根據(jù)動(dòng)態(tài)特性或傳遞函數(shù)的異同對(duì)系統(tǒng)分類，歸納出幾種基本類型，稱為典型環(huán)節(jié)。元件不論是機(jī)械式、電氣式或液壓式，只要數(shù)學(xué)模型形式相同就是同一種環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)特性也基本相似，故掌握典型環(huán)節(jié)有利于分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。1. 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié)或無(wú)慣性環(huán)節(jié)，是指輸出量與輸入量

38、成比例的環(huán)節(jié)。其時(shí)域數(shù)學(xué)模型為傳遞函數(shù)為 K 稱為比例系數(shù)、放大系數(shù)或增益系數(shù)。大多數(shù)控制系統(tǒng)中都有比例環(huán)節(jié)，如電阻電路、沒(méi)有間隙的齒輪傳動(dòng)系、剛性杠桿、分壓器、理想放大器及測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系都可視為比例環(huán)節(jié)。2. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)又稱非周期環(huán)節(jié)，其輸出量與輸入量之間的關(guān)系用微分方程可表示為由于慣性環(huán)節(jié)是用一階微分方程描述的，故也稱一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為 T 稱為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，可以用來(lái)衡量慣性的大小。慣性環(huán)節(jié)有一個(gè)極點(diǎn) p = -1/T。慣性環(huán)節(jié)一般至少含有一個(gè)儲(chǔ)能元件。一階 RC 低通濾波電路就是最典型的慣性環(huán)節(jié)，在一定條件下，許多高階系統(tǒng)也可近似為慣性環(huán)節(jié)。3. 積分環(huán)節(jié)積分

39、環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量的積分成正比。其時(shí)域數(shù)學(xué)模型為 T 為積分時(shí)間常數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)變?yōu)榱愫?，積分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)將保持輸入信號(hào)變?yōu)榱銜r(shí)刻的值不變，具有記憶功能。其傳遞函數(shù)為積分環(huán)節(jié)有一個(gè) p=0 的極點(diǎn)。實(shí)際系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)都是在近似條件下得到的，如忽略飽和特性及慣性因素，運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分器就是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。4. 微分環(huán)節(jié) ( 理想微分環(huán)節(jié)、實(shí)際微分環(huán)節(jié) ) 1）理想微分環(huán)節(jié)輸出量與輸入量的變化率成正比，用微分方程可表示為 為微分時(shí)間常數(shù)微分是積分的逆運(yùn)算，其傳遞函數(shù)為微分環(huán)節(jié)有一個(gè) z=0 的零點(diǎn)。2）實(shí)用微分環(huán)節(jié)理想微分環(huán)節(jié)往往因慣性的存在而難于實(shí)現(xiàn)，工程中常采用實(shí)用微分環(huán)節(jié)來(lái)代替為傳遞

40、函數(shù)為實(shí)用微分環(huán)節(jié)有一個(gè) p = -1/ 的極點(diǎn)和一個(gè) z = 0 的零點(diǎn)。特點(diǎn)：微分環(huán)節(jié)的輸出量與輸入信號(hào)的微分有關(guān)，所以它可以預(yù)示輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)。5. 振蕩環(huán)節(jié) （二階系統(tǒng)）可用二階微分方程描述為傳遞函數(shù)為T 為時(shí)間常數(shù)； 為阻尼系數(shù)（也稱阻尼比）。令 n = 1/T n為無(wú)阻尼自然振蕩頻率當(dāng) 0 ts后，響應(yīng)進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)過(guò)程。6）振蕩次數(shù)N振蕩次數(shù)是指在0tts時(shí)間內(nèi)，單位階躍響應(yīng)c(t)穿越其穩(wěn)態(tài)值c()次數(shù)的一半，定義為振蕩次數(shù)，用N 表示。 單調(diào)上升類型3.2 一階系統(tǒng)分析一階系統(tǒng)的單位階躍單位斜坡響應(yīng)單位加速度響應(yīng)單位脈沖響應(yīng)由一階微分方程描述的控制系統(tǒng)稱為一階系統(tǒng)，它是工程中

41、最基本、最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。典型的一階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為一階微分方程- 時(shí)間常數(shù)，表征系統(tǒng)慣性的大?。烤V為時(shí)間秒）。由圖3-4可得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為為便于分析，均假設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)為零。3.2.1 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)單位階躍輸入信號(hào) r(t)=1(t) 的拉氏變換為輸出的拉氏變換整理可得上式取拉氏逆變換，得其單位階躍響應(yīng)為 響應(yīng)是一條初始值為零、以指數(shù)規(guī) 律上升到終值c()=1的曲線與輸出值c(t)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為t=T, c(T)=0.632 t=2T, c(2T)=0.865 t=3T, c(3T)=0.950t=4T, c(4T)=0.982 單調(diào)上升的指數(shù)曲線，無(wú)振蕩;穩(wěn)態(tài)誤差ess=03.2

42、.2 一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)單位斜坡輸入信號(hào)r(t)=t 的拉氏變換為輸出的拉氏變換為 取拉氏逆變換可得穩(wěn)態(tài)誤差ess=T 響應(yīng)曲線單調(diào)上升3.2.3 一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)單位加速度輸入信號(hào) r(t)= t2/2 的拉氏變換為輸出的拉氏變換取拉氏逆變換，可得一階系統(tǒng)的單位加速度響應(yīng)為穩(wěn)態(tài)誤差 ess=，所以，一階系統(tǒng)不能跟蹤加速度信號(hào)3.2.4 一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)單位脈沖信號(hào)r(t)=(t)，其拉氏變換為R(s)=1，輸出的拉氏變換為上式取拉氏逆變換，可得一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)為特點(diǎn)：按指數(shù)規(guī)律單調(diào)下降，初值最大c(0)=1/T，終值最小c()=0。T 越大，響應(yīng)曲線下降越慢。初始斜率

43、為-1/T2，T 越小，響應(yīng)的初始下降速度越快。一階系統(tǒng)對(duì)典型輸入信號(hào)的響應(yīng)由上表可得線性定常系統(tǒng)具有的一個(gè)重要特性，即系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)，可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)來(lái)確定，而系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)積分的響應(yīng)，等于系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)相應(yīng)的積分，積分常數(shù)由零輸入時(shí)的初始條件確定。值得指出的是，線性時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)則不具有這個(gè)特性。例3-1 已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，求該系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間ts；如果要求ts 0.1s，試問(wèn)系統(tǒng)的反饋系數(shù)應(yīng)取何值？解：由結(jié)構(gòu)圖可得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為上式相當(dāng)于典型一階系統(tǒng)串接一個(gè)K=10的放大器，故也稱為閉環(huán)系統(tǒng)的放大系數(shù)（或開(kāi)環(huán)增益），它與調(diào)節(jié)時(shí)間無(wú)關(guān)，t

44、s的大小完全由一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)決定。比較上式與式 (3-16)知T=0.1s，取誤差范圍5%，即=5，則有 ts = 3T = 0.3s求滿足ts 0.1s的反饋系數(shù)：設(shè)反饋系數(shù)為Kb，閉環(huán)傳遞函數(shù)為由閉環(huán)傳遞函數(shù)可得一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T=0.01/Kb，當(dāng)誤差帶=5時(shí)有: ts = 3T =0.03 / Kb 0.1s由上式可解出反饋系數(shù)的取值范圍是 Kb 0.3例3-2 已知單位反饋系統(tǒng)如圖所示，r(t)=1+t，c(t)= t計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，并求性能指標(biāo) ts，%。解：由圖可得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為對(duì)已知的輸入信號(hào)及輸出響應(yīng)進(jìn)行拉氏變換可得則閉環(huán)傳遞函數(shù)為由閉環(huán)傳遞函數(shù)知，系統(tǒng)是時(shí)

45、間常數(shù)為 T =1s 的一階系統(tǒng)，故%=0，ts=3T=3s（=5）。3.3 二階系統(tǒng)分析二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)欠阻尼二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)增加零、極點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響二階系統(tǒng)的微分方程:T -時(shí)間常數(shù)， -阻尼系數(shù)（阻尼比）傳遞函數(shù)：n-無(wú)阻尼自然振蕩頻率（一般是系統(tǒng)固有的）特征方程：特征根：時(shí)域模型復(fù)域模型3.3.1 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能由系統(tǒng)參數(shù) 和 n決定，稱之為二階系統(tǒng)的特征參數(shù)。 不同，系統(tǒng)特征根的表現(xiàn)形式和在s平面的位置不同。 當(dāng) 1 時(shí)，特征方程具有兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)根 ，它們是位于 s 平面負(fù)實(shí)軸上的兩個(gè)不等的實(shí)極點(diǎn)，稱為過(guò)阻尼。 當(dāng) = 1 時(shí)，特

46、征方程具有兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)根 -n，它們是位于 s平面負(fù)實(shí)軸的相等實(shí)極點(diǎn)，稱為臨界阻尼。 當(dāng) 0 1 時(shí)，兩個(gè)特征根為一對(duì)共軛復(fù)根 ，它們是位于 s 面左半平面的共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)，稱為欠阻尼。 當(dāng) = 0 時(shí)，特征方程的兩個(gè)根為共軛純虛根 jn，它們是位于 s 平面虛軸上一對(duì)共軛極點(diǎn)，稱為無(wú)阻尼。 當(dāng) -1 0 時(shí)，特征方程的兩個(gè)根為具有正實(shí)部的一對(duì)共軛復(fù)根 ，它們是位于s平面右半平面的共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)。 當(dāng) 1）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)當(dāng) 1 時(shí)，p1 和 p2均為實(shí)數(shù)，且有p2 p2，故p2對(duì)應(yīng)的指數(shù)項(xiàng)衰減的速度遠(yuǎn)快于p1，所以二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由p1決定，這時(shí)過(guò)阻尼二階系統(tǒng)可以由具有極點(diǎn) p1的

47、一階系統(tǒng)來(lái)近似表示。2. 臨界阻尼（ =1）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)p2 = p1=-n，二階系統(tǒng)的兩個(gè)特征根是兩個(gè)負(fù)的實(shí)重根臨界阻尼的二階系統(tǒng)其單位階躍響應(yīng)是一個(gè)無(wú)超調(diào)的單調(diào)上升過(guò)程，曲線的斜率為在t = 0 時(shí)曲線的變化率為零，隨著時(shí)間的推移，響應(yīng)過(guò)程的變化率為正，響應(yīng)過(guò)程單調(diào)上升；當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮時(shí)，變化率趨于零，響應(yīng)過(guò)程趨于常值1。拉氏逆變換3. 欠阻尼（0 1）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) p1和p2為共軛復(fù)根令 稱 d 為阻尼振蕩頻率取拉氏逆變換可得定義一個(gè)阻尼角 。其中 響應(yīng)曲線是振蕩且隨時(shí)間推移而衰減的；其振蕩頻率為阻尼振蕩頻率 ,共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)p1和p2實(shí)部的絕對(duì)值n決定了欠阻尼響應(yīng)的衰

48、減速度, n越大，即共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)離虛軸越遠(yuǎn)，欠阻尼響應(yīng)衰減得越快。而其虛部決定了階躍響應(yīng)的振蕩程度, 當(dāng) 減小時(shí)，特征根接近虛軸，遠(yuǎn)離了實(shí)軸，系統(tǒng)階躍響應(yīng)振蕩的幅值和頻率都增大了，階躍響應(yīng)振蕩得更激烈，平穩(wěn)性變差。4. 無(wú)阻尼（ =0）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)當(dāng) =0時(shí)，系統(tǒng)有一對(duì)共軛純虛根p1= jn，p2= -jn響應(yīng)曲線以頻率n做等幅振蕩，這便是稱n為無(wú)阻尼自然振蕩頻率這一名稱的由來(lái)，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為自然頻率。5. -1 0時(shí)二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)有一對(duì)具有正實(shí)部的共軛復(fù)根單位階躍響應(yīng)為阻尼比 為負(fù)，因此指數(shù)因子 具有正的冪指數(shù)，從而使單位階躍響應(yīng)為發(fā)散正弦振蕩的形式6. -1時(shí)二階系統(tǒng)的

49、單位階躍響應(yīng)特征方程具有兩個(gè)不相等的正實(shí)根單位階躍響應(yīng)式中指數(shù)因子為正的冪指數(shù)，從而使單位階躍響應(yīng)為單調(diào)發(fā)散的形式。二階系統(tǒng)的極點(diǎn)分布與階躍響應(yīng)3.3.2 二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)欠阻尼二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)輸入單位階躍信號(hào)和單位階躍響應(yīng)之間的誤差為誤差也是呈衰減正弦振蕩形式。當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，即當(dāng)t 時(shí)，有e(t )0，這表示二階系統(tǒng)的欠阻尼響應(yīng)能夠完全跟蹤輸入單位階躍信號(hào)，沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，即ess=02）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（1）上升時(shí)間t r 當(dāng)t =t r時(shí)，c (t r)=1由此可解得上升時(shí)間為增大自然頻率n 或減小阻尼系數(shù)，均能減小上升時(shí)間t r，從而加快系統(tǒng)的初始響應(yīng)速度。因?yàn)?（2

50、）延遲時(shí)間t d 當(dāng)t =t d時(shí)，c (t d )=0.5利用曲線擬合法，在較大的 值范圍內(nèi)，近似求得 當(dāng)0 1時(shí)，可近似為增大自然頻率n 或減小阻尼系數(shù) 都可以減小延遲時(shí)間。（3）峰值時(shí)間tp式 對(duì)t 求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)為零得根據(jù)峰值時(shí)間的定義，tp為第一個(gè)峰值所需的時(shí)間，故有峰值時(shí)間等于阻尼振蕩周期的一半，峰值時(shí)間與閉環(huán)極點(diǎn)的虛部數(shù)值d成反比，當(dāng)阻尼系數(shù)一定時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)離負(fù)實(shí)軸的距離越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的峰值時(shí)間越短。（4）最大超調(diào)量（簡(jiǎn)稱超調(diào)量） %最大超調(diào)量發(fā)生在峰值時(shí)間上，此時(shí)t =tp（5）調(diào)節(jié)時(shí)間ts進(jìn)入誤差帶%的最小時(shí)間因?yàn)?，包絡(luò)線為設(shè)t=ts時(shí) ，用ts近似ts，整理得0 0.8時(shí)，故左

51、式可近似為調(diào)節(jié)時(shí)間與閉環(huán)極點(diǎn)的實(shí)部數(shù)值即 n成反比。閉環(huán)極點(diǎn)離虛軸的距離越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間越短。由于阻尼系數(shù)的值是根據(jù)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的要求來(lái)確定的，所以調(diào)節(jié)時(shí)間主要由自然頻率n 決定。（6）振蕩次數(shù)N 0 t ts時(shí)，單位階躍響應(yīng)c (t ) 穿越其穩(wěn)態(tài)值c ()次數(shù)的一半 t f 為阻尼振蕩的周期時(shí)間有些動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)之間是互相矛盾的。例如超調(diào)量和上升時(shí)間，兩者難以同時(shí)獲得比較小的數(shù)值。如果要提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小上升時(shí)間，則需要使n很大， 較小，而這樣最大超調(diào)量必然比較大。在工程應(yīng)用中選擇動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)時(shí)，需要采取合理的折衷方案，使各項(xiàng)性能指標(biāo)都能達(dá)到相對(duì)最佳，以獲得較為滿意的綜合動(dòng)態(tài)性能。

52、阻尼系數(shù)可以選擇在0.4到0.8之間。較小的 值（ 0.8）將使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變得緩慢。工程上常取最佳阻尼系數(shù)= 0.707作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)2. 過(guò)阻尼（臨界阻尼）二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)過(guò)阻尼單位階躍響應(yīng)與輸入單位階躍信號(hào)的誤差為當(dāng) 1時(shí)，0T2時(shí)可得當(dāng) 遠(yuǎn)大于1時(shí)，二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由p1決定，這時(shí)過(guò)阻尼二階系統(tǒng)可以由具有極點(diǎn) p1的一階系統(tǒng)來(lái)近似表示。則系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間也可按一階系統(tǒng)的公式求取，即通過(guò)以上分析，對(duì)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可得出如下結(jié)論： 阻尼系數(shù)是二階系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，用它可以間接判斷一個(gè)二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。對(duì)過(guò)阻尼二階系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性為單調(diào)變化曲線，沒(méi)有超調(diào)振蕩，

53、但調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)遲緩。當(dāng) 0時(shí)，輸出響應(yīng)將出現(xiàn)等幅振蕩或發(fā)散，系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。 對(duì)于欠阻尼0 1二階系統(tǒng)，若過(guò)小，則超調(diào)量大，振蕩次數(shù)多，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)差。注意到超調(diào)量只與有關(guān)，所以一般根據(jù)超調(diào)量要求來(lái)選擇。 當(dāng)阻尼系數(shù)一定時(shí)，n越大，調(diào)節(jié)時(shí)間ts越小。 為了限制系統(tǒng)的超調(diào)量，并使調(diào)節(jié)時(shí)間較小，系統(tǒng)的阻尼系數(shù)一般應(yīng)擇在0.4至0.8之間，這時(shí)二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量將在25.4%和1.5%之間。例3-3 設(shè)二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如下圖3-20所示，確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。解：系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為3，故此系統(tǒng)的增益是3，故系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)形式應(yīng)為二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

54、最大超調(diào)量及峰值時(shí)間為對(duì)上式求解可得： = 0.33，n=33.2 rad/s，代入上面的閉環(huán)表達(dá)式有3.3.3 欠阻尼二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)輸入信號(hào)r (t )=t 時(shí)，二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)的拉氏變換式為進(jìn)行拉氏逆變換，可得欠阻尼（0 0 (0 i n)。勞斯穩(wěn)定判據(jù)為表的形式。表中前兩行是由系統(tǒng)的特征方程的系數(shù)直接構(gòu)成的，第一行為第1,3,5項(xiàng)系數(shù)組成，第二行為第2,4,6項(xiàng)系數(shù)組成，其他各行的數(shù)值按下表所示的規(guī)則逐行計(jì)算。每行中的各個(gè)數(shù)乘以一個(gè)正實(shí)數(shù)，不會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。勞斯判據(jù)： 若上述勞斯行列表中第一列所有元素均為正數(shù)，那么系統(tǒng)的所有特征根的實(shí)部均在s 平面的左邊，此即為系統(tǒng)穩(wěn)定

55、的充要條件。 若第一列中出現(xiàn)小于零的元素，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，且其符號(hào)變化的次數(shù)等于系統(tǒng)特征方程在s 右半平面根的數(shù)目。例3-5 系統(tǒng)的特征方程為s4+6s3+12s2+11s+6=0，試用勞斯判據(jù)判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解: 由所列方程可知所有系數(shù)均為正數(shù)，且不缺項(xiàng)，滿足穩(wěn)定性的必要條件，故需作進(jìn)一步的判別。列勞斯行列表如下因?yàn)樽蠖说牡谝涣懈髟鼐鶠檎龑?shí)數(shù)，故該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。事實(shí)上，D(s) = s4+6s3 +12s2 +11s+6=(s+2)(s+3)(s2+s+1)=0可解出四個(gè)特征根分別為：-2, -3和 ，均位于s 左半平面。對(duì)于特征方程為a0s3+a1s2+a2s+a3=0的三階系統(tǒng)，由其

56、勞斯表不難發(fā)現(xiàn)，只要其特征方程式的所有系數(shù)均大于零并且有：a1a2 a0a3，則其所表示系統(tǒng)的所有特征根均具有負(fù)實(shí)部。所以，判別三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性不一定要計(jì)算勞斯行列表，只要檢驗(yàn)特征方程的系數(shù)是否全部大于零且滿足式a1a2 a0a3即可。此外，二階系統(tǒng)只要特征方程的系數(shù)全部為正就一定是穩(wěn)定的。例3-8 設(shè)一單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為試確定使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的增益K 的范圍。解：閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為s(0.1s+1)(0.25s+1)+K=0 亦即0.025s3+0.35s2+s+K=0由特征方程式的所有系數(shù)均大于零有K0，再由a1a2 a0a3可得0.350.025K解之可得 K14故使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)

57、定的增益K的范圍是：0K14為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性且具有良好的動(dòng)態(tài)特性，不僅要求系統(tǒng)的全部特征根在s 左半平面且還希望能與虛軸有一定的距離，這個(gè)距離稱為穩(wěn)定度。為此，可用新的變量s1 = s+a 代入原系統(tǒng)的特征方程，從幾何上看，就是將s 平面的虛軸左移一個(gè)常值a，此值就是要求的特征根與虛軸的距離（即穩(wěn)定度）。此時(shí)，應(yīng)用勞斯判據(jù)判別以s1為變量的系統(tǒng)穩(wěn)定性，就相當(dāng)于確定原系統(tǒng)的穩(wěn)定度。如果這時(shí)能夠滿足穩(wěn)定條件，就說(shuō)明原系統(tǒng)不但穩(wěn)定，而且所有特征根均位于-a 的左側(cè)。例3-9 在例子3-8中，已求出增益K 的穩(wěn)定域?yàn)?K0，即K 0.675，再由a1a2 a0a3可得111540K-27 解之可得

58、 K4.8故系統(tǒng)的全部特征根均位于s-1的左側(cè)時(shí)，增益K 的允許調(diào)整范圍：0.675K4.8。顯然這要比原來(lái)的穩(wěn)定域0K14要小。兩種特殊情況：1）勞斯表中某行第一列元素為零，而該行其他元素不為零或不全為零用一個(gè)很小的正數(shù) 代替第一列的零元素，然后計(jì)算完勞斯表中其他項(xiàng)，表格計(jì)算完成后再令 0，進(jìn)行判斷，如果零（）上面的系數(shù)符號(hào)與零（）下面的系數(shù)符號(hào)相反，則說(shuō)明有兩次符號(hào)改變，系統(tǒng)有兩個(gè)特征根在右半s平面，故系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；如果零（）上、下的系數(shù)符號(hào)相同，則說(shuō)明系統(tǒng)存在純虛數(shù)形式的特征根，對(duì)應(yīng)響應(yīng)為等幅振蕩，故系統(tǒng)也是不穩(wěn)定的。由此可見(jiàn)，當(dāng)勞斯表的某行第一列出現(xiàn)零時(shí)，系統(tǒng)至多屬于臨界穩(wěn)定，或者說(shuō)

59、是不穩(wěn)定的。例3-10系統(tǒng)的特征方程為s4+3s3+s2+3s+1=0，試用勞斯判據(jù)判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：特征方程對(duì)應(yīng)的勞斯表為在表中第三行第一列元素出現(xiàn)零，用很小的正數(shù) 代替后繼續(xù)計(jì)算，當(dāng) 0時(shí)，顯然第四行第一列3-3/ 0 (0 i n)。 胡爾維茨行列式的各主子行列式全部為正值，即例3-13 假設(shè)系統(tǒng)的特征方程為 s4+50s3+200s2+400s+1000=0，試用胡爾維茨判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：系統(tǒng)特征方程的各項(xiàng)系數(shù)顯然均大于零，根據(jù)特征方程各項(xiàng)系數(shù)構(gòu)成的胡爾維茨行列式為各主子行列式為 1=50 02=50200-1400 =9600 03=40020050-14002-502

60、1000 =1.34106 04=31000 = 1.34109 0根據(jù)胡爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定。3.6 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差誤差的定義系統(tǒng)的類型給定穩(wěn)態(tài)誤差與擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差改善穩(wěn)態(tài)精度的方法3.6.1誤差的定義誤差的定義有兩種方法：（1）從輸入端可以定義為該誤差是用系統(tǒng)的偏差定義的，又稱作用誤差，是可以測(cè)量的，但作用誤差的理論含義不明顯。（2）從輸出端可以定義為即誤差就是期望輸出CR(s )與實(shí)際系統(tǒng)輸出C (s )的差，該誤差又稱系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的理論含義明顯，但一般難以測(cè)量，因此更多地具備數(shù)學(xué)意義。CR(s)定義為E(s)=0時(shí)的系統(tǒng)輸出，令E(s)=R(s)-H(s)CR(s)=0