自動(dòng)控制原理(胡壽松)5.0經(jīng)典自動(dòng)控制原理ppt課件

1、1,說明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)先看看各章說明，即可理解其含意。,2,課件3 6為第一章的內(nèi)容。制作目的是節(jié)省畫圖時(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)部分是反過來說，如合并的綜合點(diǎn)可以分開等。最后一條特別要

2、講清楚，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)。,說明2,3,說明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要說明這是無零點(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)問題答案：1系統(tǒng)穩(wěn)定且,；,2非單位反饋輸出端定義的誤差,可通過等效變換后使

3、用；3 系統(tǒng)穩(wěn)定。,4,說明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為開環(huán)極點(diǎn)數(shù)，m為開環(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，然后再介紹零度根軌跡的模值方程和相角方程。,5,說明5,課件446

4、3為第五章內(nèi)容 課件44要說明幾個(gè)問題：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)沒必要改為正弦。 課件57種的幾點(diǎn)說明內(nèi)容為：1. 增加k 值曲線上下平移，2. 取不同的值時(shí)，修正值不同，詳細(xì)情況參考課件57。,6,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

5、,飛機(jī)示意圖,給定電位器,反饋電位器,8,給定裝置,放大器,舵機(jī),飛機(jī),反饋電位器,垂直陀螺儀,0,c,擾動(dòng),俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖,飛機(jī)方塊圖,9,液位控制系統(tǒng),控制器,減速器,電動(dòng)機(jī),電位器,浮子,用水開關(guān),Q2,Q1,c,if,SM,10,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,11,結(jié)構(gòu)圖三種基本形式,串 聯(lián),并 聯(lián),反 饋,12,結(jié)構(gòu)圖等效變換方法,13,引出點(diǎn)移動(dòng),G1,G2,G3,G4,H3,H2,H1,a,b,請(qǐng)你寫出結(jié)果,行嗎？,14,綜合點(diǎn)移動(dòng),錯(cuò)！,G2,無用功,向同類移動(dòng),G1,15,作用分解,16,Pk從R(s)

6、到C(s)的第k條前向通路傳遞函數(shù),梅遜公式介紹 R-C,=,其中:,k求法:,k=1-LA+ LBLC- LDLELF+,17,梅遜公式例R-C,18,P1=1,1=1+G2H2,P11= ?,E(s)=,(G2H3),R(s) ,N(s),(1+G2H2),(- G3G2H3),+,+,P2= - G3G2H3,2= 1,P22=?,梅遜公式求E(s),P1= G2H3,1= 1,19,e,1,a,b,c,d,f,g,h,C(s),R(s),C(s),R(s),=,1,+,+,信號(hào)流圖,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

7、分析 3-4 穩(wěn)定性分析 3-6 穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算,21,B,動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義1,22,上升時(shí)間tr,調(diào)節(jié)時(shí)間 ts,動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義2,23,動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義3,24,一階系統(tǒng)時(shí)域分析,單 位 脈 沖 響 應(yīng),單位階躍響應(yīng),h(t)=1-e-t/T,h(0)=1/T,h(T)=0.632h(),h(3T)=0.95h(),h(2T)=0.865h(),h(4T)=0.982h(),單位斜坡響應(yīng),T,c(t)=t-T+Te-t/T,r(t)= (t) r(t)= 1(t) r(t)= t,25,1,1,0 1,0,2,(s)=,s2+2 ns+n2,二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)定性分析,過阻尼,臨界阻尼,

8、零阻尼,欠阻尼,26,欠阻尼二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析與計(jì)算,n,0 1時(shí)：,- n,（0 0.8）,27,設(shè)系統(tǒng)特征方程為：,s6+2s5+3s4+4s3+5s2+6s+7=0,勞 思 表,(64)/2=1,1,(10-6)/2=2,2,7,1,0,(6-14)/1= -8,-8,勞思表介紹,勞斯表特點(diǎn),4 每?jī)尚袀€(gè)數(shù)相等,1 右移一位降兩階,2 勞思行列第一列不動(dòng),3 次對(duì)角線減主對(duì)角線,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),28,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

9、號(hào)的次數(shù)為特征根在s右半平面的個(gè)數(shù)!,均大于零!,29,勞思表出現(xiàn)零行,設(shè)系統(tǒng)特征方程為：,s4+5s3+7s2+5s+6=0,勞 思 表,5,1,7,5,6,6,6,0,1 勞斯表何時(shí)會(huì)出現(xiàn)零行?,2 出現(xiàn)零行怎么辦?,3 如何求對(duì)稱的根?,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,1,第一列全大于零,所以系統(tǒng)穩(wěn)定,錯(cuò)啦!,由綜合除法可得另兩個(gè)根為s3,4= -2,-3,30,誤差定義,輸入端定義：,E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-C(s)H(s),輸出端定義：,E(s)=R(s)-C(s),En(s)=C希-C實(shí)= Cn(s),31,典型輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)誤差

10、系數(shù),R(s)=R/s,r(t)=R1(t),r(t)=Vt,R(s)=V/s2,r(t)=At2/2,R(s)=A/s3,32,取不同的,r(t)=R1(t),r(t)=Vt,r(t)=At2/2,型,0型,型,R1(t),Vt,0,0,0,At2/2,k,k,0,靜態(tài)誤差系數(shù),穩(wěn)態(tài)誤差,小結(jié)：,1,2,3,非單位反饋怎么辦？,啥時(shí)能用表格？,表中誤差為無窮時(shí)系統(tǒng)還穩(wěn)定嗎?,33,減小和消除誤差的方法(1,2),1 按擾動(dòng)的全補(bǔ)償,令R(s)=0,En(s) = -C(s) =,令分子=0，得Gn(s) = - (T1s+1)/k1,這就是按擾動(dòng)的全補(bǔ)償,t從0全過程,各種干擾信號(hào),2 按擾

11、動(dòng)的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償,設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，N(s)=1/s ,則,Gn(s)= -1/k1,34,令N(s)=0, Er(s)=,令分子=0，得Gr(s)=,s (T2s+1)/ k2,3 按輸入的全補(bǔ)償,設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，R(s)= 1/s2 則,4 按輸入的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償,減小和消除誤差的方法(3,4),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,注意：,K一變，一組根變；,K一停，一組根停；,一組根對(duì)應(yīng)同一個(gè)K；,根軌跡概念,k=0時(shí)， s1=0, s2=2,0k0.5 時(shí)，兩個(gè)負(fù)實(shí)根 ；若s1=0.25, s2=?,k=0.5 時(shí)，s1=s2=1,演示r

12、ltool,37,G,H,閉環(huán)零極點(diǎn)與開環(huán)零極點(diǎn)的關(guān)系,38,模值條件與相角條件的應(yīng)用,s1=-0.825 s2,3= -1.09j2.07,2.26,2.11,2.072,K*=,= 6.0068,92.49o- 66.27o- 78.8o- 127.53o= 180o,-1.09+j2.07,求模求角例題,-0.825 =0.466 n=2.34,39,根軌跡方程,特征方程 1+GH = 0,1,+,K*,這種形式的特征方程就是根軌跡方程,40,根軌跡的模值條件與相角條件,-1,41,繪制根軌跡的基本法則,1,根軌跡的條數(shù),2,根軌跡對(duì)稱于 軸,實(shí),就是特征根的個(gè)數(shù),3,根軌跡起始于,終止

13、于,開環(huán)極點(diǎn),開環(huán)零點(diǎn),4,n-m條漸近線對(duì)稱于實(shí)軸,均起于a 點(diǎn),方,向由a確定:,k= 0,1,2, ,5,實(shí)軸上的根軌跡,6,根軌跡的會(huì)合與分離,1 說明什么,2 d的推導(dǎo),3 分離角定義,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,k= 0,1,2, ,無零點(diǎn)時(shí)右邊為零,L為來會(huì)合的根軌跡條數(shù),7,與虛軸的交點(diǎn),或,8,起始角與終止角,42,根軌跡示例1,43,根軌跡示例2,j,0,n=1;d=conv(1 2 0,1 2 2);rlocus(n,d),n=1 2;d=conv(1 2 5,1 6 10);rlocus(n,d),44,零度根軌跡,特征方程為以下形式時(shí)，繪制零

14、度根軌跡,請(qǐng)注意：G(s)H(s)的分子分母均首一,45,零度根軌跡的模值條件與相角條件,零度,46,繪制零度根軌跡的基本法則,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,頻率特性的概念,設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖，,由勞思判據(jù)知系統(tǒng)穩(wěn)定。,給系統(tǒng)輸入一個(gè)幅值不變頻率不斷增大的正弦，,Ar=1 =0.5,=1,=2,=2.5,=4,曲線如下:,給穩(wěn)定的系統(tǒng)輸入一個(gè)正弦，其穩(wěn)態(tài)輸出是與輸入,同頻率的正弦，幅值隨而變，相角也是的函數(shù)。,49,A,B,相角問題, 穩(wěn)態(tài)輸出遲后于輸入的角度為：,該角度

15、與有,A,B,該角度與初始,50,頻率特性,設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，則正弦輸入時(shí)輸出為：,C(s)=(s)R(s)=,Cs(s)=,ct()=0,系統(tǒng)穩(wěn)定，,頻率特性,51,對(duì)數(shù)坐標(biāo)系,52,倒置的坐標(biāo)系,53,積分環(huán)節(jié)L(),-20,-20,-20,54,+20,+20,+20,微分環(huán)節(jié)L(),55,慣性環(huán)節(jié)G(j),() = -tg-10.5 ,0,1,-14.5,0.97,-26.6,0.89,-45,0.71,-63.4-68.2 -76 -84,0.450.370.240.05,56,慣性環(huán)節(jié)L(),-20,-20,26dB,57,一階微分L(),+20,+20,58,振蕩環(huán)節(jié)G(j),(0 1

16、),(0 0.707),59,振蕩環(huán)節(jié)G(j)曲線,（Nyquist曲線）,60,振蕩環(huán)節(jié)L(),-40,61,振蕩環(huán)節(jié)再分析,n,r,-40,2,n,n,2,2,n,S,2,S,k,(s),G,w,+,w,+,w,=,62,二階微分,幅相曲線,對(duì)數(shù)幅頻漸近曲線,+40,n,幾點(diǎn)說明,0 0.707時(shí)有峰值：,63,繪制L()例題,-20,-40,-20,-40,例題1：繪制 的幅相曲線。,解：,求交點(diǎn)：,曲線如圖所示：,開環(huán)幅相曲線的繪制,無實(shí)數(shù)解，與虛軸無交點(diǎn),穩(wěn)定裕度的定義,若z=p-2N中p=0,則G(j)過(-1,j0)點(diǎn)時(shí)，,系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，見下圖：,G(j)曲線過(-1, j0)點(diǎn)

17、時(shí)，,同時(shí)成立！,特點(diǎn)：, G(j) = -180o,G(j),66,j,0,1,c,x,G(j),G(jc),G(jc) = 180o,穩(wěn)定裕度的定義續(xù)1,-1,67, G(jc),20lg,穩(wěn)定裕度的定義續(xù)2,68,第六章 線性系統(tǒng)的校正方法,6-1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正 6-2 串聯(lián)超前校正 6-3 串聯(lián)滯后-超前校正,69,超前校正網(wǎng)絡(luò),a1,低頻段：1 (0dB),轉(zhuǎn)折頻率：,斜 率：,+20,-20,得,Lc(m)=10lga,70,例6-3,系統(tǒng)如圖,試設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)，,使r(t)=t 時(shí),71,遲后校正網(wǎng)絡(luò),b1,低頻段： 1 (0dB),72,例6-4,設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)使圖示系統(tǒng),

18、OK,73,滯后-超前校正網(wǎng)絡(luò),-10lg,m,-20lg,74,例6-5,設(shè)未校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如下，試設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)使： 1）在最大指令速度為180/s時(shí)， 位置滯后誤差不超過1o; 2) 相角裕度為 45o3o; 3) 幅值裕度不低于10dB; 4)動(dòng)態(tài)過程調(diào)節(jié)時(shí)間ts不超過3秒。,75,由(6-8) (6-10)求得,j0(3.5) = -180o,L0(3.5)=26.8dB,采用滯后超前校正,a=50,例6-5圖1,26.8,76,例6-5圖2,ts=1.65s,77,第七章 線性離散系統(tǒng)分析,7-1 信號(hào)的采樣與保持 7-2 z變換 7-3 脈沖傳遞函數(shù) 7-4 離散系統(tǒng)性能,7

19、8,零階保持器,T=0.4,T=0.8,T=0.2,T=3,79,Z域等效變換,1(t)+t*=1(t)*+t*,E*(s),80,采樣信號(hào)的頻譜,s=2/T為采樣角頻率,Cn是傅氏系數(shù),其值為：,連續(xù)信號(hào)的頻譜為,采樣信號(hào)的頻譜為,h,-h,0,h,-h,0,s,2s,3s,-3s,-2s,-s,s = 2h,濾波器的寬度滿足什么,條件時(shí)能從,得到,?!,s 2h,或：,T/h,81,脈沖響應(yīng),82,脈沖響應(yīng),83,脈沖響應(yīng),84,脈沖傳遞函數(shù)的意義,c*(t),G(z),r*(t)=(t),c(t)=K(t),r*(t)=(t-T),c(t)=K(t-T),r*(t)=r(nT)(t-nT),c(t)= r(nT)K(t-nT),線性定常離散系統(tǒng)的位移不變性,根據(jù)離散卷積定義得知,下式右邊的Z變換為R(z)K(