自动控制原理复习课件

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控制原理复习总结内容：1、控制系统的基本概念 2、控制系统的数学描述方法 (1)微分方程 — 基础 (2)传递函数(包括方块图和信号流图)— 最常用 的 (3)状态方程 — 描述复杂系统 3、控制系统的三大分析方法 (1)时域分析方法 (2)根轨迹分析方法 (3)频率特性分析方法自动控制原理 武汉理工大学自动化学院

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第一章 概论基本概念：1、控制系统的组成 2、开环控制与闭环控制及反馈控制 3、定值控制与随动控制系统

控制系统研究的主要内容： 1、系统分析：静态特性和动态特性 2、系统设计：根据要求的性能指标设计控制系统 对控制系统的基本要求： 稳定性 准确性：稳态误差小 快速性：动态响应快，调节时间短，超调量小自动控制原理 武汉理工大学自动化学院

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一、自动控制系统的组成

被控对象： 设定值r: 控制量u: 输出量y: 偏差信号 e: e=x-y。扰动信号f:

二、开环控制与闭环控制反馈的作用是减小偏差，信号闭合回路，控制系统中一般采 用负反馈方式自动控制原理 武汉理工大学自动化学院

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三、定值控制系统、随动控制系统区别在于给定值的形式。 定值控制：系统的给定值为恒定值，扰动作为系统的输入，

定值控制系统的目的是克服扰动的影响，使系统的输出维持在给定值附近。

随动控制：给定值随时间变化，是时间的未知函数，给定值作为系统的输入量。随动控制系统的目的是使得系统的输出 能够准确地跟踪给定值的变化轨迹。 程序控制：给定值随时间变化，是时间的已知函数。自动控制原理

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第二章 控制系统的数学模型

主要内容：1、基本概念

2*、描述系统动态模型的3种形式及相互转换(1)微分方程

(2)传递函数(包括方块图和信号流图)(3)状态方程 3、建立数学模型的步骤及简单对象的数学模 型 * 为重点武汉理工大学自动化学院

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一、基本概念1、数学模型： 控制系统各变量间关系的数学表达式。 2、动态过程与静态过程： (1)动态响应( 动态特性) 从初始状态→终止状态

(2)静态响应( 静态特性) t →∞, y(∞)Δ=2%。Δ=5%(ts)3、线性系统与非线性系统：根据描述系统方程的形式划分的。 线性系统的方程是输入和输出量x、y及它们各阶导数的线性形 式。 线性系统的性质：可叠加性和均匀性(齐次性)。 本学期研究的主要是线性定常系统。

4、建立系统的数学模型的两种方法：(1)机理分析法：(2)实验辨识法：

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二、传递函数 初始条件为零 的线性定常系统: 输出的 定义：拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。

基

本性质：微分定理 L[ f (t )] sL[ f (t )] f ( 0) s[ sF ( s ) f ( 0 )] f ( 0) s 2 F ( s ) sf ( 0) f ( 0)

积分定理(初始条件为零), L[ f ( t )dt ] 1 F ( s ) s 位移(滞后)定理 终值定理 初值定理t

L[ f ( t )] e s F ( s )零点与极点：例： G ( s ) K ( s 1) ( s 2 )( s 3 )s 0

lim f ( t ) lim sF ( s )lim f ( t ) lim sF ( s )t 0 s

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典型环节的传递函数：(1)比例环节：

y ( t ) kx( t )dy dt y kxdx dt

kk Ts 1k (Td s 1) Ts 1k as 2 bs c

(2)一阶惯性(滞后)环节： T (3)一阶超前-滞后环节：T (4)二阶环节： ady dt

y k [Td

x]

d2y dty 2

b

dy dt

cy kx1 Fs

1 F

(5)积分环节：(6)PID环节：

xdt1 Ti

y kc ( x

xdt T

dx dt

d

)

k c (1

1 Ti s

Td s )

(7)纯滞后环节： y ( t ) x ( t ) (8)带有纯滞后的一阶环节：T dt

e sdy( t ) y ( t ) Kx ( t )K Ts 1 e s

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三、结构图

结构图：应用函数方块描述信号在控制系统中传输过程的

图解表示法。

注意：画图的规范性：方块-传递函数-变量(拉氏 变换式)-有向线段(箭头)-符号自动控制原理 武汉理工大学自动化学院

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基本连接形式：1、串联：串联环节总的传递函数等于各环节传递函数的乘积。 2、并联：并联环节总的传递函数等于各环节传递函数之和。

3、反馈：负反馈： (s) Y (s) X (s) G (s) 1 G (s) H (s) E (s) X (s) Z (s)

G(s): 前 向 通 道 传 递 函 数 ， H(s): 反 馈 通 道 传 递 函 数 ，G(s)H(s):开环传递函数 1+ G(s)H(s)=0:闭环特征方程。 单位反馈系统： ( s ) G ( s ) 正反馈：自动控制原理 (s)

1 G (s)G (s) 1 G (s) H (s) E ( s) X ( s) Z ( s)

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方块图的等效变换规则：1、在无函数方块的支路上，相同性质的点可以交换，不同性质的点不可交换 2、相加点后移，乘G;相加点前移加除G。

3、分支点后移，除G;分支点前移，乘G。注意： (1)尽量利用相同性质的点可以交换这一点，避免不同性质

的点交换。(2)相加、分支点需要跨越方块时，需要做相应变换，两者

交换规律正好相反。 (3)交换后，利用串、并、反馈规律计算。自动控制原理 武汉理工大学自动化学院

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四、信号流图信号流图是一种表示系统各参数关系的一种图解法， 利用梅逊公式，很容易求出系统的等效传递函数。 梅逊公式总增益：P 1

P k k

k

,

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例: 利用结构图等效变换法则求下图的传递函数R (s )G1 ( s )

G2 ( s )

H

2 (s)

G3 ( s )

G4 ( s )H 3 (s)

C (s )

解:

H1 (s) G2 ( s ) H 2 ( s ) G3 ( s )G4 ( s ) H 3 ( s )

R (s )

G1 ( s )G2 ( s )

G4 ( s )

C (s )

G1 ( s )G2 ( s )G4 ( s ) H 1 ( s )

R (s )

G1 ( s )G2 ( s )

G3 ( s )

G4 ( s )

C (s )

G1 ( s )G2 ( s )G4 ( s ) H 1 ( s ) G2 ( s ) H 2 ( s ) G4 ( s ) H 3 ( s )

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由上图得 (s) C (s) G1 ( s )G 2 ( s )G3 ( s )G 4 ( s ) R ( s ) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )G4 ( s ) H 1 ( s ) G 2 ( s )G3 ( s ) H 2 ( s ) G 4 ( s )G3 ( s ) H 3 ( s )

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第三章 控制系统的时域分析方法 主要内容：1、一阶惯性系统的单位阶跃响应，T、K的物理意义。2、标准二阶系统的单位阶跃响应，ζ和ωn、ωd 的物理 意义。

3、高阶闭环主导极点的概念4、控制系统单位阶跃响应过程的质量指标，ts,tp,σ 5、控制系统稳态误差 6 、劳斯稳定判据 7、常规PID调节器的控制规律(调节器的形式和作用的 定性分析)自动控制原理

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