自动控制原理复习总结(1)

自控复习重点

第二章 控制系统的数学模型复习指南与要点解析

要求： 根据系统结构图应用结构图的等效变换和简化或者应用信号流图与梅森公式求传递函数（方法不同，但同一系统两者结果必须相同）

一、控制系统3种模型，即时域模型----微分方程；※复域模型——传递函数；频域模型——频率特性。其中重点为传递函数。

在传递函数中，需要理解传递函数定义（线性定常系统的传递函数是在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换式与输入量的拉氏变换式之比）和性质。

零初始条件下：如要求传递函数需拉氏变换，这句话必须的。

二、※※※结构图的等效变换和简化--- 实际上，也就是消去中间变量求取系统总传递函数的过程。

1．等效原则：变换前后变量关系保持等效，简化的前后要保持一致（P45） 2．结构图基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。如果结构图彼此交叉，看不出3种基本连接方式，就应用移出引出点或比较点先解套，再画简。其中：

※引出点前移在移动支路中乘以G(s)。（注意：只须记住此，其他根据倒数关系导出即可）

引出点后移在移动支路中乘以1/G(s)。 相加点前移在移动支路中乘以1/G(s)。 相加点后移在移动支路中乘以G(s)。

[注]：乘以或者除以G(s)，G(s)到底在系统中指什么，关键看引出点或者相加点在谁的前后移动。在谁的前后移动，G(s)就是谁。 例1: 利用结构图化简规则，求系统的传递函数 C(s)/R(s) R(s)___H2(s)G2(s)G3(s)G1(s)H1(s)C(s)解法 1:

1) G3(s)前面的引出点后移到G3(s)的后面（注：这句话可不写，但是必须绘制出下面的结构图，表示你如何把结构图解套的）

R(s)___

H2(s)G2(s)G3(s)1/G3(s)G1(s)H1(s)C(s)2) 消除反馈连接

1

R(s)__G1(s)G2(s)G3(s)1?G2(s)G3(s)H2(s)H1(s)1/G3(s)C(s)3) 消除反馈连接

R(s)_

G1(s)G2(s)G3(s)1?G2(s)G3(s)H2(s)?G1(s)G2(s)H1(s)C(s)4) 得出传递函数

G1(s)G2(s)G3(s)C(s) ?R(s)1?G1(s)G2(s)H1(s)?G2(s)G3(s)H2(s)?G1(s)G2(s)G3(s)[注]：可以不写你是怎么做的，但是相应的解套的那步结构图必须绘制出来。一般，考虑到考试时间限制，化简结构图只须在纸上绘制出2-3个简化的结构图步骤即可，最后给出传递函数C(s)?。。。。） R(s)解法 2: G1(s)后面的相加点前移到G1(s)前面，并与原来左数第二个相加点交换位置，即可解套，自己试一下。

C(s)?一定相同） [注]：条条大路通罗马，但是其最终传递函数R(s)[注]：※※※比较点和引出点相邻，一般不交换位置※※※，切忌，否则要引线） 三. ※※※应用信号流图与梅森公式求传递函数

1n梅森公式： P??Pk?k

?k?1式中，P —总增益；n —前向通道总数；Pk —第k条前向通道增益；

△—系统特征式，即??1??La??LbLc??LdLeLf??

Li —回路增益；

∑La —所有回路增益之和；

∑LbLc —所有两个不接触回路增益乘积之和； ∑LdLeLf —所有三个不接触回路增益乘积之和；

△k—第k条前向通道的余因子式，在△计算式中删除与第k条前向通道接触的回路。 [注]：一般给出的是结构图，若用梅森公式求传递函数，则必须先画出信号流图。 注意2：在应用梅森公式时，一定要注意不要漏项。前向通道总数不要少，各个回路不要漏。

例2: 已知系统的方框图如图所示 。试求闭环传递函数C(s)/R(s) (提示：应用信号流图及梅森公式)

G4 +

C(s) R(s) G3 G1 + G2 + + - - H2 H1 + H3 - G5 解1）：绘制信号流图 G4 G2 R(s) G1 -H2 - H1 [注]：别忘了标注箭头表示信号流向。 - G5 2) 应用梅森公式求闭环传递函数: 前向通道增益 P1?G1G2G3；P2?G4G3； 回路增益

G3 H3 C(s) 2

L1??G2H2；L2??G1G2G3H3H1；L3??G5；L4??G3G4H3H1 特征式

??1?G2H2?G1G2G3H1H3?G5?G3G4H3H1?G2G5H2； 余因子式（对应各个前项通道的）

?1?1?G5；?2?1?G5；------经验：一般余因子式不会直接等于1，不然太简单了

(G1G2?G4)G3(1?G5)C(s)闭环传递函数 ?R(s)1?G2H2?G1G2G3H1H3?G5?G2G5H2四、知道开环传递函数的定义，并会求闭环系统的传递函数 1．开环传递函数，如图：

N(s)R(s)?(s)-B(s)R(s)+（若R(s)G1(s)X1(s)X2(s)G2(s)C(s)H(s)G(s)H(s)??(s)G(s)B(s)?G1(s)G2(s)H(s) ?(s)C(s) -E(s)-H(s)C(s)，则G(s)H(s)?B(s)?G(s)H(s) ?(s)G(s)若，则G(s)H(s)?G(s)------常见）

2．四个闭环系统的传递函数----特点分母相同，即特征方程相同

G1(s)G2(s)C(s)（通常说的输出对输入的传递函数）； ?(s)??R(s)1?G1(s)G2(s)H(s)G2(s)C(s) ?n(s)??N(s)1?G1(s)G2(s)H(s)?(s)1 ??(s)??R(s)1?G1(s)G2(s)H(s)?G2(s)H(s)?(s) ??n(s)??N(s)1?G1(s)G2(s)H(s) [注]：后面求稳态误差需要

第三章 线性系统的时域分析

要求：1） 会分析系统的时域响应c(t)，包括动态性能指标；

2） 会用劳斯判据判定系统稳定性并求使得系统稳定的参数条件； 3）会根据给出的系统结构图，求出系统稳态误差，并减小或消除之。

一、时域分析方法和思路：已知系统输入r(t)和系统模型?(s)，求时域响应c(t)。

例1：求一阶系统的单位阶跃响应。

1，则 s111T11?????2）C(s)??(s)R(s)? Ts?1ssTs?1ss?1/T3）对上式取拉氏反变换，得其响应单位阶跃信号的响应为：

1）输入r(t)?1(t)，则其拉氏变换为R(s)? 3

c(t)?css?cts?1?e?t/T,t?0

[注1]：※※css为稳态分量，它的变化由输入信号的形式（上例中r(t)?1(t)）决定；

※ ※cts（上例中cts??e?t/T）为暂态分量，由闭环传递函数的极点（上例中s??1）决定。 T二、线性系统稳定的充要条件是闭环特征根均需具有负实部或者说?(s)的极点都在在s平面右半部分。---系统稳定性是系统本来的固有特性，与外输入信号无关。

1．只有当系统的特征根全部具有负实部时，系统达到稳定。

2．如果特征根中有一个或一个以上具有正实部，则这表明系统不稳定；

3． 如果特征根中具有一个或一个以上的零实部根，而其余的特征根均具有负实部，则脉冲响应函数趋于常数，或者趋于等幅正弦(余弦)振荡，称为临界稳定。

[注2]： 根据如果?(s)极点都在s平面左半部分，则暂态分量cts随时间增大而衰减为0；

如果?(s)极点有一个都在s平面右半部分，则暂态分量cts随时间增大而发散。 三、※※※二阶系统单位阶跃响应及其欠阻尼情况下指标计算

1．熟悉二阶系统单位阶跃响应的3个对应关系，即：

不同阻尼比?类型—不同单位阶跃的时间响应波形图c(t)---不同系统稳定性

2．二阶系统欠阻尼单位阶跃响应的指标计算：欠阻尼二阶系统上升时间、峰值时间、调节时间、超调量计算（公式必须牢记）

???????? tr? tp???22?d?n1???d?n1???%??p?c(tp)?c(?)c(?)???1??2?100%?e?100%，ts?4??n,??0.02,或ts?3??n,??0.05

其中，阻尼角??arctan2，阻尼振荡频率 ?d??n1?? ? R(s) + 例2：2004年考题已知控制系统如图所示，

1??2(1) 确定使闭环系统具有??0.7及?n?6(rad/s)的k值和?值； (2) 计算系统响应阶跃输入时的超调量?p和峰值时间tp。

2?nk解：(1) ?(s)?2； ?2s?(6?k?)s?ks2?2??ns??nE(s) + - - G1 H C(s) G1(s)?k；H(s)??s s(s?6)2??n?k?36?k?36?, 则 ??????0.067?2??n?6?k?2?1/2 (2) ?%?exp(???[1??])?4.6%；tp??/?d?0.733s。

例3 2006年考题：已知控制系统如图所示，

R(s) + Gbr + E(s) + - - G H C(s) + G(s)?k；H(s)??s s(s?6)

在Gbr(s)?0时，闭环系统响应阶跃输入时的超调量?p?4.6%、峰值时间tp?0.733秒，确定系统的k值和?值；

4

2?nk解：(1) ?(s)?2； ?22s?(6?k?)s?ks?2??ns??n2???%?4.6%???0.7?k?36?k??n；则则 ?????6?k??2??n???0.067?tp?0.733??n?6四、附加闭环负实零点对系统影响

具有闭环负实零点时的二阶系统分析对系统的作用表现为：

1. 仅在过渡过程开始阶段有较大影响；

2. ※附加合适的闭环负实零点可使系统响应速度加快，但系统的超调量略有增大； 3. ※负实零点越接近虚轴，作用越强。

五、高阶系统的时域分析---利用闭环主导极点降阶

如果在系统所有的闭环极点中，距离虚轴最近的闭环极点周围没有闭环零点，而其他闭环极点又远离虚轴，且满足

|Resi|?|5|Res1|

式中，s1——为主导极点； si——为非主导极点。

则距离虚轴最近的闭环极点所对应的响应分量随着时间的推移衰减得最慢，从而在系统的响应过程中起主导作用。一般闭环主导极点为共轭闭环主导极点或者一个实闭环主导极点。 六、※※※利用劳斯判据判定系统稳定性并求使得系统稳定的参数条件。

1．※根据特征方程：D(s)?ansn?an?1sn?1???a1s?a0?0，则线性系统稳定的充要条件是劳斯表首列元素均大于零；首列系数符号改变次数与分布在s平面右半部的极点个数相同。 2．劳斯表特殊情况时，系统临界稳定或者不稳定。

3． 如果系统稳定，则特征方程D(s)?ansn?an?1sn?1???a1s?a0?0系数同号且不缺项； 4．※利用劳斯判据判定系统稳定性

例4: 已知系统结构图，试用劳斯稳定判据确定使闭环系统稳定的k 的取值范围。

R(s)-ks(s2?s?1)(s?2)C(s)解：?(s)?k整理， 2s(s?s?1)(s?2)?kk?(s)?4从高到低排列特征方程系数

s?3s3?3s2?2s?kS4 S3

列劳斯表：

1 3

S2 7/3 S1 (14-9 k)/7 S0 k

3

2 k 0

k 0

如果劳斯表中第一列的系数均为正值，因此，

14?9k?0,k?14/9，且k?0。所以0?k?14/9。 7七、※※※稳态误差以及减小或者消除稳态误差

1. 稳态误差定义：ess?lime(t)?limL?1[E(s)]?limL?1[?e(s)R(s)]

t??t??t?? 5

工程上一般相角裕度??30?~70?，幅值裕度h(dB)?20lgh?6dB 例7 一单位反馈系统的开环传递函数为

G(s)?K,K?0

s(0.2s?1)(0.05s?1)? 频率特性G(j?)?解：试求K=1时系统的相位裕度和增益裕度。

K

j?(j0.2??1)(j0.05??1)1）G(j?c)?11??1

j?c(j0.2?c?1)(j0.05?c?1)?c(0.04?c2?1)(0.0025?c2?1)?c?1

??180???(?c)?180??(?90??tan?10.2?c?tan?10.05?c)?180??104??76?

2）?(?x)??90??tan?10.2?x?tan?10.05?x??180?

tan?10.2?x?tan?10.05?x?90?

tan(?1??2)?0.2?x?0.05?xtan?1?tan?2??? 1?0.2?x?0.05?x?0 ?x?10

1?tan?1tan?21?0.2?x0.05?x1j10(1?j2)(1?j0.5)

h(dB)??20lg?20lg10?20lg1?4?20lg1?0.25?20?7?1?28dB六、※※开环对数幅频特性的※三频段理论---后面校正设计用 1．低频段决定了系统稳态精度。

低频段通常是指20lg|G(j?)H(j?)|的开环对数渐近曲线在第一个转折频率以前的区段，这一段的特性完全由积分环节v和开环增益K决定。

La(?)?20lgK?v20lgK?20vlg?0?0

?20lgK?v20lg?

2．中频段是指L(?)穿过0dB线(即?c附近)的频段，其斜率及宽度(中频段长度)集中反映了动态响应中的平稳性和快速性（见幻灯片）。一般的，中频段在?c附近以斜率为?20dB/dec下降的直线。

3． 高频段指L(?)曲线在中频段以后的区段，反映出系统的低通滤波特性，形成了系统对高频干扰信号的抑制能力（见幻灯片）。

第六章 线性系统的校正方法

要求： 1） ※※※※在三频段理论基础上，能够熟练应用基于频率法的串联超前、滞后和滞后—超前校正设计需要的系统。

2）至于根轨迹校正，要求掌握其基本原理（与基于频率法的串联超前、滞后和滞后—超前校正可以相对应），但是由于计算起来太繁杂，一般不采用。

一、基本控制规律 P、 PI（滞后，改善稳态性能）、PD（超前，改善动态性能）、 PID 的特点 二、掌握基于频率法的串联超前、滞后和滞后—超前校正原理和特点 1．原理：G(j?)?GC(j?)G0(j?)

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R(s)??? 串联滞后校正：

Gc(s)G(s)C(s)H(s)

保证动态性能不变情况下，提高系统稳态性能； 利用滞后校正装置高频幅值衰减特性--低频区； ? 串联超前校正：

提高相角裕度，改善系统动态性能； 利用超前校正装置相角超前特性--中频区；

? 两者可以放在同一个系统中使用，组成滞后—超前校正

2．典型的频率域指标是?c，?，K等指标，一般选择?c， K，主要验证?。

3．※※校正方法的选取：判断方法要会。如果题目已经明确要求采用何种校正装置，就不需要选择方法，即跳过这部分。

如果?c??c0-超前校正。

如果?c??c0，且?0(j?c)??---滞后校正。 如果?c??c0，且?0(j?c)??--滞后—超前校正。

[注]：要求串联超前、滞后和滞后—超前校正的原理

4．※※※※校正步骤：只需要记住一种就是滞后—超前校正步骤，所有的都包括了。但是注意，一定要验证※※※※。[注]：一般无需指标间的转换，一定要有步骤（因有步骤分）。 例：2007设单位反馈系统的开环传递函数为G0(s)?串联校正，要求：

1、当输入信号为r(t)?t时，稳态误差ess?0.001 2、截止频率?c?10rad/s 3、相角裕度??350

解：因为ess?0.001，所以Kv?1000，取k=Kv，作G0(j?)图。

[注意： 本题已经给出具体装置类型，不用判断校正装置，如果没有明确，则： 由图可知，?c0?27rad/s，（或者用A(?c0)?1求） ?G0(j?c0)??90??arctg27?arctg0.007?27??188.60 ??180???G0(j?c0)??8.6??45? 又因为?c??c0

所以采用滞后-超前校正装置进行校正。（2分） 1、超前参数确定（5分）

k，试采用滞后-超前校正装置进行

s(s?1)(0.007s?1)?G0(j?c)??90??arctg10?arctg0.007?10??178.30?m???[18??0?G0j?(c?)]??35??1.7?

(?5?1?0 )17

401?0.047

?1?m4.602?10?Ts?10.2145s?1则超前校正为Gc1(s)?11 ?T1s?10.047s?12、确定滞后校正参数：（5分）

此时，滞后校正的原系统为：G'(s)?G0(s)Gc1(s)?1000(0.2145s?1)

s(s?1)(0.007s?1)(0.047s?1)?21.366

1?sin?m1.643??4.602，

1?sin?m0.3571取?m??c?10，则T1??则?1??c?10时，|G(j?c)|??2?'10002.1452?1101010.07?10.47?12211??0.047(?2?1)

|G'(j?c)|21.36611取??c?1，则?2T2?1，所以T2?21.366 ?2T210?Ts?1s?1所以滞后校正为Gc2(s)?22 ?T2s?121.366s?1G(s)?G0(s)Gcc(s)Gcz(s)?1000(0.2145s?1)

s(0.007s?1)(0.047s?1)(21.366s?1)3、验证：（3分）

1）Kv?1000s?1，当输入信号为r(t)?t时，稳态误差ess?0.001 2）当?c?10时， |G(j?c)|?1

?G(j?c)??90??arctg0.245?10?arctg0.007?10?arctg0.047?10?arctg21.366?103

??141.110??180???G(j?c)?38.89??35?

(0.2145s?1)(s?1)所以，以Gc(s)?为串联校正装置，符合系统设计指标要求。

(0.047s?1)(21.366s?1)

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