航海自動(dòng)化Chp03.

1、第三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的差異來(lái)劃分一、根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的差異來(lái)劃分連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng) 離散時(shí)間系統(tǒng)離散時(shí)間系統(tǒng) 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型常用微分方程描述連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型常用微分方程描述: a0y(n) +a1y(n-1)+ an-1y+ an y =b0 x(m) +b1 x (m-1) + bm-1 x+ bm x 其中其中x 代表輸入函數(shù)，代表輸入函數(shù)， y 代表輸出函數(shù)。代表輸出函數(shù)。線性系統(tǒng)迭加性線性系統(tǒng)迭加性非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng) 時(shí)不變系統(tǒng)時(shí)不變系統(tǒng) 最常見(jiàn)的系統(tǒng)是線性定常系統(tǒng)最常見(jiàn)的系統(tǒng)是線性定常系統(tǒng)二、根

2、據(jù)控制系統(tǒng)的對(duì)象及其控制任務(wù)的不同劃二、根據(jù)控制系統(tǒng)的對(duì)象及其控制任務(wù)的不同劃分分1.1.定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)( (自動(dòng)鎮(zhèn)定或調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)鎮(zhèn)定或調(diào)節(jié)系統(tǒng)) ) 2.2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)( (自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng))3.3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制 、自學(xué)習(xí)控制、自學(xué)習(xí)控制 問(wèn)題問(wèn)題 航向控制系統(tǒng)屬于哪類控制？航向控制系統(tǒng)屬于哪類控制？圖圖5 5 隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖 減速減速第四節(jié)第四節(jié) 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和方塊圖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和方塊圖一、拉氏變換有關(guān)知識(shí)一、拉氏變換有關(guān)知識(shí) 定義定義 拉氏變換拉氏變換 函數(shù)函數(shù)f(t)的拉氏變

3、換的拉氏變換 Lf(t)定義為定義為0)()()(dtetftfLSFstjcjcstdSeSFjSFLtf)(21)()(1拉氏變換對(duì)（表）拉氏變換對(duì)（表） f(t)F(s)。s為復(fù)數(shù)為復(fù)數(shù) s=+j拉氏逆變換：拉氏逆變換：拉氏變換的物理意義拉氏變換的物理意義 1、非正弦周期信號(hào)展開(kāi)成付里葉級(jí)數(shù)、非正弦周期信號(hào)展開(kāi)成付里葉級(jí)數(shù) 2、分別求出各次諧波分量正弦信號(hào)單獨(dú)、分別求出各次諧波分量正弦信號(hào)單獨(dú) 作用于電路的結(jié)果作用于電路的結(jié)果 3、應(yīng)用線性電路的迭加性，將所有結(jié)果迭、應(yīng)用線性電路的迭加性，將所有結(jié)果迭 加起來(lái)加起來(lái)即為非正弦周期信號(hào)的電路分析的結(jié)果即為非正弦周期信號(hào)的電路分析的結(jié)果非正弦

4、非周期信號(hào)非正弦非周期信號(hào)非正弦周期信號(hào)的電路分析 看成周期為無(wú)窮大的周期信號(hào)看成周期為無(wú)窮大的周期信號(hào) 付里葉級(jí)數(shù)付里葉級(jí)數(shù)付里葉變換付里葉變換 適用對(duì)象適用對(duì)象 適用于線性定常系統(tǒng)的分析適用于線性定常系統(tǒng)的分析性質(zhì)性質(zhì) 線性性質(zhì)線性性質(zhì) LAf1(t)士士Bf2(t) = A Lf1(t) B Lf2(t) = A F1(s) B F2(S) 微分性質(zhì)微分性質(zhì))0()()(fsSFdttdfLdtdfSfsFSdttdfL)0()0()()(222n同樣地，同樣地， 拉氏變換式拉氏變換式 優(yōu)越性？?jī)?yōu)越性？SdtfSSFdttfL)0()()(積分性積分性質(zhì)質(zhì)vvdtdvRCdtvdLCcc

5、c22 例如例如 )()()()(2sVsVsRCSVsVLCSccc終值定理終值定理 已知（已知（s）求終值）求終值f()。初值定理初值定理 已知（已知（s）求初值）求初值f(0)。用途用途 求微分方程；求微分方程；建立傳遞函數(shù)建立傳遞函數(shù)(s)二、傳遞函數(shù)與方塊圖二、傳遞函數(shù)與方塊圖 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 定義為定義為初始條件為零時(shí)初始條件為零時(shí)， 輸出量輸出量(響應(yīng)響應(yīng))的拉氏變換的拉氏變換與輸入量與輸入量(激勵(lì)激勵(lì))的拉氏變換兩者之比。的拉氏變換兩者之比。 設(shè)系統(tǒng)的微分方程為設(shè)系統(tǒng)的微分方程為 a0y(n) +a1y(n-1)+ an-1y+ an y =b0 x(m) +b1 x (m-

6、1) + + bm-1 x+ bm x 式中式中y是系統(tǒng)的輸出量，是系統(tǒng)的輸出量，x是系統(tǒng)的輸入量。將上述微分方程是系統(tǒng)的輸入量。將上述微分方程的兩邊進(jìn)行拉氏變換，的兩邊進(jìn)行拉氏變換， 則有則有: (a0sn +a1sn-1+ an-1s+ an )Y(s) =(b0sm +b1sm-1+ bm-1s+ bm )X(s)傳遞函數(shù)性質(zhì)傳遞函數(shù)性質(zhì) （1 1）G(s)G(s)描述既適用于元件，也適用于系統(tǒng)。描述既適用于元件，也適用于系統(tǒng)。（2 2）傳遞函數(shù)僅與系統(tǒng)本身的特性有關(guān)傳遞函數(shù)僅與系統(tǒng)本身的特性有關(guān)。（3 3）它）它不代表系統(tǒng)或元件的物理結(jié)構(gòu)（不代表系統(tǒng)或元件的物理結(jié)構(gòu)（許多物理性許多物理

7、性質(zhì)不同的系統(tǒng)或元件可以具有相同的傳遞函數(shù)？）質(zhì)不同的系統(tǒng)或元件可以具有相同的傳遞函數(shù)？）。 (4)(4) nm nm。習(xí)慣上以傳遞函數(shù)分母中。習(xí)慣上以傳遞函數(shù)分母中s s 的最高階數(shù)的最高階數(shù)n n來(lái)定義系統(tǒng)的階數(shù)，常稱該系統(tǒng)為來(lái)定義系統(tǒng)的階數(shù)，常稱該系統(tǒng)為n n階系統(tǒng)。階系統(tǒng)。nnnnmmmmoaSaSaSabSbSbSbSXSYSG1110111)()()(傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 三、方塊圖三、方塊圖G(S)H(S)1、方塊圖的組成、方塊圖的組成G(S)R(S) C(S)C(S) = G(S) R(S)圖圖1.2.71.2.7 標(biāo)準(zhǔn)形式閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖標(biāo)準(zhǔn)形式閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖分支點(diǎn)分支點(diǎn)相加點(diǎn)相加

8、點(diǎn)R(s) C(S) - B(s)E(s) 2、方塊圖的特點(diǎn)、方塊圖的特點(diǎn) 方塊圖也是從實(shí)際物理系統(tǒng)抽象出來(lái)的方塊圖也是從實(shí)際物理系統(tǒng)抽象出來(lái)的信號(hào)關(guān)系信號(hào)關(guān)系，不代表系統(tǒng)或元件的物理結(jié)構(gòu)；不代表系統(tǒng)或元件的物理結(jié)構(gòu)； 元部件功能、相互關(guān)系、流向是元部件功能、相互關(guān)系、流向是單向不可逆單向不可逆的，的，只有依據(jù)信號(hào)流向連接起來(lái)，方塊圖才有效；只有依據(jù)信號(hào)流向連接起來(lái)，方塊圖才有效； 一定系統(tǒng)的方塊圖不是唯一的一定系統(tǒng)的方塊圖不是唯一的，由于分析角度不，由于分析角度不同，同一系統(tǒng)可畫(huà)出不同方塊圖。同，同一系統(tǒng)可畫(huà)出不同方塊圖。3、幾種典型元部件的傳遞函數(shù)幾種典型元部件的傳遞函數(shù)1/TSR(S)

9、C(S)(改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性)(改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性)KR(S) C(S)TSR(S) C(S)比例環(huán)節(jié)方塊圖比例環(huán)節(jié)方塊圖純微分環(huán)節(jié)方塊圖純微分環(huán)節(jié)方塊圖1/(TS+1)R(S) C(S)慣性環(huán)節(jié)方塊圖慣性環(huán)節(jié)方塊圖 積分環(huán)節(jié)方塊圖積分環(huán)節(jié)方塊圖第五節(jié)系統(tǒng)的分析方法第五節(jié)系統(tǒng)的分析方法一、基本分析方法一、基本分析方法 頻域分析法、時(shí)域分析法及根軌跡法。頻域分析法、時(shí)域分析法及根軌跡法。二、控制系統(tǒng)的二、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)性能指標(biāo)及其一般要求及其一般要求1、穩(wěn)定性穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)作用時(shí)，系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生的過(guò)當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)作用時(shí)，系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生的過(guò)渡過(guò)程隨

10、時(shí)間的推移而衰減，渡過(guò)程隨時(shí)間的推移而衰減， 而回到而回到(或接近或接近)原來(lái)的穩(wěn)定值，或跟蹤變化了的輸入信號(hào)，則原來(lái)的穩(wěn)定值，或跟蹤變化了的輸入信號(hào)，則稱系統(tǒng)穩(wěn)定。稱系統(tǒng)穩(wěn)定。 2、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 上升時(shí)間上升時(shí)間tr: 超調(diào)量超調(diào)量p 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts 振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)N3、穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess 三、時(shí)域分析法三、時(shí)域分析法 1、思路、思路 (1)求解微分方程求解微分方程(常用拉氏變換法常用拉氏變換法) 解解= 通解通解(動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性) + 特解特解 (穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性) (瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)) (穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)) (2)分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析系統(tǒng)的性

11、能指標(biāo)2 2、典型二階系統(tǒng)的時(shí)域、典型二階系統(tǒng)的時(shí)域( (響應(yīng)響應(yīng)) )分析分析 其中參數(shù)其中參數(shù)n稱無(wú)阻尼自然振蕩頻率，稱無(wú)阻尼自然振蕩頻率， 稱阻尼系數(shù)。稱阻尼系數(shù)。 Y(s)式分母等于式分母等于0的方程的方程，是系統(tǒng)的極點(diǎn)，是系統(tǒng)的極點(diǎn)方程，亦稱系統(tǒng)的方程，亦稱系統(tǒng)的特征方程特征方程，為，為 )(2)(222sRsssYnnn1）瞬態(tài)響應(yīng)）瞬態(tài)響應(yīng) 0222nnss情況一情況一 1(過(guò)阻尼過(guò)阻尼) 二個(gè)不相等的實(shí)根二個(gè)不相等的實(shí)根 ttnneety)1(22)1(2222)1(121)1(1211)(情況二情況二:=l(臨界阻尼臨界阻尼) 二個(gè)相同的實(shí)恨二個(gè)相同的實(shí)恨 y(t)=1一一e-nt(1+nt) 情況三情況三: 01(欠阻尼欠阻尼) 一對(duì)共軛復(fù)根一對(duì)共軛復(fù)根 情況四情況四 =0(無(wú)阻尼無(wú)阻尼) 一對(duì)虛根一對(duì)虛根 y(t)=l一一COSnt (2)曲線分析曲線分析 )cos1sin(111)(122tetyntn 圖圖1.2.14 階躍輸入下二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線階躍輸入下二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線一般一般值總是設(shè)計(jì)在值總是設(shè)計(jì)在0.7左右。左右。 經(jīng)典控制理論的局限性經(jīng)典控制理論的局限性 只適用于單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)只適用于單輸入單輸出線性定常系統(tǒng) 古典控制理論本質(zhì)上是一種頻域法古典控制理論本質(zhì)上是一種頻域法