自動控制原理王永驥版第三章

自動控制原理王永驥版第三章控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)頻率特性分析控制系統(tǒng)設(shè)計與校正目錄CONTENT控制系統(tǒng)概述01控制系統(tǒng)的定義與分類控制系統(tǒng)的定義控制系統(tǒng)是一種由控制器和受控對象組成的閉環(huán)系統(tǒng)，通過反饋機制實現(xiàn)受控對象的自動控制?？刂葡到y(tǒng)的分類根據(jù)不同的分類標準，控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)、時不變控制系統(tǒng)和時變控制系統(tǒng)等?？刂破骺刂破鞯墓δ苁歉鶕?jù)輸入信號和系統(tǒng)輸出信號的偏差，產(chǎn)生控制信號，對受控對象進行調(diào)節(jié)。受控對象受控對象是控制系統(tǒng)的被控對象，可以是物理系統(tǒng)、化學(xué)過程或生物系統(tǒng)等。反饋回路反饋回路是控制系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠?qū)⑹芸貙ο蟮妮敵鲂盘柗答伣o控制器，以便控制器根據(jù)偏差進行調(diào)整。控制系統(tǒng)的基本組成穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動后能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)的能力?？焖傩钥焖傩允侵赶到y(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)速度，即系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。準確性準確性是指系統(tǒng)對輸入信號的跟蹤精度，即系統(tǒng)輸出信號與期望輸出信號之間的誤差大小。控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型02傳遞函數(shù)的計算傳遞函數(shù)可以通過系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和連接方式進行計算，從而得到整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)的性質(zhì)傳遞函數(shù)具有一些重要的性質(zhì)，如線性性、時不變性和因果性等，這些性質(zhì)對于分析系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性非常重要。傳遞函數(shù)的定義傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，它表示系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的函數(shù)關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)傳遞函數(shù)控制系統(tǒng)微分方程對于簡單的控制系統(tǒng)，微分方程可能較容易求解，但對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可能需要采用近似方法或數(shù)值計算方法進行求解。微分方程的簡化根據(jù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的物理特性和輸入輸出關(guān)系，可以建立系統(tǒng)的微分方程，它描述了系統(tǒng)輸出量隨時間的變化規(guī)律。微分方程的建立通過求解微分方程，可以得到系統(tǒng)輸出量的時間響應(yīng)，進而分析系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。微分方程的求解根據(jù)系統(tǒng)的組成和各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，可以繪制出控制系統(tǒng)的框圖，它直觀地表示了系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的連接關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)框圖的繪制信號流圖是一種更直觀、更易于分析的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型表示方法，它通過圖形方式表示了系統(tǒng)中信號的傳遞和處理過程。信號流圖的繪制框圖和信號流圖廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)的分析和設(shè)計過程中，通過它們可以方便地分析系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，以及進行系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整?？驁D與信號流圖的應(yīng)用控制系統(tǒng)框圖與信號流圖控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析03控制系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動后，能夠通過調(diào)節(jié)回到原來的平衡狀態(tài)，或者達到新的平衡狀態(tài)的性能。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)性能的重要指標之一。穩(wěn)定性分析是控制系統(tǒng)設(shè)計和分析的重要環(huán)節(jié)，對于保證系統(tǒng)性能和安全具有重要意義。010203控制系統(tǒng)穩(wěn)定性定義勞斯穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)是一種基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性判據(jù)，通過計算系統(tǒng)的極點和零點，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勞斯穩(wěn)定判據(jù)的基本思想是，如果系統(tǒng)的所有極點都位于復(fù)平面的左半部分，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。勞斯穩(wěn)定判據(jù)的優(yōu)點是簡單易行，適用于多變量系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。根軌跡法01根軌跡法是一種通過繪制根軌跡圖來分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。02根軌跡法的基本思想是通過改變系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)極點的變化，從而判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。根軌跡法的優(yōu)點是直觀易懂，可以用于分析非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。03控制系統(tǒng)頻率特性分析04控制系統(tǒng)在正弦輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入信號的復(fù)數(shù)比值，表示系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)特性。頻率特性定義頻率特性是復(fù)數(shù)函數(shù)，具有頻率域和復(fù)平面表示；具有平移性、線性性和乘積性等性質(zhì)。頻率特性性質(zhì)頻率特性定義與性質(zhì)03Bode圖繪制結(jié)合對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性，繪制Bode圖，全面反映系統(tǒng)的頻域特性。01極坐標圖繪制將頻率特性表示為極坐標形式，繪制幅頻特性和相頻特性曲線。02對數(shù)坐標圖繪制利用對數(shù)尺度繪制頻率特性，便于觀察不同頻率下的增益和相位變化。頻率特性圖繪制方法勞斯穩(wěn)定判據(jù)通過計算系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的勞斯表，判斷系統(tǒng)在頻域是否穩(wěn)定。Nyquist穩(wěn)定判據(jù)通過分析系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Nyquist曲線，判斷系統(tǒng)在頻域是否穩(wěn)定。根軌跡法通過繪制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，判斷系統(tǒng)在頻域是否穩(wěn)定。頻域穩(wěn)定性判據(jù)030201控制系統(tǒng)設(shè)計與校正05穩(wěn)定性確保系統(tǒng)在各種條件下都能穩(wěn)定運行?？焖傩韵到y(tǒng)應(yīng)能快速響應(yīng)輸入信號的變化?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計原則與步驟準確性系統(tǒng)應(yīng)能準確跟蹤設(shè)定值?？垢蓴_性系統(tǒng)應(yīng)具有較強的抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計原則與步驟控制系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟010203確定系統(tǒng)要求和性能指標。選擇合適的控制策略和算法。設(shè)計步驟設(shè)計控制器，包括比例、積分、微分控制等。進行系統(tǒng)仿真和實驗驗證?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計原則與步驟根軌跡法通過繪制根軌跡圖，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并據(jù)此選擇合適的控制器參數(shù)。狀態(tài)反饋控制通過測量系統(tǒng)的狀態(tài)變量，并據(jù)此調(diào)整控制器的輸出，以達到更好的控制效果。頻率響應(yīng)法通過分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，選擇合適的控制器參數(shù)，以達到所需的頻率特性。PID控制器是最常用的控制器，通過調(diào)整比例、積分和微分系數(shù)來改善系統(tǒng)的性能?？刂葡到y(tǒng)校正方法線性二次型最優(yōu)控制通過最小化某個性能指標（如系統(tǒng)狀態(tài)變量的二次范數(shù)），來優(yōu)化控制器的參數(shù)。極點配置控制通過配置系統(tǒng)