自动化总复习.docx

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自动化总复习

《自动控制原理》总复习

第一章自动控制的基本概念

一、学习要点

1.自动控制基本术语：

自动控制、系统、自动控制系统、被控量、输入量、干扰量、受控对象、控制器、反馈、负反馈控制原理等。

2.控制系统的基本方式：

①开环控制系统；②闭环控制系统；③复合控制系统。

3.自动控制系统的组成：

由受控对象和控制器组成。

4.自动控制系统的类型：

从不同的角度可以有不同的分法，常有：

恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统等。

5.对自动控制系统的基本要求：

稳、快、准。

6.典型输入信号：

脉冲、阶跃、斜坡、抛物线、正弦。

二、基本要求

1.对反馈控制系统的基本控制和方法有一个全面的、整体的了解。

2.掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成、分类，理解对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。

3.了解控制系统的典型输入信号。

4.掌握由系统工作原理图画方框图的方法。

三、内容结构图

四、知识结构图

第二章控制系统的数学模型

一、学习要点

1．数学模型的数学表达式形式

（1）物理系统的微分方程描述；

（2）数学工具—拉氏变换及反变换；

（3）传递函数及典型环节的传递函数。

2．数学模型的图形表示

（1）结构图及其等效变换，梅逊公式的应用；

（2）信号流图及梅逊公式的应用。

二、基本要求

1、正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静态模型、输入变

量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。

2、了解运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入

响应、零状态响应等概念有清楚的理解。

3、正确理解传递函数的定义、性质和意义。

熟练掌握由传递函数派生出来的系统开环传递函

数、闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数等概念。

（＃）

4、熟练掌握系统结构图的简化法则，并能用梅逊公式求系统传递函数。

（＃＃）

5、传递函数的求取方法：

1）直接法：

由微分方程直接得到。

2）复阻抗法：

只适用于电网络。

3）结构图及其等效变换，用梅逊公式。

4）信号流图用梅逊公式。

三、内容结构图

四、知识结构图

微积分

消元法

等效变换

微分方程

代数方程

元部件结构图

系统结构图

传递函数

代数方程组

信号流图

梅逊公式

梅逊公式

代数消元法

拉氏变换

数学、物理

规律

系统原理图

微分方程组

拉氏变换变换

五、例题：

1、概念题：

动态结构图由哪四种基本单元组成？

函数方框、信号线、比较点和引出点。

2、已知系统的结构图如下图所示，求传递函数

。

解：

用结构图等效变换或梅逊公式，其结果为：

。

－

－

C（s）

H1（s）

G2（s）

R（s）

G1（s）

G3（s）

G4（s）

H3（s）

H2（s）

－

3、已知系统的结构图如下图所示，求传递函数

。

解：

用结构图等效变换或梅逊公式，其结果为：

。

第三章控制系统的时域分析

一、学习要点

1.基本概念：

稳定性、时域响应、动态性能指标、误差与稳态误差等。

2.控制系统的稳定性

（1）劳斯稳定判据；

（2）赫尔维茨稳定判据。

3.控制系统的动态性能

（1）一阶系统的暂态响应；

（2）二阶系统的暂态响应。

4.控制系统的稳态性能

（1）一般概念；

（2）误差系数。

二、基本要求

1.了解线性定常系统的时域响应组成，熟悉控制系统暂态响应性能指标的定义（＃）。

2.掌握一阶系统的暂态响应及性能指标，并能根据给出的指标确定满足要求的系统参数T。

（＃）

3.掌握二阶系统的暂态响应分析及其与极点之间的关系，重点掌握二阶系统的暂态响应性能指标公式及计算，并能根据给出的指标确定满足要求的系统参数

和

，尤其是改善二阶系统动态性能的两种措施。

（＃）（＃）

4.一般了解高阶系统的暂态响应，掌握闭环主导极点的概念。

5.了解稳定性的概念，掌握线性定常系统稳定的充要条件（＃）。

6.重点掌握判断稳定性的Routh代数判据及应用（＃）（＃），对Hurwitz判据有一般了解。

能根据系统要求确定满足稳定的系统参数范围（＃）（＃）。

7.了解稳态误差的概念、定义、产生原因、类型。

8.重点掌握给定稳态误差终值的计算，稳态误差系数的计算及减小稳态误差的方法，并能根据系统对稳态误差的要求确定系统参数。

（＃）（＃）

三、内容结构图

t→∞

常除法或泰勒展开

公式

公式

代数判据

公式、

曲线

闭环传递函数Φ（s）

误差传递函数￠e（s）、￠en（s）

开环传递函数Ｇk（s）

扰动作用点之前传递函数Ｇ1（s）

一阶标准式

二阶标准式

特征方程

参数T

参数ζ、ωn

性能指标

积分环节数目υ1、K1

静态误差系数Kp、Kv、Ka

系统型别υ、开环增益K

稳定性、稳定域

动态误差系数C0、C1、C2……

误差象函数E（s）

公式、曲线

稳态误差ess=esr+esn

esr（t）

终值定理

公式

系

统

结

构

图

四、知识结构图

五、例题：

1、概念题：

单位反馈系统的闭环传递函数

，则闭环阶跃响应的调节时间ts（Δ=0.02）为多少？

而闭环单位阶跃响应的误差e（∞）=r（∞）-c（∞）=？

；

。

2、系统的特征方程如下，试判断系统的稳定性并求系统在s右半平面根的数目。

（1）

（2）

解：

（1）列劳斯表：

（2）列劳斯表：

s4131s511224

s332s432448

s27/31s348

73s21848

s15/7s1-8/3

s01s048

系统稳定。

系统不稳定，在s右半平面有2个根。

3、单位反馈控制系统的开环传递函数为

（1）试求系统的单位阶跃响应；

（2）确定位置误差系数KP、速度误差系数KV和当输入r（t）=2t时系统的稳态误差。

解：

（1）

，

，

；

（2）因为系统为1型，所以KP=∞，KV=K=4/5=0.8，

当r（t）=2t时，

。

第五章控制系统的频率特性

一、学习要点

1.频率特性的几何表示

（1）极坐标图或奈奎斯特图（Nyquist图）

（2）对数频率特性曲线（Bode图）

2.典型环节的频率特性及最小相位系统

（1）典型环节频率特性

（2）最小相位系统与非最小相位系统

3.稳定判据

（1）奈奎斯特稳定判据

（2）对数频率特性的稳定判据

4.开环频域指标

（1）幅值裕度；

（2）相角裕度

5.开环对数频率特性与时域性能指标：

（1）三频段的概念

（2）开环系统频域指标与时域性能指标的关系

二、基本要求

1.熟练掌握绘制开环系统Nyquist图和Bode图的方法，会求剪切频率

（＃）（＃）。

2.重点掌握奈奎斯特稳定判据及其在系统分析中的应用。

（＃）（＃）

3.重点掌握相角裕度、幅值裕度的计算。

（＃）（＃）

4.掌握开环对数频率特性与系统性能之间的关系，正确理解三频段的概念。

（＃）

5.正确理解并掌握用实验数据确定传递函数，由最小相位系统的Bode图确定系统的传递函数的方法，会求开环放大系数

。

（＃）（＃）

三、内容结构图

四、知识结构图

五、例题：

1、已知各单位反馈系统的开环幅相频率特性如图所示，并已知开环传递函数在s右半平面的极点数为p，其积分环节的数目为ν，试判断其闭环系统的稳定性。

图1图2

解：

图1图2

幅相特性及其镜像逆时针包围幅相特性没包围（-1，j0）点，则N=0=p

（-1，j0）点一圈，则N=1=p，则z=N–p=0，所以系统稳定。

则z=N–p=0，所以系统稳定。

2、已知最小相位系统的开环对数频率特性如下图所示；

（1）试写出该系统的开环传递函数并求出剪切频率ωc；

（2）

当

时求出系统的稳态误差。

解：

（1）由图可知ω=1时，20lgK=40db，所以K=100；

则

，

时，

，

，

；

（2）由开环传递函数可知，系统为1型系统，所以，当

时：

。

3、已知单位反馈系统的开环传递函数为

画出其对数幅频特性曲线，并计算其相角裕度。

解：

①转折频率

，低频段斜率为[－40]；

因为K=50/5=10，

时，

；

②

，

。

第6章控制系统的校正

一、学习要点

1.校正方法──频率法，根轨迹法

2.校正方式

1）串联校正；2）反馈校正；3）串联反馈校正；4）前馈补偿校正（复合控制）。

3.基于频率响应法的串联校正

1）串联超前校正；2）串联滞后校正；3）串联滞后—超前校正；

4）三种串联校正方法的特点与作用；5）串联校正的希望特性法。

二、基本要求

1.熟悉典型的无源校正装置，掌握校正网络的频率特性及其作用。

2.正确选择校正网络。

3.掌握串联校正的频率设计方法，重点掌握三种串联校正方式的特点与作用（＃）（＃）。

4.重点掌握期望特性的求取方法及串联校正的期望特性法。

（＃）（＃）

5.重点掌握校正前后相角裕度、幅值裕度的计算。

（＃）（＃）

三、内容结构图

校正

校正方式

校正装置

校正设计方法

串联校正

反馈校正

复合校正

无源校正装置

有源校正装置

PID控制器

频率法

根轨迹法

串联超前校正

串联滞后校正

滞后—超前校正

分析法（试探法）

综合法（期望特性法）

四、知识结构图

五、例题---填空：

1、串联超前校正使相角裕度γ增大或超调量σ％减小，同时可以使剪切频率

增大或调节时间

减小，但抗高频干扰能力减弱；

2、串联超前校正利用超前装置的相位超前特性。

4、串联滞后校正利用滞后装置的高频幅值衰减特性。

第七章线性离散控制系统

一、学习要点

1.基本概念：

连续信号、离散信号、离散系统、采样过程、采样开关、保持器。

2.采样：

（1）采样过程；

（2）香农采样定理；（3）零阶保持器。

3.离散系统的数学模型：

（1）差分方程；

（2）数学工具—z变换；（3）脉冲传递函数。

3.系统分析

（1）离散系统稳定性分析

（2）准确性分析（离散系统的稳态误差分析）

（3）快速性分析与时间响应

二、基本要求

1、掌握z变换、z反变换的概念及其主要性质。

2、熟悉零阶保持器的传递函数、频率特性及特点。

3、重点掌握脉冲传递函数的概念及其求解离散控制系统开环、闭环脉冲传递函数的方法。

（＃）（＃）

4、熟练掌握离散控制系统的稳定性判断方法，能根据系统要求确定满足稳定性的系统参数范

围。

（＃）（＃）

5、重点掌握计算离散控制系统的稳态误差方法。

（＃）（＃）

三、内容结构图

四、知识结构图

t→∞

z反变换

终值定理

稳定

判据

特征方程

稳态误差e（∞）

静态误差系数

Kp、Kv、Ka

输出脉冲序列c（nT）

开环脉冲传递函数

G（z）

误差z变换E（z）

闭环脉冲传递函数￠（z）

输出z变换C（z）

系

统

结

构

图

稳定性、

稳定域

公式

误差脉冲序列e（nT）

五、例题：

1、概念题：

离散系统零阶保持器的传递函数是什么？

。

2、设某采样系统的结构图如下图所示，图中采样周期T=1s。

（1）求其开环脉冲传递函数和闭环脉冲传递函数；

（2）求其单位阶跃响应的z变换形式C（z）。

解：

，

；

。

3、求下图所示系统的闭环脉冲传递函数Ф（z）并判别系统的稳定性。

解：

（1）

；

；

而

，

。

（2）由上式可知：

由于

，

，所以系统稳定。