自动控制原理基本概念

第一章控制系统导论1、自动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、给定装置等。2、自动控制系统基本控制方式：开环控制、闭环控制和复合控制三种方式。3、反馈是将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量进行比较的过程。反馈有正反馈和负反馈之分，只有负反馈能改善系统性能。第二章控制系统的数学模型1、线性定常系统的传递函数,定义为零初始条件下,系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。2、为传递函数的参数形式，τi(i=1,2,…,m)和Tj(j=1,2,…,n)为系统中各环节的时间常数,K为系统的放大倍数。3、为传递函数的零极点形式，zi(i=1,2,…,m)和pj(j=1,2,…,n)分别称为传递函数的零点和极点,K1称为传递函数的增益（或根轨迹增益）。4、传递函数的概念适用于线性定常系统，传递函数的结构和各项系数包括常数项完全取决于系统本身结构；它是系统的动态数学模型，与输入信号的具体形式和大小无关，不反映系统的内部信息。5、传递函数是在零初始条件下定义的。但是，对输入量加于系统之前,系统处于稳定工作状态的情况同样适用。6、传递函数不能（能或不能）反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能（可能或不可能）具有完全相同的传递函数。第三章线性系统的时域分析法1、系统的模态（响应形式）由闭环极点确定，闭环零点只影响响应的幅值。闭环极点的不同取值，动态过程有单调上升，衰减振荡、发散振荡和等幅振荡四种形式。2、动态过程包含了系统的稳定性、快速性、平稳性等信息。3、稳态过程是指时间t趋近于无穷大时,系统输出状态的表现形式。它表征系统输出量最终复现输入量的程度。稳态过程包含系统的稳态误差等信息。4、一阶系统的典型响应与时间常数T密切相关。时间常数越小,响应越快,跟踪误差越小,输出信号的滞后时间也越短。)1()1)(1()1()1)(1()(2121sTsTsTsτsτsτKsGnm)())(()())(()(21211nmpspspszszszsKsG5、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ωn一定，ζ与系统性能的关系：0ζ1欠阻尼，衰减振荡；ζ＝1临界阻尼，单调上升；ζ1过阻尼，单调上升；ζ=0无阻尼，等幅振荡。6、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ωn一定，ζ越大，平稳性越好，但是，上升速度越慢，快速性越差。0.4＜ζ＜0.8，快速性和平稳性均较好。7、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ζ一定时，ωn越大，上升速度和调节速度越快，且ωn的变化不改变系统的平稳性。7、二阶系统，阻尼比ζ越小，超调量越大，平稳性越差，调节时间ts长；ζ过大时，系统响应迟钝，调节时间ts也长，快速性差；ζ=0.7，调节时间最短，快速性最好，而超调量%5%，平稳性也好，故称ζ=0.7为最佳阻尼比。8、二阶系统中，引入比例微分控制，系统阻尼增加，其对振荡的抑制强于闭环零点对振荡的扩大。因此，总体是使超调减弱，改善平稳性；9、二阶系统中，闭环零点的出现，加快了系统响应速度，克服了阻尼过大，响应速度慢的缺点。实现快速性和平稳性均提高。10、二阶系统中，引入比例微分控制，不影响系统误差，自然频率不变。11、在二阶系统中引入微分反馈，速度反馈使增大，振荡和超调减小，改善了系统平稳性。12、在二阶系统中引入微分反馈，速度负反馈控制的闭环传递函数无零点，其输出平稳性优于比例——微分控制。但是，系统快速性会降低。13、在二阶系统中引入微分反馈，系统跟踪斜坡输入时稳态误差会加大，因此应适当提高系统的开环增益.14、高阶系统瞬态响应各分量的衰减快慢由指数衰减系数pj和ζkωnk决定。如果某极点远离虚轴，那么其相应的瞬态分量持续时间较短。对系统暂态性能的影响就小。15、当某极点pj靠某零点zi很近，相应瞬态分量的系数就越小，极端情况下,当pj和zi重合时，该零极点为偶极子，对系统的瞬态响应没有影响。16、在系统中，某极点距虚轴的距离小于其他所有极点距虚轴的距离的1/5，在其附近没有零点存在,则该极点为主导极点。系统的瞬态响应取决于主导极点。若主导极点为一个负实数，高阶系统近似为一阶系统；若主导极点为一对共轭复数，高阶系统近似为二阶系统。17、必要条件:控制系统特征方程式的所有系数ai(i=0,1,2,…,n)均大于零，小于零或者等于零（缺项）系统必不稳定。18、充分条件:劳斯表中第一列的元素均大于零时，系统稳定；反之，如果第一列出现小于零的元素时，系统就不稳定。第一列元素符号的改变次数，代表特征方程的正实部根的个数。第一列出现0元素，系统临界稳定。第四章线性系统的根轨迹法1、开环传递函数中某一参数从0→∞变化时，闭环极点的变化轨迹称为根轨迹。2、开环传递函数中某一参数从0→∞变化时，闭环极点的变化轨迹称为根轨迹。3、相角条件是点Sd在根轨迹上的充要条件，满足相角条件，Sd必在根轨迹上。4、幅值条件可计算根轨迹上任意一点的根轨迹增益K1。5、根轨迹是连续的，且对称于实轴，共有n条。它们从开环极点出发，其中，m条终止于开环零点，n－m条趋向无穷远。6、在复平面中，实轴上的线段是根轨迹的条件是，在这些线段的右边的开环零、极点的个数之和为奇数。7、滞后系统有无数条根轨迹，且平行于实轴。其中对系统性能影响最大的是实轴附近的根轨迹。8、滞后系统的根轨迹起点除开环极点外，还有许多无穷远的起点；根轨迹终点除开环零点外，还有许多无穷远的终点。9、常规根轨迹渐近线的计算方法对滞后根轨迹不适用。10、根轨迹在复平面的左半平面时系统是稳定的，反之，系统就不稳定。闭环极点离虚轴越远，稳定裕量越大。11、用根轨迹分析系统性能时可知，主导极点在实轴上，则系统很平稳无超调；主导极点在复数区域，则系统出现振荡，且阻尼角越大，振荡越利害；主导极点离虚轴越近，系统快速性越差。12、用根轨迹分析系统性能时可知，在坐标原点处的开环极点个数越多，稳态精度越高。第五章线性系统的频域分析法1、系统的相频特性是指输入、输出正弦相位差与频率的关系，幅频特性是指输入、输出正弦幅值比与频率的关系。2、系统的稳态输出正弦的复数形式与输入正弦函数的复数形式之比是－个复数，复数的幅值就是幅频特性，复数的幅角就是相频特性。3、由奈氏判据可知，当ω从－∞变化到＋∞时,系统的开环频率特性G(jω)H(jω)按逆时针方向包围(－1,j0)点P周,P为位于s平面右半部的开环极点数目。4、由奈氏判据可知，闭环系统稳定的充分和必要条件是：系统的开环频率特性G(jω)H(jω)不包围(－1,j0)点。5、闭环系统稳定的充分必要条件是,当ω由0变到∞时,在开环对数幅频特性L(ω)≥0的频段内,相频特性φ(ω)穿越－180°线的次数(正穿越与负穿越次数之差)为P/2。P为s平面右半部开环极点数目。第六章线性系统的校正方法1、系统校正的实质是，利用校正装置所引入的附加的零、极点，来改变整个系统零、极点的配置，改变根轨迹或频率特性的形状从而影响系统的稳、暂态性能。2、开环对数幅频特性的低频段决定系统的稳态精度，中频段决定系统的暂态性能，高频段则决定系统的频宽和抗扰能力等。3、比例元件在信号变换中起着改变增益而不影响相位的作用。4、在串联校正中，比例校正元件只影响系统的开环增益，从而影响系统的稳态误差。显然，增大开环增益，系统将提高稳态精度，同时，剪切频率增大，系统的快速性提高。但是它又往往使系统的相角裕量减小，所以系统的平稳性变差。5、微分元件在信号变换中起着对信号取导数即起到加速的作用，同时使相位发生超前。但由于它对恒定信号起着阻断作用，故在串联校正中不能单独使用，6、比例微分校正可全面改善系统稳态及暂态性能，但是对系统抗高频干扰的能力影响较大，只能用于原系统抗高频干扰的能力非常强的系统。7、积分元件在信号变换中起着对信号进行积分即积累的作用，同时使相位发生滞后，积分控制可以提高系统的无差度，即提高系统的稳态性能。但积分控制相当于系统增加一个开环原点极点，这将不利于系统的稳定性。8、比例加积分控制可以提高系统稳态性能，而对系统暂态性能影响不大。9、为了全面改善系统性能，可以采用比例积分微分控制，即在低频段利用比例积分的控制作用改善系统稳态精度；在中、高频段利用比例微分的控制作用改善系统的暂态性能。第八章非线性控制系统分析1非线性系统的本质特征是不满足叠加原理。因此，非线性系统的稳定性，除与系统的结构、参数有关外，还和初始状态有关。2非线性系统的本质特征是不满足叠加原理。因此，初始条件不同，非线性系统的稳定性可能不一样。3非线性元件的输出和输入有关（有关或无关），所以在非线性系统结构图中，非线性特性与线性环节串联的位置不能（能或不能）互换。4设二阶系统常微分方程为0),(...xxfx，则以.,xx为坐标的平面成为相平面。5在相平面上dxxd.不确定的点成为奇点，在想平面上满足0...xx的点称为平衡点。6描述函数法是线性系统频率法在非线性系统分析中的推广，它主要用于一类非线性系统的稳定性分析和自振分析。7描述函数定义为在正弦信号输入作用下，非线性环节的输出响应中次谐波分量和输入信号的复数比。8应用描述函数时，系统应可化为一个非线性环节和一个线性环节串联的典型反馈结构。9应用描述函数时，非线性特性应具有奇对称性，非线性环节输出中基波分量的幅值占优，线性环节的低通滤波特性好。