未分类 · 2022年10月18日

自动控制原理笔记

  • 何谓自动控制:是指在没有人直接参与的条件下,利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。
  • 自动控制系统:是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统,它由被控对象和控制装置组成。
  • · 开 环 . 控 制 系 统 的 方 框 图 
输 入 量 
控 制 装 置 
扰 动 
输 出 量 
受 控 对 象
  • · 闭 环 控 制 系 统 的 方 框 图 
扰 动 
蜘 ) 校 正 
参 入 
c(t) 
受 控 
给 装 
定 置 
偏 差 装 置 
对 象 
被 控 量 
考 信 
号 
受 控 系 统 
调 节 器 ( 或 控 制 器 ) 
L . 
反 馈 信 号 
反 馈 装 置 
( 测 量 元 件 )
  • 分 类 
按 给 定 值 操 纵 的 开 环 控 制 
按 干 扰 补 偿 的 开 环 控 制 
按 控 制 方 式 分 
按 偏 差 调 节 的 闭 环 控 制 
复 合 控 制 : 闭 环 反 馈 为 主 , 抖 环 补 偿 为 辅 
恒 值 系 统 
随 动 系 统 
按 给 定 值 变 化 规 律 分 
程 序 控 制 系 统 
运 动 控 制 系 统 
按 被 控 对 象 分 走 
过 程 控 制 系 统 
按 系 统 功 用 分 
按 系 统 性 能 分 
温 度 控 制 系 统 
压 力 控 制 系 统 
位 罱 控 制 系 统 
线 非 线 性 系 统 
连 续 / 离 散 性 系 统 
定 常 / 时 变 性 系 统 
确 定 / 不 确 定 系 统
  •  
囗 阶 跃 响 应 性 能 指 标 
※ 动 态 性 能 
1. 延 迟 时 间 td : 响 应 
曲 线 第 一 次 达 到 其 终 值 
一 半 所 需 时 间 。 
2 · 上 升 时 间 鰈 : 响 应 
从 终 值 10 % 上 升 到 终 值 
1 
0 
稳 态 讠 天 差 
3 . 10 
90 % 所 需 时 间 : 对 有 振 荡 系 统 亦 可 定 义 为 响 应 从 零 第 一 次 上 升 
到 终 值 所 需 时 间 。 上 升 时 间 是 响 应 速 度 的 度 量 。 
3 · 峰 值 时 间 tp : 响 应 超 过 其 终 值 到 达 第 一 个 峰 值 所 需 时 间 。 
4 · 调 节 时 间 t 、 : 响 应 到 达 并 保 持 在 终 值 内 所 需 时 间 。 
5 · 超 调 量 。 % : 响 应 的 最 大 偏 离 量 h ( (p) 与 终 值 h(T ) 之 差 的 百 
分 比 , 即 
※ 穩 态 性 能 : 由 隐 态 误 差 e 、 、 描 述 。
3 · 2 · 1 一 让 爪 统 的 喽 攵 学 型 
控 制 系 统 的 运 动 方 程 为 一 阶 微 分 方 程 , 称 为 一 阶 系 统 。 
如 RC 电 路 : 
( 0 
· 微 分 方 程 为 : 火 c 
Cc(s) 
1 
· 传 递 函 数 : 
1 
Up(s) RCs+1 1 + 
· 结 构 图 : 
E(s) 
1/Ts 
( 0 
C(s) 
( 0 
0 
c 
C(s) 
囗 一 般 地 , 将 微 分 方 程 为 
+ c ( 0 一 r ( 0 传 递 函 数 为 
丆 
的 系 统 叫 做 一 阶 系 统 。 T 的 含 义 随 系 统 的 不 同 而 不 同 。 
( 0 
0 
1 
Ts + 1
 
 
0 控 制 系 统 的 运 动 方 程 为 二 阶 微 分 方 程 , 称 为 二 阶 系 统 。 
- 在 第 二 章 , 己 得 微 分 方 程 : 
. 取 拉 氏 变 换 , 有 
. 整 理 得 传 递 函 数 
. 又 因 为 
. 故 得 结 构 图 
2 2c(t) 
dc(t) 
2 《 
1 
s2C(s) 艹 —SC(s)+C(s) 一 倒 
C(s) 
s2+240s+0 
标 准 形 式 
C(s) 
标 准 形 式 
· 其 中 : 一 自 然 频 率 ; 一 阻 尼 比 。
 
输 入 r(t)=l(t) , 输 出 
s 平 面 
尸 = 一 1 / 丆 0 
@ 零 极 点 分 布 
1 
0 : 1 一 e 气 / 0 ) 
初 始 斜 率 为 1 / 丆 
1 
0 . 86 . 95 《 0 . 982 
0 . 63 
/ 重 片 1 一 e “ 
0 
丆 2 丆 3 丆 4 丆 
(b) 单 位 阶 跃 响 应 曲 线 
特 点 : 1) 可 以 用 时 间 常 数 去 度 量 系 统 的 输 出 量 的 数 值 : 
2 ) 初 始 斜 率 为 1 / T : 
3 ) 无 超 调 : 稳 态 误 差 e 、 、 : 0 。 
性 能 指 标 : 延 迟 时 间 : td=0.69T 
上 升 时 间 : 鰈 : 2 · 20T 
调 节 时 间 : t 、 =3T ( ^ : 0 · 05 ) 或 t 、 =4T ( ^ : 0 · 02 )
 
1 
1 
输 入 r(t)=ö(t)' 输 出 g(t) : 一 e T (t 0 ) 
g(t) 
0 
g(t) 
T 
1 
T 
初 始 斜 率 为 一 力 / 
0 . 368 / 丆 
0 . 13s / 丆 
丆 
0 . 05 / 丆 0 . 018 / 丆 
2 丆 
3 丆 4 丆 
特 点 : 
@ 单 位 脉 冲 响 应 曲 线 
1) 可 以 用 时 间 常 数 去 度 量 系 统 的 输 出 量 的 数 值 : 
2 ) 初 始 斜 率 为 一 1 / T2 : 
3 ) 无 超 调 : 稳 态 误 差 e 、 、 : 0 。
 
- 其 输 出 的 拉 氏 变 换 为 
e+240s+0 
0 二 阶 系 统 特 征 方 程 
s2 + 2 叫 s + 一 0 
· 其 根 决 定 了 系 统 的 响 应 形 式 。 
· 进 一 步 的 描 述 如 下 图 : 
@ 闭 环 极 点 分 布 
S 
c(t) 
(b) 单 位 阶 跃 响 应 曲 线
 
· 系 统 有 一 对 共 轭 复 根 : 
S 
一 《 ± 丿 叫 1 一 0 
co 叩 
· 阶 跃 响 应 为 
c(t) 一 1 一 
sin(0dt + @ > 0 ) 
其 中 ß=arccos4 叫 一 叫 1 一 2 
砍 阻 尼 二 阶 系 统 的 单 位 阶 响 应 由 稳 态 和 瞬 态 两 部 分 组 成 : 
· 稳 态 部 分 等 于 1, 表 明 不 存 在 稳 态 误 差 : 
· 瞬 态 部 分 是 阻 尼 正 弦 振 荡 过 程 , 阻 尼 的 大 小 由 《 ( 即 6 , 特 
征 根 实 部 ) 决 定 : 
· 振 荡 角 频 率 为 阻 尼 振 荡 角 频 率 ( 特 征 根 虚 部 ) , 其 值 由 
阻 尼 比 和 自 然 振 荡 角 频 率 决 定 。
 
-Con±jon 1 一 
2 · 貊 界 阻 尼 二 阶 系 统 ( 即 《 : 1 时 ) 
· 系 统 有 两 个 相 同 的 负 实 根 : 与 2 一 
· 阶 跃 响 应 : 
· 系 统 单 位 阶 跃 响 应 是 无 超 调 、 无 振 荡 单 调 上 升 的 , 不 存 
在 稳 态 误 差 。 
3 · 无 阻 尼 二 阶 系 统 ( 即 《 : 0 时 ) 
· 此 时 系 统 有 两 个 纯 虚 根 : 
· 阶 跃 响 应 : c(t)=l-cos ' 
· 系 统 单 位 阶 跃 响 应 为 一 条 不 衰 减 的 等 幅 余 弦 振 荡 曲 线 。 
4 · 过 阻 尼 二 阶 系 统 ( 即 01 时 ) 
· 此 时 系 统 有 两 个 不 相 等 负 实 根 一 “ ± 一 1 还 > 
1 
· 阶 跃 响 应 : c(t)= 1 + 
1 
· 系 统 的 单 位 跃 响 应 无 振 荡 、 无 超 调 、 无 稳 态 误 差 。
 
( 2 ) 性 能 分 析 
开 环 传 递 函 数 : 
开 环 增 益 : 
闭 环 传 递 函 数 : 
C(s) 
S 
S S + 2 (D 
Go(s) 
2 
S2 +2; ) S + ) 2 
20 
闭 环 系 统 具 有 零 点 , 可 以 使 上 升 时 间 提 前 · 阻 尼 增 大 , 超 调 减 小 。 
声 特 点 : (1) 引 入 比 例 微 分 控 制 , 使 系 统 阻 尼 比 增 加 , 从 而 抑 制 振 
荡 , 使 超 调 减 弱 , 改 善 系 统 平 稳 性 : 
( 2 ) 零 点 的 出 现 , 将 会 加 快 系 统 响 应 速 度 , 使 上 升 时 间 缩 
短 , 峰 值 提 前 , 又 削 弱 了 “ 阻 尼 ” 作 用 。 因 此 适 当 选 择 微 分 时 间 
常 数 , 使 系 统 具 有 过 阻 尼 , 则 响 应 将 在 不 出 现 超 调 的 条 件 下 , 
著 提 高 快 速 性 。 
( 3 ) 不 影 响 系 统 误 差 , 自 然 频 率 不 变 。
 
( 2 ) 性 能 分 析 
开 环 传 递 函 数 : 
开 环 增 益 : 
闭 环 传 递 函 数 : 
C(s) 
S 
S S + 2 (D 
Go(s) 
2 
S2 +2; ) S + ) 2 
20 
闭 环 系 统 具 有 零 点 , 可 以 使 上 升 时 间 提 前 · 阻 尼 增 大 , 超 调 减 小 。 
声 特 点 : (1) 引 入 比 例 微 分 控 制 , 使 系 统 阻 尼 比 增 加 , 从 而 抑 制 振 
荡 , 使 超 调 减 弱 , 改 善 系 统 平 稳 性 : 
( 2 ) 零 点 的 出 现 , 将 会 加 快 系 统 响 应 速 度 , 使 上 升 时 间 缩 
短 , 峰 值 提 前 , 又 削 弱 了 “ 阻 尼 ” 作 用 。 因 此 适 当 选 择 微 分 时 间 
常 数 , 使 系 统 具 有 过 阻 尼 , 则 响 应 将 在 不 出 现 超 调 的 条 件 下 , 
著 提 高 快 速 性 。 
( 3 ) 不 影 响 系 统 误 差 , 自 然 频 率 不 变 。
 
( 2 ) 性 能 分 析 
开 环 传 递 函 数 : 
开 环 增 益 : 
闭 环 传 递 函 数 : 
C(s) 
S 
S S + 2 (D 
Go(s) 
2 
S2 +2; ) S + ) 2 
20 
闭 环 系 统 具 有 零 点 , 可 以 使 上 升 时 间 提 前 · 阻 尼 增 大 , 超 调 减 小 。 
声 特 点 : (1) 引 入 比 例 微 分 控 制 , 使 系 统 阻 尼 比 增 加 , 从 而 抑 制 振 
荡 , 使 超 调 减 弱 , 改 善 系 统 平 稳 性 : 
( 2 ) 零 点 的 出 现 , 将 会 加 快 系 统 响 应 速 度 , 使 上 升 时 间 缩 
短 , 峰 值 提 前 , 又 削 弱 了 “ 阻 尼 ” 作 用 。 因 此 适 当 选 择 微 分 时 间 
常 数 , 使 系 统 具 有 过 阻 尼 , 则 响 应 将 在 不 出 现 超 调 的 条 件 下 , 
著 提 高 快 速 性 。 
( 3 ) 不 影 响 系 统 误 差 , 自 然 频 率 不 变 。
 
劳 斯 判 据 采 用 表 格 形 式 , 即 劳 斯 表 : 
ala 
23 
c13a3 a1c23 
c13a5 a1c33 
c13a7 一 a1c43 
24 
当 劳 斯 表 中 第 一 列 的 所 有 数 都 大 于 零 时 , 系 统 稳 定 : 反 之 , 
如 果 第 一 列 出 现 小 于 零 的 数 时 , 系 统 就 不 稳 定 。 第 一 列 各 系 数 符 
号 的 改 变 次 数 , 代 表 特 征 方 程 的 正 实 部 根 的 个 数 。
 
例 $ 」 设 系 统 特 征 方 程 为 s4 + 2s3 + 3S2 + 4s + 5 : 0 ; 试 用 劳 斯 稳 定 判 据 
判 别 系 统 稳 定 性 。 
声 注 意 两 种 特 殊 情 况 的 处 理 : 
1 ) 某 行 的 第 一 列 项 为 0 , 而 其 余 各 项 不 为 0 或 不 全 为 0 。 用 
因 子 (s+a) 乘 原 特 征 方 程 ( 其 中 a 为 任 意 正 数 ) , 或 用 很 小 的 正 
数 8 代 替 零 元 素 , 然 后 对 新 特 征 方 程 应 用 劳 斯 判 据 。 
2 ) 当 劳 斯 表 中 出 现 全 零 行 时 , 用 上 一 行 的 系 数 构 成 一 个 辅 
助 方 程 , 对 辅 助 方 程 求 导 , 用 所 得 方 程 的 系 数 代 替 全 零 行 。
 
例 $ 」 设 系 统 特 征 方 程 为 s4 + 2s3 + 3S2 + 4s + 5 : 0 ; 试 用 劳 斯 稳 定 判 据 
判 别 系 统 稳 定 性 。 
声 注 意 两 种 特 殊 情 况 的 处 理 : 
1 ) 某 行 的 第 一 列 项 为 0 , 而 其 余 各 项 不 为 0 或 不 全 为 0 。 用 
因 子 (s+a) 乘 原 特 征 方 程 ( 其 中 a 为 任 意 正 数 ) , 或 用 很 小 的 正 
数 8 代 替 零 元 素 , 然 后 对 新 特 征 方 程 应 用 劳 斯 判 据 。 
2 ) 当 劳 斯 表 中 出 现 全 零 行 时 , 用 上 一 行 的 系 数 构 成 一 个 辅 
助 方 程 , 对 辅 助 方 程 求 导 , 用 所 得 方 程 的 系 数 代 替 全 零 行 。
 
例 $ 」 设 系 统 特 征 方 程 为 s4 + 2s3 + 3S2 + 4s + 5 : 0 ; 试 用 劳 斯 稳 定 判 据 
判 别 系 统 稳 定 性 。 
声 注 意 两 种 特 殊 情 况 的 处 理 : 
1 ) 某 行 的 第 一 列 项 为 0 , 而 其 余 各 项 不 为 0 或 不 全 为 0 。 用 
因 子 (s+a) 乘 原 特 征 方 程 ( 其 中 a 为 任 意 正 数 ) , 或 用 很 小 的 正 
数 8 代 替 零 元 素 , 然 后 对 新 特 征 方 程 应 用 劳 斯 判 据 。 
2 ) 当 劳 斯 表 中 出 现 全 零 行 时 , 用 上 一 行 的 系 数 构 成 一 个 辅 
助 方 程 , 对 辅 助 方 程 求 导 , 用 所 得 方 程 的 系 数 代 替 全 零 行 。
 
3 , 2 , 7 
试 判 别 如 图 3 , 2 , 13 所 示 系 统 的 稳 定 性 。 
10 
卜 1 伍 
甸 结 构 1 
CCs) 
图 3 . 2 口 3 系 统 结 构 图 
解 
( 1 ) 见 图 3 . 2 口 3 ( a ) 所 示 , 闭 环 传 递 数 为 
、 吓 + 2 ) 
0 ( 的 
10 
1 + 0 + 10 、 ) 
以 、 + 2 ) 
10 
闭 环 特 征 方 程 为 
、 2 + 102 、 + 10 = 0 
由 于 闭 环 特 征 多 项 式 系 数 全 部 大 于 零 , 所 以 系 统 是 稳 定 的 。
 
3 · 5 · 1 笾 ` 态 . 误 . 差 的 定 义 
稳 态 误 差 是 衡 量 系 统 最 终 控 制 精 度 的 重 要 性 能 指 标 。 稳 态 误 
差 是 指 , 稳 态 响 应 的 希 望 值 与 实 际 值 之 差 , 即 稳 定 系 统 误 差 的 终 
值 
“ ( t ) : 希 望 值 一 实 际 值 
· 由 图 沪 斤 示 , . 误 差 定 义 有 两 种 方 式 : 
R(s) 
单 位 反 馈 时 两 种 定 义 相 同 。 
3 · 5 · 2 笾 ` 态 . 误 . 差 讠 十 箅 
误 差 传 递 函 数 为 : 巾 。 倒 一 
E(s) 
B(s) 
1 
C(s) 
G(s) 
H(s) 
R(s) 1 + G(s)H(s) 
e 一 lime(t) 一 lim 访 ( 一 lim 
· 根 据 终 值 定 理 
· 使 用 该 公 式 应 满 足 、 E ( 、 ) 在 、 右 半 平 面 及 虚 轴 上 解 析 条 即 
SE ( s ) 的 极 点 均 位 于 s 左 半 平 面 。 当 SE ( s ) 在 坐 标 原 点 具 有 极 点 时 , 
虽 不 满 足 虚 轴 上 解 析 的 条 件 , 但 使 用 后 所 得 无 穷 大 的 结 果 正 巧 与 
实 际 应 有 的 结 果 一 致 , 因 此 实 际 应 用 时 可 用 此 公 式 。
 
例 $ 设 单 位 反 馈 系 统 开 环 传 递 函 数 为 G ( 9 : 1 / T 、 , 输 入 信 号 分 别 
为 1) r(t)=t , 2 ) r(t)=t2/2 , 3 ) r(t)=sinot' 求 系 统 稳 态 误 差 。 
1 
解 : 误 差 传 递 函 数 为 巾 。 一 
1 
火 ( 1 + G ( H ( 1 + 八 
T 
符 合 终 值 定 理 应 用 条 件 。 
S 
=IimsE(s) : lim 
e 
e 
3 ) 9 一 
1 
、 分 0 1 + 
T 
, 符 合 终 值 定 理 应 用 条 件 。 
s2 ( 1 + ) 
S 
1 
: lim s ( : lim 
乛 0 s(l + ) 
1 + e+0 
, 不 符 合 终 值 定 理 应 用 条 件 。 
· 使 用 终 值 定 理 将 得 出 错 误 结 论 。 
※ 本 题 说 明 : 1) 使 用 终 值 定 理 要 注 意 条 件 
2 ) 稳 态 误 差 与 输 入 有 关 。
 
前 向 通 路 中 有 个 积 分 环 节 0 , 根 据 的 个 数 , 定 义 开 环 系 统 的 类 型 为 : 
= 0 , 称 该 开 环 系 统 为 0 型 系 统 ; 
“ 1 , 称 该 开 环 系 统 为 I 型 系 统 ; 
= 2 , 称 该 开 环 系 统 为 Il 型 系 统 
因 为 可 以 确 定 闭 环 系 统 无 差 的 程 度 , 有 时 也 把 称 为 系 统 的 无 差 度 。 
对 于 系 统 的 数 学 模 型 作 如 上 的 分 解 , 完 全 是 为 了 系 统 稳 态 误 差 的 表 达 简 捷 明 了 与 推 导 计 3 
方 便 。 所 以 , 一 般 情 况 下 , 先 要 将 系 统 变 换 成 如 上 所 述 的 表 达 形 式 。 
综 上 所 述 , 控 制 系 统 的 稳 态 误 差 主 要 由 三 方 面 确 定 : 
( 1 ) 输 人 信 号 的 类 型 , 即 所 需 跟 踪 的 基 准 信 号 , 如 0 、 1 好 ) 厶 一 ' 2 等 ; 
( 2 ) 系 统 的 开 环 增 益 K 。 , 它 可 以 确 定 有 差 系 统 稳 态 误 差 的 大 小 ; 
( 3 ) 系 统 的 无 差 度 , 它 可 以 确 定 能 够 无 差 跟 踪 的 信 号 的 阶 数 。 
上 述 三 项 因 素 也 称 为 稳 态 误 差 的 三 要 素
 
当 输 入 为 单 位 斜 坡 信 号 时 
将 式 中 的 极 限 式 li 灬 C 。 0 ) 定 义 为 系 统 的 静 态 速 度 误 差 系 数 K , 表 示 为 
K =lims , Co(s) 
这 样 , 稳 态 误 差 可 以 由 静 态 速 度 误 差 系 数 K 。 来 表 示 为 
1 
K 
( 3 一 95 ) 
( 3 一 96 )