控制工程基础课程提纲

控制工程基础控制工程基础提纲河海大学机电工程学院实验楼A210电话：[e-mail]控制工程基础第一章自动控制的一般概念Ch1.1基本原理与方法一.反馈控制原理自动控制的定义；反馈控制的本质。二．反馈控制系统的基本组成1.给定元件;2.反馈元件;3.比较元件;4.放大元件;5.执行元件;6.校正元件.控制工程基础三.基本控制方式1.开环控制；2.闭环反馈控制Ch1.2自动控制系统的分类一.按输入量的特征分类1.恒值控制系统;2.程序控制系统;3.伺服系统.二.按系统中传递信号的性质分类1.连续控制系统;2.离散（数字）控制系统控制工程基础三.线性系统和非线性系统1.线性控制系统;2.非线性控制系统Ch1.3对控制系统的基本要求1.稳定性;2.精确性;3.快速性（动态性能）.控制工程基础第二章控制系统的数学模型Ch2.1控制系统的时域数学模型一.建立控制系统中元件时域数学模型步骤二.建立整个控制系统时域数学模型步骤三.时域数学模型的标准形式四.丝杠传动系统时域数学模型的建立控制工程基础Ch2.2控制系统的复数域数学模型(传递函数)一.拉氏变换的主要运算定理1.线性定理；2.微分定理；3.位移定理；4.终值定理二.传递函数的定义和性质1.前提条件:(1)时域数学模型为线性定常系统；(2)零初始状态.控制工程基础三.典型元件的传递函数注意：各典型元件的标准形式sseekkkkdjjvcllllbiisTsTsTssssKsG12211221)12()1()12()1()(比例环节一阶微分环节二阶微分环节积分环节惯性环节振荡环节延迟环节纯微分环节控制工程基础Ch2.3控制系统的结构图与信号流图一.结构图的组成与绘制二.结构图的等效变换和简化1.串联方框的简化;2.并联方框的简化;3.反馈方框的简化;4.基于比较点的简化;5.基于引出点的简化.控制工程基础三.信号图的组成及性质1.组成:(1)节点:输入节点;输出节点;混合节点.(2)支路.(3)通路.(4)回路.(5)不接触回路.四.信号图的绘制控制工程基础五.梅逊(Mason)公式要求：利用结构图的等效变换和简化求整个系统传递函数与利用信号流图及梅逊(Mason)公式求系统传递函数掌握其中一个。控制工程基础第三章线性系统的时域分析法Ch3.1系统时间响应的性能指标一.时域分析的三大任务：1.系统分析；2.综合或设计；3.系统模型辨识。二.典型输入信号:单位阶跃函数;单位斜坡函数;单位加速度函数;单位脉冲函数;正弦函数.二.系统响应过程：1.动态过程；2.稳态过程控制工程基础Ch3.2一阶系统的时域分析一.数学模型(传递函数)二.一阶系统的阶跃响应三.一阶系统阶跃响应的性能指标过渡时间：系统输出（响应）与其稳态值误差绝对值小于2%所对应的最小时间。11C(s)R(s)Ts11tTc(t)eTts4控制工程基础四.一阶系统的单位斜坡响应性质：(1)经过足够长的时间(≥4T)，输出增长速率近似与输入相同；(2)输出相对于输入滞后时间T；(3)稳态误差=T1tTc(t)tTTe控制工程基础Ch3.3二阶系统的时域分析一.传递函数二.闭环特征方程根（闭环极点）三.四种阻尼欠阻尼：01；临界阻尼：=1过阻尼：1；零阻尼：=0控制工程基础四.二阶系统的单位阶跃响应1.欠阻尼21sin1ntdectt211tg2.零阻尼()1cosnctt控制工程基础3.临界阻尼111nnntttnnctetete五.欠阻尼二阶系统的动态过程分析1.三个衡量系统响应快速性能指标峰值时间：上升时间：调节（过渡）时间：2.两个衡量系统响应平稳性的性能指标超调量：振荡次数ptrtst控制工程基础六.改善二阶系统性能的常用方法1.PID控制方法；2.测速反馈控制方法控制工程基础Ch3.4线性系统的稳定性分析一.稳定的充要条件二.稳定性判别的Routh判据三.稳定性判别的Hurwitz判据要求：掌握熟练其中一个稳定性判据。控制工程基础Ch3.5线性系统的稳态误差计算一.系统的误差与稳态误差以及相互关系二.单位负反馈系统稳态误差的计算三.与输入有关的稳态误差阶跃、斜坡和加速度三个典型输入信号对应的各自系统稳态误差00limlim1sssssseesRssEsGsHs控制工程基础四.与系统类型有关的稳态误差开环无积分环节、有一个积分环节、有两个积分环节，系统分别对应阶跃、斜坡和加速度三个典型输入信号时的稳态误差计算。控制工程基础第四章线性系统的根轨迹法Ch4.1根轨迹的幅角条件*11niimjjspKsz11210,1,2,mnjijikk控制工程基础Ch4.2根轨迹绘制的基本法则一.根轨迹起点与终点二.根轨迹分支条数，连续性和对称性三.判断实轴上某一区段是否为根轨迹四.根轨迹的渐近线与实轴交点坐标、与实轴倾角11nmijijapznm＝(21)180;0,1,,1akknmnm控制工程基础五.根轨迹的分离点(重合点):d六.根轨迹与虚轴的交点1.代入特征方程11111,2,1,2,mnjijijidzdpzjmpin开环零点开环极点sj*110000nmijijDsspKszRjIRI控制工程基础2.利用Routh表方法七.根轨迹的起始角和终止角要求熟练掌握前六条关于根轨迹的绘制法则，了解第七条法则。1111ijijiijijimnpzpppjjjimnzzzpzjjji控制工程基础Ch4.3广义根轨迹一.系统的等效开环传递函数二.根轨迹绘制法则在广义根轨迹绘制中的应用三.从根轨迹的角度，理解附加开环零点的作用控制工程基础第五章线性系统的频域分析法Ch5.1频率特性一.求法1.2.系统的零-极点图表示系统的频率特性()()()()()jGjAeUjV22()|()|()()AGjUV1()()()()VGjtgU()()cos()UA()()sin()VA控制工程基础二.频率特性的几何表示法1.幅相频率特性曲线:极坐标图(Nyquist曲线)2.对数频率特性曲线(Bode图)两张图分别表示幅值频率特性和相角频率特性，其中两张图中横坐标：输入信号的频率采用对数分度，幅值（单位dB,20lg(A)）/相角则采用线性分度控制工程基础Ch5.2开环系统的典型环节分解和开环频率特性曲线的绘制一.典型环节的频率特性的Nyquist曲线Bode图表示1.比例环节2.积分环节3.微分环节4.惯性环节5.一阶微分环节6.振荡环节控制工程基础二.开环Nyquist曲线1.Nyquist曲线的范围：通过开环相频特性的取值范围确定Nyquist曲线在复平面中的哪个（几个）象限。2.特征点:起点：终点：与实轴的交点：000,,A,,A000Im,Im,GjHjGjHj控制工程基础与虚轴的交点：考虑到在闭环系统稳定性判别中的应用，Nyquist曲线与负实轴的交点位置尤其重要。30202Re,Re,GjHjGjHj控制工程基础三.开环对数频率特性曲线(Bode图)1.一般方法Bode图有两张图构成，即对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。它们都可以由构成开环系统的典型环节各自的对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线叠加而成。2.简易方法对于开环系统的对数幅频特性曲线有以下简易方法：控制工程基础20lg20lg20lgKGjjLAK11,20lg,0LKKL经过11200,lg,,KK斜率为20Kj与另一典型环节，如11jT组成的系统112020201lglglgKGjjjTKLAjTj控制工程基础选取10012,.,KT--------0.1110100204060-20-4012-40dB/dec-60dB/dec控制工程基础Ch5.3频率域稳定性判据一.Nyquist稳定性判据：利用系统开环Nyquist曲线判断闭环系统稳定性。Z:系统闭环在S右半平面中的极点个数P:系统开环在S右半平面中的极点个数R:开环围绕点(-1,0j)反时针的圈数三者关系：R的计算：Nyquist曲线自下向上穿越实轴的区段，计为一次负穿越，用表示总次数；表示总正穿越次数2ZPR1,RR控制工程基础RRR如果开环的积分环节个数大于等于2，即,那么，先在Nyquist的起点处反时针补画一半径为A(0)无穷大，中心角为的圆弧，然后再计算R。090RR控制工程基础二.Bode稳定性判据：利用系统开环Bode图判断闭环系统稳定性在对数相频特性曲线0处补画一条从相角0的线条，然后计算2,,,RRRRRZPRBode判据：在Bode图上，开环对数相频在0~c范围内，正穿越-180度线的次数与负穿越-180度线的次数分别为20,,RRZPRR，闭环稳定，反之不稳定0090