自动控制原理（全套课件902P）.ppt

自动控制原理 §1-1 控制系统的基本概念 二、控制理论学科的发展 具有自动功能的装置自古有之，例如古希腊的“水钟”，中国古汉代的“指南车” 控制理论的产生可追述到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，Jams Watt发明的蒸汽机上的离心式飞锤调速器应用了反馈原理进行设计的。之后，麦克斯韦对它的稳定性进行分析，并于1868年发表论文，当属最早的理论工作。 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据 1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性 的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。 1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。 在二次世界大战期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了《控制论》一书，标志着控制理论学科的诞生。 控制理论发展经过了三个时期： 第一阶段：经典控制理论（20世纪40年代末到50年代）。 研究对象:线性定常单输入单输出系统 主要数学工具:微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等 主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法 主要解决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。 1、授课对象： 工业自动化专业、测控技术与仪器本科专业 2、本课程的性质和任务： 《自动控制理论》是工业自动化专业和测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。 通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。 3、本课程与相关课程的关系 5、选用教材： 《自动控制原理》，顾树生、王建辉，冶金工业出版社。 主要参考书目： [1]杨自厚，《自动控制原理》，冶金工业出版社，2003.6。 [2]胡寿松，《自动控制原理》，国防工业出版社，2000年。 [3]绪方胜彦，卢伯英等译，《现代控制工程》，科学出版 社，1981年。 [4]李友善，自动控制原理，国防工业出版社 [5]孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 [6]李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，1987 6、学时安排：90学时 教学内容 第五章 控制系统的频域分析法 本章将介绍频率特性的基本概念，典型环节和系统的频率特性的极坐标图和伯德图，奈奎斯特稳定判据和频域性能指标与时域性能指标之间的关系等。 第五章 线性系统的频域分析 5-1 频率特性的基本概念 5-2 典型环节的频率特性 5-3 开环频率特性分析 5-4 频域稳定性判据 5-5 控制系统的相对稳定性 5-6 闭环频率特性 5-7 频域响应和时域响应之间的关系 则输入信号的拉氏变换是: 获取系统频率特性的途径有两个: 一、解析法当已知系统的传递函数时，用代入传递函数可得到系统的频率特性G(jω)。因此，频率特性是特定情况下的传递函数。它和传递函数一样，反映了系统的内在联系。这种通过传递函数确定频率特性的方法是求取频率特性的解析法。 5-2 典型环节的频率特性 （一）放大环节（比例环节） 天天台 在低频范围内，对输入信号的幅值衰减较小，滞后相移也小，在高频范围内，幅值衰减较大，滞后相角也大，最大滞后相角为900。 推广：当惯性环节传递函数的分子是常数K时，即G(jω)=k/(jTω+1)时，其频率特性是圆心为:[k/2,0]，半径为k/2的实轴下方半个圆周。 (四）振荡环节  振荡环节的幅频特性和相频特性均与阻尼比ξ有关，不同阻尼比的频率特性曲线如图所示。 总结：各环节的频率特性 总结：各环节的极坐标图 （六）二阶微分环节 二阶微分环节的频率特性是： 总结：各环节的频率特性 总结：各环节的BOde图 总结：各环节的BOde图 5-4频域稳定性判据 二、基于辅助函数F(s)的奈氏判据 三、基于开环传递函数G(s)H(s)的奈氏判据 四、基于开环频率特性G(jω)H(jω)的奈氏判据 当Γs过平面原点时，s=j0，它在GH平面上的映射为: （3）当s在Γs的第三部分上的变化时， 奈氏轨迹的第三部分（无穷大半圆弧）在GH平面上的映射为常数K，如图5—43（a）所示。 （二）基于G(jω)H(jω)的奈氏判据 五、奈氏判据的应用 稳定性判断 一、极坐标判断稳定性： 1、曲线穿越单位圆时，相角大于- π—系统稳定； 2、曲线穿越单位圆时，相角