上海交通大学815 控制理论基础课后题,详解
上海交通大学现代控制课程ppt
控制理论的基本概念
自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过 程自动地按照预定要求进行。 对象：是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其 作用是完成一个特定的动作。称任何被控物体（如加热炉、化学 反应器或宇宙飞船）为对象。 过程：称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、 经济学过程、生物学过程。
反馈控制：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情 况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或 者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这 一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动 （即那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的 或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他 们的测量是完全不必要的。
现代控制理论发展的主要标志
卡尔曼：状态空间法
卡尔曼：能控性与能观性
庞特里雅金：极大值原理
现代控制理论的主要内容
线性控制系统理论 有限维线性时不变系统是实际中最经常遇到的一类系统，因此多变 量线性系统理论一直是多年来研究的重心。其主要内容有系统的结构 问题，如能控性、能观测性、最小性等；以及关于反馈控制问题，如 极点配置、解耦、鲁棒控制等问题。 系统辨识 简而言之，所谓系统辨识就是利用系统(设备)在试验或运行中测得 的数据构造出系统的数学模型，并估计其参数的理论和方法。 自适应控制 自适应控制所研究的对象是具有不确定性的系统。自适应控制是一 个比较复杂的问题，也是控制理论用于实际的重要问题，是目前非常 活跃的研究课题，并且正朝着更高级更复杂的自学习及智能控制系统 等方向发展。
经典控制理论的发展
概括地说，古典控制理论主要包括一个核心概念：传递函数。两 个基本方法：频率响应及根轨迹法。原则上它们只适合用来对单输 入 - 单输出控制系统进行分析、综合与设计。 17 世纪瓦特 (watt)飞锤控制器的应用，可以看成是自动控制学 科发展的起点。到了19世纪后半叶，虽然自动控制技术已取得了许 多重大的进展，例如到1870年，已经在闭环系统中应用完善的PID 控制，与此同时，反馈原理也开始用于笨重机械 ——伺服机械的控 制，但是在控制理论方面却进展迟缓。直到上世纪20年代，常微分 方程及稳定性代数检验方法仍然是控制工程师的唯一分析工具。控 制理论进一步发展的关键性转机来自另一个重要的技术领域 ——通 讯工程。1932年奈奎斯特(Nyquist)的《再生理论》一文，开辟了 频域法的新途径。经过大约10年的时间，控制理论的微分方程法几 乎完全被频域法所取代。
现代控制理论基础习题解答
+ +
y
1
1
x3
s
3
1-4 已知系统的传递函数，试列写出状态空间表达式，并画出状态变量图。 （1）解
a 3 1, a 2 0,
G (s)
a 1 0,
s 2 2s 3 s3 1
b 0 0,
+
b1 1,
b 2 2,
b3 3
状态变量图为
1
U ( s) E ( s) 1
y 1 0 0x
状态变量图：
u
3
_
3 1 x3 1 x 2 1 x1 y x s s s5
5
+
3
作业和课堂练习
课堂练习： 已知系统的传递函数， 试列写出状态空间表达式， 并画出状态变量图。
G (s)
3s 4 s(s 1)(s 3)
s1 0 , s 2 -1, s 3 -3
y 1 0 0x
状态变量图：
u
2
3 1 x3 x _ s5
5
+
+
2 s x
1
x 2 1 x1 y
s
3
方法二： 状态空间表达式：
0 0 x a 3 1 0 -a2 0 0 1 x 0 u a1 1
u _
L2
i2
C22
x1 i1
R1 1 1 x1 x4 u L1 L`1 L1 1 1 2 x x3 x4 L2 L2 1 3 x x2 C2 1 x 4 x 1 1 x1 x2 C1 C1
设状态变量
x 2 i2 x3 1 i2 dt c2
上海交通大学 817自动控制原理 考研大纲
上海交通大学2005年硕士研究生入学考试自动控制原理-专业课大纲参考教材：《自动控制原理》（第二版）李友善主编国防工业出版社《自动控制理论与设计》（新世纪版）徐薇莉、曹柱中、田作华上海交通大学出版社《自动控制原理》吴麒主编（上、下）清华大学出版社复习大纲：1．基本概念(1) 自动控制系统的概念；(2) 掌握反馈控制系统的基本工作原理及基本构成；(3) 了解自控系统的典型输入信号形式。
2．控制系统的数学描述(1) 掌握控制系统的微分方程描述及建立；(2) 掌握基本的拉氏变换与拉氏反变换方法，并列写控制系统的传递函数；(3) 控制系统的方框图表示及其化简；(4) 控制系统的信号流图表示，并采用梅森公式求系统传递函数；(5) 单输入单输出系统的状态空间表达及其能控性能观性判别；(6) 传递函数模型与状态空间表达之间的转换。
3．时域分析(1) 一阶系统、二阶系统的时域响应分析；(2) 系统稳定性与闭环特征方程的关系，采用Routh判据判断闭环系统稳定性，并绘制系统的单参数、双参数稳定域；(3) 掌握系统稳态误差、稳态误差系数的概念及计算；(4) 了解高阶系统简化为二阶系统的条件。
4．复数域分析(1) 掌握一般根轨迹的绘制规则，并绘制根轨迹；(2) 利用根轨迹分析系统特性。
5．频域分析(1) 典型环节的Bode图，开环系统的频率响应求取；(2) 系统开环Bode图与系统开环传递函数的对应关系及转换求取；(3) Nyquist图的绘制及Nyquist稳定判据；(4) 控制系统的相对稳定性——相角裕度与幅值裕度的概念及其求取方法；(5) 时频指标关系及其转换经验公式。
6．单变量系统的校正与综合(1) 掌握时域、复域、频域指标及其相互转化；(2) 了解PID控制的基本概念；(3) 串联校正——超前校正，迟后校正，迟后-超前校正。
上海交通大学机械考研控制理论基础II-机械电子用
(温升值＝测得实际温度－环境温度)。
4、操作频率 在单位时间(1小时)内允许操作的最高次数。 5、寿命
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控制理论基础 (II) • 一 开关电器 • 1 刀开关 • 功能：通断电源 • 选型： • 电压 • 电流大于额定 • 工作电流的三倍 •
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控制理论基础 (II)
第一章 绪论
熔断器
功能：串在要保护的 电路中，进行短路 保护和严重的过载保护
选型：额定电压应该大于或等于线路的额 定电压; 额定电流应该大于或等于熔体的 额定电流 (核心)
低压电器：直流1500V以下的电器；交流1200V以 下的电器。
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控制理论基础 (II)
第一章 绪论
低压电器分类
按作用，一般分为两类：低压配电电器、 低压控制电器。 • 低压配电电器 用于输配电系统，典型产 品有：刀开关、自动开关、熔断器等； • 低压控制电器 用于电力拖动控制系统， 典型产品有：继电器、接触器、主令电器等。
控制理论基础 (II)
第一章 绪论
控制按钮 AC 380V DC220V 5A 红色：停止 绿色：启动 选型：触点数，场合，颜色 种类：常开，常闭，复合
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上海交大自动控制原理习题参考答案
+
−
其中测量装置为仪表，执行装置为阀门。（应该将操作员放在比较器的位置上） （2）略
A2-7 汽车悬浮系统的简化模型如图 A2-3 所示。汽车行驶时轮子的垂直位移作为一个激励 作用在汽车的悬浮系统上。图 A2-3 (b) 是简化的悬浮系统模型。系统的输入是 P 点（车轮） 的位移 xi ，车体的垂直运动 xo 为系统的输出。求系统的传递函数 X o (s) / X i (s) 。
车体
上互不接触回路。回路是：
L1
=
−
KG1(s)G2 s
(s)
L2 = −G1(s)G2 (s)H 2(s)
L3 = −G1 (s)H 3 (s)
L4 = −G1 (G2 (s)H1 (s)
∆
=
1−
(L1
+
L2
+
L3
+
L4
)
=
1+
KG1 (s)G2 s
(s)
+
G1 (s)G2
(s)H
2(s)
+ G1 (s)H 3 (s) + G1 (s)G2 (s)H1 (s)
前向通路只有一条：
P1
=
KG1 (s)G2 (s) s
所以
∆1 = 1
C(s) =
KG1 (s)G2 (s)
R(s) s + KG1 (s)G2 (s) + sG1 (s)G2 (s)H 2(s) + sG1 (s)H 3 (s) + sG1 (s)G2 (s)H1 (s)
上海交大81考研控制理论基础课件控制理论基础(I)第3章_频率特性
xc (t) ae jt ae jt A | G( j) | e j(tG( j)) e j(tG( j))
2j A | G( j) | sin(t G( j))
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控制理论基础 (I)
放大环节幅相频率特性
第三章 频率特性
G( j) K
| G( j) | U2 () V2 () K
G( j) tg1 V() tg1 0 0
U()
K
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bm an
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控制理论基础 (I)
第三章 频率特性
G( j) Xc ( j) Xr ( j)
G( j) Xc ( j) Xr ( j)
| G( j) || Xc ( j) | Xr ( j)
G( j) A()ej() U() jV()
幅频特性 相频特性 实频特性
A() | G( j) | U2 () V2 ()
() G( j) tg1 V() U ()
U() A() cos()
虚频特性 V() A()sin ()
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控制理论基础 (I)
3.1.3 频率特性的物理意义
第三章 频率特性
《现代控制理论基础》第2版 现代控制理论基础_上海交通大学_施颂椒等_PPT_第5章
① 定义 有理函数 g(s) 当s 时，
② g(假)设
常n数(s〔) d(s) g(s)〕， 就称为正那么有理函数。
③ g假( 设)那么有理函数。
④
假g(设) 〔 n(s)d(s)
g(〕s) ， 就是 非正那么有理函数。
有理函数阵 G (s) 假设G() 0 ，那G (s么) 是严格正那么有理函数阵〔其每个元均为
G (s) C (sI A )1BD
那么(称A,B,C,D) 是G (s) 的一个实现。
•实现研究的问题
⑴ G (s)可实现为 (A,B,C,D) 的条件问题 ⑵ G (s) 实现的方法
〔5－1〕
•最小实现
如果 (A,B,C,D)是G (s) 的一个实现，那么其所有等价系统也都是其 实现 。 G (s) 可有不同维数的实现，其中维数最小的实现称为最小实 现。它描述了系统的既能控又能观的局部。通常要求的实现 为最小实现。
s 1 s4 s(s1) (s1)s(3) (s1)s(3)
s
1
3
s(s 1 )s( 2 ) (s 1 )s( 2 )s( 3 ) s(s 1 )s( 2 )s( 3 )
G (s) 的特征多项式为：s(s1)s(2)s(3)，deG g(s)4。
⑵ G (s) 可实现为 (A,B,C,D) 的条件
③ 非正那么传递函数〔G() 〕，也存在实现，其实现具有
④ 如下形式
Ex(t)A(xt)Bu(t) y(t)Cx(t)Du(t)
〔5－9〕
式中 E为奇异阵。这种形式的系统称为广义系统，或奇异 系统。(本书不予讨论，在专门文献中研究)
5.2.2 最小实现的性质
如果将例〔5－5〕的传递函数阵写成
G ( s ) G 1 ( s )G 2 ( s )
上海交通大学815课本重点总结
课本重点总结第二章系统建模（1）拉式变换与反变换终值定理以及初值定理（2）系统建模机械系统：例2.5电气系统：例2.7，例2.8黄书例2.16（3）线性化课本43与44页，结合黄书例2.8黄书课后题2.13（4）方块图化简这里只说一点，用梅森公式化简，，注意梅森公式解题方式的步骤。
第三章频率特性（1）非最小相位系统的频率特性黄书例3.11（2）理解频率特性的含义黄书例3.1（3）伯德图（4）频域性能指标谐振峰值，谐振频率，截止频率，带宽第四章稳定性分析（1）劳斯判据几种特殊情况的处理：全0行第一列出现0判断系统特征方程根位于平行于虚轴的直线（如s=-2）的左侧或者右侧的数目课本例4.7（2）奈奎斯特稳定性判据普遍情况下的判据开环传递函数具有积分环节的判据伯德图上面的判据注：实在不行就用劳斯判据判断判稳和右根数目（3）稳定性裕量相位裕量和增益裕量的求法例4.13 黄书4.14和4.20第五章误差分析这章就注意一点，我们在计算系统误差时，要首先判断系统是稳定的，在计算步骤里面要体现出来。
我们追求系统要稳快准嘛，首先要稳，不然就谈不上准。
第六章瞬态响应分析（1）一阶系统单位阶跃响应时间常数T的相关知识极点距离虚轴越远，系统响应越快（why?）还有线性定常系统的重要性质（2）二阶系统欠阻尼：课本170页（3）具有零点的二阶系统附加一个零点会使二阶系统超调量和上升时间如何变化附加零点距离虚轴越近，所起的作用越大（4）闭环主导极点（5）瞬态响应指标计算公式以及公式推导过程上升时间，峰值时间，最大超调量，调整时间例6.5,例6.6，黄书6.10，黄书课后题6.12第七章系统校正黄书192页表7-1PID概念以及作用第八章根轨迹绘制根轨迹的规则（最好多看两遍，要看推导过程）根轨迹分析开环零点和极点对根轨迹的影响参数变化对根轨迹的影响黄书例8.2，8.4第九章状态空间分析法（1）状态变量的选取（2）状态空间与传递函数相互转化（3）状态方程的求解：齐次和非齐次（记公式以及步骤）注：推荐用拉普拉斯变换法求矩阵指数（4）能控和能观定义以及判别方法例9.11（看自己能不能写出来）（5）状态空间综合法状态反馈和输出反馈公式推导，并且方块图都要会画例9.14状态观测器的设计其设计思想，方块图，公式推导，以及设计步骤例9.15基于观测器的状态反馈例9.16，例9.18,9.20,9.21第十章非线性控制（1）典型非线性1.饱和2.死区3.非线性增益4.间隙5.继电器6.滞环（2）描述函数法如果有余力，把典型非线性特性的描述函数记住甚至会推导，没余力就算了，赌一把它不考或者给出公式（3）描述函数法分析例10.1和例10.2。
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10.1试求图P10.1所示各非线性特性的描述函数。
10.2试判别图P10.2尼奎斯特图中各非线性系统的稳定性，及是否存在自持振荡。
10.3试确定图P10.3所示系统的稳定性。
10.4具有饱和非线性特性的控制系统如图P10.4所示。
试确定系统在稳定状态下的最大增益K值。
若增益K=3，系统是否存在极限破坏？如果存在极限环振荡，求出其频率和振幅。
10.5确定如图P10.5所示系统的极限环振荡频率和振幅。
10.6图P10.6为一含有间隙的非现象控制系统。
试在尼柯尔斯图上研究其稳定性，确定极限环振荡的频率和振幅，以及消除这些极限环振荡的具体措施。
图中间隙特性的单边宽度h=1，斜率k=1。
10.7具有理想继电器特性的非线性系统如图P10.7所示。
绘制系统的相轨迹图，并分析系统的瞬态响应。
10.8具有饱和特性的非线性控制系统如图P10.8所示。
试绘出系统在单位斜坡输入下的相轨迹图，设系统原来处于静止状态。