自动控制原理第五章复习总结(第二版)
自动控制原理第五章
1第五章 频域分析法目的：①直观，对高频干扰的抑制能力。
对快(高频)、慢(低频)信号的跟踪能力。
②便于系统的分析与设计。
③易于用实验法定传函。
§5.1 频率特性一. 定义)()()()(1n p s p s s s G +⋅⋅⋅+=θ在系统输入端加一个正弦信号：t R t r m ωsin )(⋅=))(()(22ωωωωωj s j s R s R s R m m -+⋅=+⋅=↔ 系统输出：))(()()()()(1ωωωθj s j s R p s p s s s Y m n -+⋅⋅+⋅⋅⋅+=2t j t j e A e A t y t y ωω⋅+⋅+=↔-瞬态响应)()(1 若系统稳定，即)(s G 的极点全位于s 左半平面，则 0)(l i m 1=∞→t y t 稳态响应为：t j t j ss e A eA t y ωω⋅+⋅=-)( 而)(21)()(22ωωωωωj G R j j s s R s G A m j s m -⋅-=+⋅+⋅⋅=-= )(21)()(22ωωωωωj G R jj s s R s G A m j s m ⋅=-⋅+⋅⋅== ∴t j m t j m ss e j G R je j G R j t y ωωωω⋅⋅+⋅-⋅-=-)(21)(21)( =])()([21t j t j m e j G e j G R jωωωω-⋅--⋅⋅ 又)(s G 为s 的有理函数，故)()(*ωωj G j G -=，即3φωωj e j G j G )()(=φωωj e j G j G -=-)()( ∴][)(21)()()(φωφωω+-+--⋅=t j t j m ss e e j G R jt y =)sin()(φωω+⋅⋅t j G R m=)sin(φω+⋅t Y m可见：对稳定的线性定常系统，加入一个正弦信号，其稳态响应也是一个同频率的正弦信号。
自动控制原理第五章-2
稳定。
Im
1 Kg
wg
Re
(wc )
wc
w
开环对数幅相曲线上的幅值裕度和相角裕度
-Kg(dB)
Kg(dB)>0
K g (dB) 20 lg
1 20 lg G ( jwg ) H ( jwg ) G ( jwg ) H ( jwg )
若系统稳定，则：Kg>1(K(dB)>0)，r>0。 一般，为确定系统的相对稳定性，描述系统的稳定程度， 需要同时给出幅值裕度和相位裕度两个量，缺一不可。 工程上，一般取：
1 T w 1
2 2
(w) arctanTw
M (0) 1, M r 1, wr 0, wb 1/ T ts 3T 3 / wb , tr 2.20T 2.20 / wb
( 0.05)
T 2
2、二阶系统 R(s)
_
2 wn s( s 2wn )
K g (dB) 10dB r 300 ~ 600
(K g (dB) 6dB)
判断系统稳定的又一方法
0
h(dB) 0
h 1
180 G( jc )H ( jc )
h 20 log G ( j g ) H ( j g )
1 h G( j g ) H ( j g )
2. 带宽频率b
当系统闭环幅频特性的幅值M()降到零频率幅值的0.707(或零分贝值以下3dB) 时，对应的频率b称为截止频率。0～b的频率范围称为带宽，它反映系统的快速 性和低通滤波特性。
自动控制原理第五章
第一节
频率特性
一、频率特性的一般概念
二、频率特性的解析表示和频率特性曲线的绘制
三、频率特性的几点说明
一、频率特性的一般概念
1、频率特性的定义
若输入为:
r ( t) Ar si n ( ω 1) t
r(t)
G(s)
c(t)
t 则系统的稳态输出为: Cs s( t) A c si n ( ω 2 ) 特点：输出信号的稳态值频率不变、但幅值和相位发生一定的变化。选择量 化关系反映系统输出对不同频率正弦输入信号的复现能力，从而达到反映系 统特性的目的。
幅频特性： 相频特性： 频率特性：
A(ω )
Ac Ar
频率特性中，自变量频率取值范围 零至无穷，称全频特性。 全频特性将是系统性能分析的依据。
( ω ) 2 1
j G ( j ω) A ( ω) e (ω) G ( j ω) jG (j ω) e
2、频率特性的求取
1
Im
Ts 1
Im
ω
- Ts 1
ω
-1 1
Re ω=∞
1 Ts 1
Re ω=0
ω=0
-Ts 1
ω=∞
分析以下两个对应环节Nyquist曲线的区别？
( Ts 1 ) , ( Ts 1 ) ; 1 1 , ( Ts 1 ) ( Ts 1 )
不稳定环节Bode 曲线的绘制规律?
关注典型环节特征： Nyquist曲线所在象限； Bode曲线相频和幅频渐近线的绘制及对应关系； 不稳定环节特征（两种曲线联系分析）。
比例、积分、微分环节的Nyquist曲线和Bode曲线
ω=∞
Im
L(ω)=20LgA(ω) dB
自动控制原理简明教程第二版课后答案第五章习题答案
5-13 试用奈氏判据分宾判断题 5-5，5-6 系统的闭环稳定性。 解：5-5 （1）τ > T 时系统闭环稳定。 （2）T >τ 5-6 （1）ν =1 时系统闭环稳定。 （2）ν = 2,3,4 时系统闭环不稳定。 5-14 已知下列系统开环传递函数（参数 K,T,Ti > 0;i = 1,2,,6 ） ： 时系统闭环不稳定。
8
胡寿松自动控制原理习题解答第五章 电 3 刘晓峰制作
L（ω ） （dB）
60 40 20
-20 -40 -20
0
0.1 1 2 10
-40 20 -60
100ω
ω 0 − 90
−180
5-11 绘制下列函数的对数幅频渐进特性曲线：
2
（1）G(s) =
(2s +1)(8s +1) 200 （2）G(s) = s 2(s +1)(10s +1)
1
所以：G(s) = 100(0.001s/ω
1
+1)
(s
/ω 1 +1)(s /100 +1)
11
胡寿松自动控制原理习题解答第五章 电 3 刘晓峰制作
（b）G(s) = s 102 (s(s/ω /ω
21
++11) )
（c）
G(s) = (s
2
2ξ ω nKs+2ω + s
n 2
ω
n
2
)(s /10 +1)
0.5 −87.2
1 −92.1
3 −164
5 − 216
7 − 234.5
10 − 246
自动控制原理简明教程第二版课后答案第五章习题答案
5-9 已知系统开环传递函数
10 G(s)H(s) = s(s +1)(s 2 /4 +1)
试绘制系统概略开环幅相曲线。 解：
5-10 已知系统开环传递函数
7
胡寿松自动控制原理习题解答第五章 电 3 刘晓峰制作
G(s)H(s) =
2
s
1( s
s + 921) + 3s + s 1
要求选择频率点，列表计算 A(ω ) ，L(ω )和 ϕ(ω ) ，并据此在对数坐标纸上绘制系统开环 对数频率特性曲线。
5-5 已知系统开环传递函数
G(s)H(s) = s K2 ((
τ
Ts
s+ 1 ) + 1 ) ;
K,τ ,T > 0
试分析并绘制 τ > T 和 T >τ 解：相频特性为
情况下的概略开环幅相曲线。
ϕ(ω ) =−1800 + τ ω − arctanTω
(1) τ > T 时，ϕ(ω ) >−1800 概略开环幅相曲线如下
(1) τ < T 时，ϕ(ω ) <−1800 概略开环幅相曲线如下
5-6 已知系统开环传递函数
1 G(s)H(s) = ν s (s +1)(s + 2)
4
胡寿松自动控制原理习题解答第五章 电 3 刘晓峰制作
试分别绘制 ν =1,2,3,4 时系统的概略开环幅相曲线。 解： （1）ν = 1 时系统的概略开环幅相曲线如下：
8
胡寿松自动控制原理习题解答第五章 电 3 刘晓峰制作
L（ω ） （dB）
60 40 20
-20 -40 -20
0
自动控制原理知识点总结
自动控制原理知识点总结————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：自动控制原理总结第一章 绪 论技术术语1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。
3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。
4. 给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5. 干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
7. 偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。
闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。
缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求 :稳定性 快速性 准确性稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。
准确性是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
第二章 控制系统的数学模型拉氏变换的定义:-0()()e d st F s f t t +∞=⎰几种典型函数的拉氏变换1.单位阶跃函数1(t)2.单位斜坡函数3.等加速函数4.指数函数e -at5.正弦函数sin ωt6.余弦函数cos ωt7.单位脉冲函数(δ函数) 拉氏变换的基本法则 1.线性法则 2.微分法则 3.积分法则1()d ()f t t F s s ⎡⎤=⎣⎦⎰L4.终值定理()lim ()lim ()t s e e t sE s →∞→∞==5.位移定理00()e()sf t F s ττ--=⎡⎤⎣⎦Le ()()atf t F s a ⎡⎤=-⎣⎦L传递函数：线性定常系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为系统(或元部件)的传递函数。
自动控制原理(第五章)
L(ω)
0.1ωn
ωn
10ωn -40 db/dec
ω
-40
() G( j)
n 0 90 n 180 n
φ( ω )
ω
-90o -180o
自动控制原理 ——线性系统的频域分析法
7) 二阶微分环节
G( s) ( s
-30
自动控制原理 ——线性系统的频域分析法
3) 微分环节
G( s) s G( j ) j
20
L( )(dB)
0 0.01 0.1 1 10
20dB / dec
G ( j )
j
40
G ( j ) j 90
0
( )()
90 60 30 0 0.01 0.1 1 10
0
0 .1 1 T
1 T
10
1 T
自动控制原理 ——线性系统的频域分析法
2 n 6) 振荡环节 G(s) 2 2 s 2n s n 2 n G( j) 2 j ( j)2 2n ( j) n
பைடு நூலகம்
G( j )
2 2 2 (1 2 ) (2 ) 0 n n
G ( j )
1
自动控制原理 ——线性系统的频域分析法
L( )(dB)
0 .1 1 T
L( ) 20lg G ( j0)
-20 20lg 1 T 1 时，L( ) 20lg 1 0 T ( )() 1 1 时，L( ) 200 lg .1 T T T ( ) G ( j ) 0 arctanT
自动控制原理 ——线性系统的频域分析法
自动控制原理第5章
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
1 sin(t arctanT ) 1 2T 2
1
e jarctanT
j 1
e 1 jT
1 2T 2
jT
1
1 jT
RC网络的频率特性
只要把传递函数式中的s以j置换，就可以 得到频率特性，即
1
1
1 jT 1 Ts sj
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
对数相频特性：( ) arctan 特征点： 1 , L( ) 3dB, 45
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
一阶微分环节的伯德图 幅相曲线
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
六、振荡环节
传递函数： 频率特性：
G(s)
2 n
s2 2n s n2
1
s
n
2
2 n
s1
G( j
M ( ) G(j )
G1(j ) G2 (j ) G3(j ) M1( ) M2 ( ) M3 ( )
( ) G(j ) G1(j ) G2(j ) G3(j ) 1( ) 2( ) 3( )
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
1.开环幅相特性曲线的绘制
例 某0型单位负反馈控制系统，系统开环
频率特性： G(j) 2 j 2 2 j 1
对数幅频特性：
L() 20lg G j 20lg 1 22 2 2 2
对数相频特性：
arctan
1
2 2
2
自动控制原理
第五章 频域分析法－频率法
幅相曲线: 0时，M 1, 0 ; 时，M =, =180
自动控制原理
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第五章计算机控制系统
1. 现代过程工业发展的需要；
2．生产的安全性和可靠性、生产企业的经济效益等指标的需要；
3．运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等的需要。
第一节概述
一．计算机直接数字控制系统与常规的模拟控制系统的异同：
相同：
1．基本结构相同。
2．基本概念和术语相同。
3．控制原理相同。
（都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理）
不同：
1．信息的传输形式不同。
（前者是断续的、数字化的，后者是连续的、模拟的）
二．计算机直接数字控制系统概述
1．基本结构：如图5-1所示。
2．对模拟控制系统的改进：
3．计算机控制系统的控制过程：
4．与模拟控制系统相比，计算机控制系统具有很多优点：
第二节计算机控制系统的组成及分类一．计算机控制系统的组成
计算机控制系统组成：
1．工业对象
2．工业控制计算机
硬件：计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等。
软件：计算机系统的程序系统。
计算机控制系统结构：如图5-2 所示。
（一）、硬件部分
1． 主机
2．过程输入输出通道
3．操作设备
4．常规外部设备
5．通信设备
6．系统支持功能
（二）、软件部分
1．软件包含系统软件和应用软件两部分。
系统软件：一般包括编译系统，操作系统，数据库系统，通讯网络软件，调试程序，诊断程序等。
应用软件：一般包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。
2．使用语言为汇编语言，或者高级算法语言、过程控制语言。
以及它们的汇编、解释、
二．计算机控制系统的分类
包括：
数据采集和数据处理系统
直接数字控制系统DDC
监督控制系统SCC
分级计算机控制系统
集散型控制系统等
（1） 据采集和数据处理系统
（二）直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）
（三）.监督控制系统SCC
（四）．分级计算机控制系统
（五）．集散型控制系统：（也称为分布式计算机控制系统Distributed Control System）
第三节 A/D与D/A转换器
第四节计算机辅助测试系统
一．计算机在测试技术中的作用
二．计算机测试系统的基本结构
（一）结构形式
智能仪表
过程测试系统
智能测试系统
（二）计算机测试系统的组成
主要包括传感器、A／D转换器、输入/输出接口电路、计算机等。
一个具体的计算机测试系统的构成，根据所测信号的特性而定。
可分为以下几种结构：
1． 单通道数据采集：被采集的模拟信号只有一个。
2．多通道数据采集：被采集的模拟信号有两个或两个以上。
对多路模拟输入信号的采集有以下几种结构形式：
（1）多路A／D 转换方式
(2) 多路共享A／D转换方式
(3). 多路开关方式
三．数据采集
（一）采样定理
（2） 数据采集
五，计算机测试系统的设计
（一）设计任务
1．主机选型
2．输入通道结构
3．输出通道结构
（二）输入通道电路的设计分析
1．传感器选型
2．A/D转换器的设计
3．放大电路的设计
4．其它电路设计
（三）软件程序设计
1． 数据采集控制方式的设计；
2． 采样工作模式的设计；
3． 采样周期的确定；
4． 此外，还有其它程序的设计，如人机界面、信号采集、分析计算和结果处理等。
第5节直接数字控制系
统
一．DDC系统概述
二． DDC的基本算法
基本算法： PID控制时的几种控制方程。
（一）DDC的理想PID算法
1．位置式PID算法
2．增量式PID算法
（1）定义：DDC计算机经PID运算，其输出为调节阀开度（位置）的增量（改变量）时，这种PID算法称为增量式PID算法。
常见：如步进电机、多圈电位器等。
3．速度式PID算法
（1）定义：DDC计算机经PID运算，其输出是指直流伺服电机的转动速度，则此种算法称为速度式PID算法。
（二）DDC的实际PID算法
1．理想PID算法的缺憾：
2．实际PID的位置式
3．实际PID的增量式
（三）改进的PID算法
一些改进的PID算法：带死区的PID算法、遇限削弱积分或积分分离PID 算法、不完全微分PID算法、带史密斯（Smith）预测器补偿纯滞后的PID算法等。
共同特征：改变控制过程的某个阶段的P、I、D比例。
1．带有死区的PID控制
2．饱和作用的抑制（遇限削弱积分法、积分分离法）
3．其它改进的PID算法：（干扰拟制）
（四）DDC的PID算法中参数的整定
1．整定的目的：在DDC中，对PID控制器的K P、T I、T D进行整定，以求得到一组比较合适的参数。
（五）采样周期的选择
理论上，采样周期T越小，数字模拟越精确，控制效果就越接近连续控制。
第七节直接数字控制系统
集散控制系统(DCS)
现场总线控制系统(FCS)
第八节计算机控制系统的设计与实现
包括计算机硬件、软件、自动控制、检测技术及仪表、强电路与弱电路、被控对象的工艺知识等多个专业领域的知识。
考虑其他实际因素的影响，如抗干扰、防尘、降温等措施。
一．计算机控制系统的设计原则
1．系统操作性能好
2．可靠性高
3．通用性好，便于扩充
4．实时性强
5．设计周期短、价格便宜
二．计算机控制系统设计的一般步骤
1．确定系统整体控制方案
2．确定控制算法
3．系统硬、软件的设计
4．系统调试
第九节提高计算机控制系统可靠性的措施一．提高元器件的可靠性
二．冗余技术
并联系统
备用系统
表决系统
三．采取抗干扰措施
1．电磁干扰的屏蔽
2．隔离技术
3．共模输入法
4．电源系统的干扰抑制
5．布线的防干扰原则
6．接地设计
7．软件的抗干扰措施：。