分析自动控制系统性能的常用方法
自动控制原理简答
自动控制原理简答1、简要论述自动控制理论的分类及其研究基础、研究的方法。
自动控制理论分为“经典控制理论”和“现代控制理论”。
“经典控制理论”以递函数为基础，以时域法、根轨迹法、频域法为基本方法，“现代控制理论”以状态空间法为基础，以频率法和根轨迹法为基本方法。
2、在经典控制理论中用来分析系统性能的常用工程方法有那些？分析内容有那些？常用的工程方法：时域分析法、根轨迹法、频率特性法；分析内容：瞬态性能、稳态性能、稳定性。
3、相比较经典控制理论，在现代控制理论中出现了哪些新的概念？系统的运动分析，能控性，能观性，极点配置，观测器设计，跟踪器等。
4、人闭上眼见很难达到预定的目的试从控制系统的角度进行分析。
人闭上眼睛相当于系统断开反馈，没有反馈就不知道偏差有多大，并给予及时修正。
所以人闭上眼睛很难到达预定目标。
5、试分析汽车行驶原理首先，人要用眼睛连续目测预定的行车路线，并将信息输入大脑（给定值），然后与实际测量的行车路线相比较，获得行驶偏差。
通过手来操作方向盘，调节汽车，使其按照预定行车路线行驶。
6、对飞机与轮船运行原理加以分析飞机和轮船在行驶时，都会发射无线电信号来进行定位，无线电信号通过雷达反射到计算机中央处理器中。
进行对比得出误差，再将误差发射，进入雷达反射到飞机和轮船的接收器中，计算机收到信号后可还原为数据，进而可知偏差而及时修正，这是时刻都进行的。
所以飞机，轮船都能保持预定航向行驶。
7、从元件的功能分类，控制元件主要包括哪些类型的元件？控制元件主要包括放大元件、执行元件、测量元件、补偿元件。
8、线性定常系统的传递函数定义传递函数：传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉式变换与系统输入量的拉式变换之比。
9、常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点？有以下三种：（1机理分析法：机理明确，应用面广，但需要对象特性清晰（2实验测试法：不需要对象特性清晰，只要有输入输出数据即可，但适用面受限（3以上两种方法的结合:通常是机理分析确定结构，实验测试法确定参数，发挥了各自的优点，克服了相应的缺点10、自动控制系统的数学模型有哪些自动控制系统的数学模型有微分方程、传递函数、频率特性、结构图。
自动控制系统的性能评估与改进
自动控制系统的性能评估与改进自动控制系统在现代工业中起着重要的作用，它可以实现对机器和设备的自动化操作和监控。
然而，为了确保自动控制系统的正常运行，需要对其性能进行评估和改进。
本文将探讨自动控制系统的性能评估方法，并结合实例介绍如何改进系统性能。
一、性能评估方法1. 系统稳定性评估系统的稳定性是衡量其性能的重要指标之一。
常见的评估方法包括对系统的阶跃响应进行分析和测试。
阶跃响应是指系统在输入信号突然变化时的响应情况，通过分析阶跃响应曲线的形状、振幅和周期等特征，可以评估系统的稳定性。
2. 控制精度评估控制精度是衡量自动控制系统性能的另一个重要指标。
常用的评估方法包括对系统的静态误差、超调量和调整时间进行测量。
静态误差是指系统在稳定状态下输出与期望值之间的偏差，超调量是指系统在调整过程中超过期望值的程度，调整时间是指系统从初始状态到稳定状态所需的时间。
3. 鲁棒性评估鲁棒性是指系统在面对不确定性和干扰时的稳定性。
常见的评估方法包括对系统的鲁棒性边界进行分析和测试。
鲁棒性边界是指系统在各种参数变化和干扰下能够保持稳定的范围。
通过评估系统的鲁棒性边界，可以确定系统在实际工作环境中的可靠性。
二、性能改进方法1. 参数调优参数调优是改善自动控制系统性能的常用方法之一。
通过调整系统的参数，可以提高系统的稳定性和控制精度。
常见的参数调优方法包括基于试验的方法和基于数学模型的方法。
基于试验的方法是通过对系统进行实验观察和调整参数，找到满足性能要求的最佳参数组合。
基于数学模型的方法是通过建立系统的数学模型，并利用数学优化算法找到最优参数。
2. 控制策略优化控制策略优化是改进自动控制系统性能的另一种重要方法。
不同的控制策略适用于不同的系统和工况，通过选择合适的控制策略可以提高系统的响应速度和鲁棒性。
常见的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制和自适应控制等。
选择适合系统的控制策略需要考虑系统的特性和要求，并进行实验验证和调整。
自动控制原理第5章频域分析法
通过分析频率响应函数的极点和零点分布，以及系统的相位和幅值 特性，利用稳定性判据判断系统在不同频率下的稳定性。
注意事项
稳定性判据的选择应根据具体系统的特性和要求而定，同时应注意 不同判据之间的适用范围和限制条件。
04
频域分析法的应用实例
04
频域分析法的应用实例
控制系统性能分析
稳定性分析
极坐标或对数坐标表示。
绘制方法
通过频率响应函数的数值计算，将 结果绘制成曲线图，以便直观地了 解系统在不同频率下的性能表现。
注意事项
绘制曲线时应选择合适的坐标轴比 例和范围，以便更好地展示系统的 性能特点。
频率特性曲线的绘制
定义
频率特性曲线是频率响应函数在 不同频率下的表现形式，通常以
极坐标或对数坐标表示。
稳定裕度。
动态性能分析
02
研究系统在不同频率下的响应，分析系统的动态性能，如超调
和调节时间等。
静态误差分析
03
分析系统在稳态下的误差，确定系统的静态误差系数，评估系
统的静态性能。
系统优化设计
参数优化
通过调整系统参数，优化 系统的频率响应，提高系 统的性能指标。
结构优化
根据系统频率响应的特点， 对系统结构进行优化，改 善系统的整体性能。
05
总结与展望
05
总结与展望
频域分析法的优缺点
02
01
03
优点
频域分析法能够直观地揭示系统的频率特性，帮助理 解系统的稳定性和性能。
通过频率响应曲线，可以方便地比较不同系统或同一 系统不同参数下的性能。
频域分析法的优缺点
02
01
03
优点
频域分析法能够直观地揭示系统的频率特性，帮助理 解系统的稳定性和性能。
用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析
用MATLAB进行控制系统的动态性能的分析MATLAB是一款功能强大的工具，可用于控制系统的动态性能分析。
本文将介绍使用MATLAB进行动态性能分析的常用方法和技巧，并提供实例来说明如何使用MATLAB来评估和改进控制系统的性能。
控制系统的动态性能是指系统对输入信号的响应速度、稳定性和精度。
评估控制系统的动态性能往往需要分析系统的阶跃响应、频率响应和稳态误差等指标。
一、阶跃响应分析在MATLAB中，可以使用step函数来绘制控制系统的阶跃响应曲线。
假设我们有一个系统的传递函数为：G(s)=(s+1)/(s^2+s+1)要绘制阶跃响应曲线，可以按照以下步骤操作：1.自动生成传递函数：num = [1 1];den = [1 1 1];G = tf(num,den);2.绘制阶跃响应曲线：step(G);二、频率响应分析频率响应分析用于研究控制系统对不同频率输入信号的响应特性。
在MATLAB中，可以使用bode函数来绘制控制系统的频率响应曲线。
假设我们有一个传递函数为：G(s)=1/(s+1)要绘制频率响应曲线，可以按照以下步骤操作：1.自动生成传递函数：num = [1];den = [1 1];G = tf(num,den);2.绘制频率响应曲线：bode(G);运行以上代码，MATLAB将生成一个包含系统幅频特性和相频特性的图形窗口。
通过观察频率响应曲线，可以评估系统的增益裕度（gain margin）和相位裕度（phase margin）等指标。
三、稳态误差分析稳态误差分析用于研究控制系统在稳态下对输入信号的误差。
在MATLAB中，可以使用step函数结合stepinfo函数来计算控制系统的稳态误差。
假设我们有一个传递函数为：G(s)=1/s要计算稳态误差，可以按照以下步骤操作：1.自动生成传递函数：num = [1];den = [1 0];G = tf(num,den);2.计算稳态误差：step(G);info = stepinfo(G);运行以上代码，MATLAB将生成一个阶跃响应曲线的图形窗口，并输出稳态误差等信息。
控制系统性能评估
控制系统性能评估控制系统性能评估是指对一个控制系统的性能进行全面综合评价的过程。
通过对系统的各种指标进行定量分析和比较，可以评估系统的优劣，并对系统进行优化和改进。
控制系统性能评估在各个领域都有广泛的应用，尤其在工业自动化、航空航天、电力系统等领域起着重要的作用。
一、控制系统性能评估的重要性控制系统在实际应用中的性能评估非常重要，它直接关系到系统的可靠性、稳定性、精确性等方面。
一个性能优良的控制系统能够提高工作效率、降低资源消耗，并提供更好的用户体验。
因此，控制系统性能评估具有以下几个重要的方面：1. 优化系统设计：通过评估系统性能，可以及时发现系统中存在的问题，从而进行系统设计的优化和改进。
例如，在工业自动化中，如果评估发现系统的响应时间过长或稳定性差，就可以调整控制参数或更换控制策略，以提高系统的性能。
2. 可行性研究：在控制系统的设计和开发阶段，进行性能评估可以帮助工程师判断系统的可行性。
如果评估结果显示系统无法达到设计要求，就需要重新考虑系统的结构和功能需求，以确保系统能够在实际应用中正常运行。
3. 比较不同系统：通过对不同系统性能的评估，可以帮助用户选择最适合自己需求的系统。
例如，在航空航天领域，对于不同的飞行器控制系统，可以通过评估其性能指标来选择最佳的控制系统，以保证飞行器的安全和稳定。
二、控制系统性能评估的指标控制系统性能评估的指标取决于具体的应用领域和系统需求。
以下列举一些常见的性能指标：1. 响应时间：指系统对输入信号的快速响应能力。
响应时间越短，说明系统对外界变化的处理速度越快，适合对变化要求较高的应用。
2. 稳定性：指系统在输入变化时的稳定性能。
稳定性好的系统能够快速达到稳定状态，并保持在稳定状态下工作。
3. 精确度：指系统输出与期望值的偏差大小。
精确度高的系统能够准确地控制输出，并保持在可接受范围内。
4. 鲁棒性：指系统在外部干扰或参数变化时的稳定性能。
鲁棒性好的系统能够抵抗干扰，保持稳定工作。
控制系统建模与分析
控制系统建模与分析控制系统建模与分析是自动控制领域中的重要内容。
通过对系统进行建模，可以模拟和分析控制系统的性能，以便优化系统设计和参数调整。
本文将介绍控制系统建模的基本原理和常用方法，并通过一个案例来说明。
一、控制系统建模的基本原理在控制系统中，建模是指将实际的物理系统以数学方式进行描述。
通过建立控制系统的数学模型，可以更好地理解系统的性质、预测系统的行为以及设计有效的控制策略。
建模的基本原理包括：1. 系统边界的确定：确定需要建模的系统的范围和界限，明确哪些部分对于控制系统的性能影响较大。
2. 变量的选择：选择适当的系统变量，可以是输入、输出或者中间变量，以便对系统进行分析和控制。
3. 建立数学方程：根据系统的物理特性、动力学行为和控制目标，建立系统的数学方程，可以是微分方程、差分方程或者状态空间方程。
4. 参数估计：通过实验或者仿真，对模型的参数进行估计和调整，使模型更加准确地反映实际系统的行为。
二、常用的控制系统建模方法在控制系统建模中，常用的方法包括：1. 传递函数法：通过输入和输出之间的关系，建立系统的传递函数，可以直接对系统进行频域分析和控制器设计。
2. 状态空间法：将系统表示为状态量和输入输出之间的关系，可以对系统进行状态观测、状态反馈和状态估计。
3. 神经网络法：利用神经网络的映射和学习能力，对系统进行建模和控制，适用于复杂、非线性系统。
4. 系统辨识法：通过对系统输入输出数据的分析，识别系统的数学模型和参数，适用于实际系统的建模。
三、控制系统分析的方法控制系统分析是指对建立的系统模型进行性能评估和分析，以确保系统的稳定性、鲁棒性和控制效果。
常用的控制系统分析方法包括：1. 稳定性分析：通过判断系统的极点位置，确定系统的稳定性，可以使用根轨迹法或者频域法进行分析。
2. 响应分析：分析系统对不同输入信号的响应，包括阶跃响应、脉冲响应和频率响应等，以评估系统的动态性能。
3. 鲁棒性分析：分析系统对参数变化或者干扰的鲁棒性能，可以使用辨识方法或者鲁棒控制理论进行分析。
分析自动控制系统性能的常用方法
由过渡过程分析中的三要素法可知，电路对 时间响应常常分为两个部分：暂态响应和稳 态响应。线性电路的时间响应 c (t ) 通常可以 写成：
c(t ) ct (t ) css (t )
ct (t ) 为暂态响应，css (t ) 为稳态响应 其中：
当输入激励是为正弦周期信号时：
其输出响应为： c(t ) MAm e t MAm sin( t )
M ( ) 为该一阶RC电路的幅频特性，它是指输出正 则： 弦响应信号的最大值与输入正弦激励信号最大值之间 的比值；称 ( )为该一阶电路的相频特性，它是指 输出正弦信号的初相位与输入正弦信号初相位之差 （相位差）。
( ) c ( ) i ( ) arctan(T )
Ac 0.193 M ( ) 50 0.193 Ar 1
( ) 50 c r 78.9 0 78.9
当我们选择足够多的频率点后，通过幅值与频率，相 位与频率之间一一对应的关系，我们最后可以绘制出 如图所示的幅频率特性曲线与相频率特性曲线。并由 此曲线来分析该电路的性质
输出稳态响应的幅值 输出稳态响应的初相位
现在我们以同样的办法将输入激励信号R（jω）也写 成相量的形式，则有：
R( j ) R( j ) R( j ) Ar r
正弦激励的幅值
正弦激励的初相位
这样该线性系统的传递函数就变成了：
C ( j ) C ( j ) C ( j ) G ( j ) R( j ) R( j ) R( j ) C ( j ) C ( j ) R( j ) R( j ) Ac c r M Ar
第4章 分析自动控制系统性能的常 用方法
自动控制原理与系统课程标准
《自动控制系统与应用》学习领域（课程）标准课程编号：适用专业：电子信息工程技术应用电子技术机械制造及其自动化课程类别：岗位核心学习领域修课方式：必修教学时数: 64学时一、课程的性质和任务（一）课程定位《自动控制系统与应用》是电子信息工程技术、应用电子技术、机械制造及其自动化等相关专业技术核心课程。
由于自动控制系统与应用在信息化武器装备中得到了广泛的应用，因此，将本课程设置为核心课程，对培养懂技术的指挥人才有着十分重要的作用。
本课程所覆盖的知识面较宽，既有较深入的理论基础知识，也有较广泛的专业背景知识，因而，它在学员知识结构方面将起到加强理论深度和拓展知识广度的积极作用。
（二）学习目标通过《自动控制系统与应用》的学习，使学生掌握以下知识、专业能力、方法能力、社会能力等目标。
1.专业能力目标（1）掌握自动控制原理的基本概念和基本的分析与设计方法；（2）培养利用自动控制的基本理论分析与解决工程实际问题的思维方式和初步能力，（3）掌握自动控制系统分析与设计的一般过程与基本方法。
2．社会能力目标（1）具有较强的口头与书面表达能力、人际沟通能力；（2）具有团队精神和协作精神；（3）具有良好的心理素质和克服困难的能力。
3．方法能力目标（1）能独立制定工作计划并进行实施；（2）具有独立进行分析、设计、实施、评估的能力；（3）具有获取、分析、归纳、交流、使用信息和新技术的能力；（4）具有自学能力、理解能力与表达能力；（5）具有将知识与技术综合运用与转换的能力；（6）具有综合运用知识与技术从事程度教复杂的技术工作的能力。
（三）前导课程本课程的前导课程为《高等数学》、《线性代数》、《数字电路》、《电路分析》、《复变函数与积分变换》和《模拟电子技术基础》等。
（四）后续课程：《现代控制理论》、《机电控制技术》、《PLC与电气控制》等。
二、课程内容标准（一）学习情境划分及学时分配（二）学习情境描述三、课程实施建议（一）课程教学模式1.更新传统的教学方式传统的以教师讲授为主，学生听课为辅的教学模式很难适应现代职业教学的理念，学校的教学设备也难于发挥作用。
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暂态响应
稳态响应
此时输入信号有角频率 20rad / s
实验结果表明：当输入的正弦激励信号的角频率为 ω=20rad/s时，该一阶RC电路稳态时输出的仍然是 同频率的正弦信号。但是其输出的正弦响应信号的 幅值为|Ac|=0.438，相位滞后了 26 。因此在这 一频率信号的作用下，此时的频率特性是： Ac 0.438 M ( ) 20 0.438 Ar 1
T RC
u c (t )
Am 1 (T )
2
e
t T
Am 1 (T )
2
sin[ t arctan(T )]
暂态分量
稳态分量
由此我们定义：所谓频率特性就是指正弦激励下线 性系统的正弦稳态响应。并且从其稳态分量表达式 中，我们知道：对于线性电路而言，其输出的稳态 响应是一个与输入激励同频率的正弦函数信号，只 不过经过系统传送后，相对于输入激励的幅值和初 相位而言，它的幅值（大小）和初相位（起即位置） 发生了一定的变化而已。若令： Acm Am 1 1 M ( ) Am 1 (T ) 2 Am 1 (T ) 2
( ) 20 (c r ) 26 0 26
此时输入信号有角频率 50rad / s
实验结果表明：当输入的正弦激励信号的角频率为 ω=50rad/s时，该一阶RC电路稳态时输出的仍然是 同频率的正弦信号。但是与输出的正弦响应信号的 78 . 9 幅值为|Ac|=0.193，相位滞后了 。因此 在这一频率信号作用下，此时的频率特性为：
4.2.1频率特性的基本概念
由《电路基础》可知，当电路中存在储能元件时， 电路从一种稳定状态变化到另一种稳定状态时， 将发生一个中间过程——过渡过程，而这一过程 的特点就是过渡过程随时间的变化而变化，是一 个与时间有关过程。 引起过渡过程的原因有两个，即内因——电路中 必有储能元件。外因——电路的接通或断开，电 源的变化，电路参数的变化或电路的改接等因素， 这些能引起电路或系统发生过渡过程的外部因素 我们统称为激励。而过渡过程所发生时所产生的、 我们关心的结果，如输出电压的变化，系统的运 行等，我们则统称为电路对时间的响应。
从以上定义中，我们不难发现，所谓频率响应， 本质上讨论的就是我们在《电路基础》中学过的 正弦交流电路中三要素中的两个要素而已。所不 同之处在于《电路基础》中，我们研究的是在给 定某一正弦信号频率的情况下，电路所对应的某 一确定的正弦输出稳态响应信号幅值大小与初相 位的改变。而在自动控制原理与系统中，我们所 研究的是当输入正弦激励信号的角频率从0→∞变 化过程中，其输出的正弦稳态响应信号的幅值与 初相位随输入正弦周期信号频率的改变而随之变 化的函数关系。 对于本例，当我们取R=1Ω，C=0.1F 的实验电路 参数时，其随频率变化的响应曲线如下：
由过渡过程：暂态响应和稳 态响应。线性电路的时间响应 c (t ) 通常可以 写成：
c(t ) ct (t ) css (t )
ct (t ) 为暂态响应，css (t ) 为稳态响应 其中：
当输入激励是为正弦周期信号时：
其输出响应为： c(t ) MAm e t MAm sin( t )
r (t ) Am sin( t )
为了更好地理解频率特性的概念，我们在这举一个 这是一个简单的例子。如图所示为一阶RC电路，如 果我们设电容两端的电压为Uc为输出响应，则当激 励为正弦周期信号时，由此电路的传递函数，可得：
+
i Ui + R
C
1 U C ( s) G( s)U i ( s) U i ( s) RCs 1 Uc 由于正弦周期信号 u (t ) Am sin( t )
Ac 0.193 M ( ) 50 0.193 Ar 1
( ) 50 c r 78.9 0 78.9
当我们选择足够多的频率点后，通过幅值与频率，相 位与频率之间一一对应的关系，我们最后可以绘制出 如图所示的幅频率特性曲线与相频率特性曲线。并由 此曲线来分析该电路的性质
结论：这是一个低通滤波电路
现在，我们从理论上进一步分析，首先设系统输入的 正弦激励信号的表达式为：
r (t ) Ar sin( t r )
则其输出的正弦稳态响应信号为：
c(t ) Ac sin( t c ) MAr sin( t c )
在上式中，MAr是输出正弦稳态响应信号的最大值，而 c 是以度（deg）为单位的输出正弦稳态响应信号 的初相位。现设线性系统的传递函数是 G（s）,那么 输入激励与与输出稳态响应之间的Laplace变换关系 就是：
的拉氏变换式为：
U i ( s) Am 2 2 s
所以，该一阶RC电路输出响应的拉氏变换式为：
1 U C ( s ) G ( s)U i ( s) Am 2 RCs 1 s 2 1 Am 2 Ts 1 s 2
两边取拉氏变换，则有：
第4章 分析自动控制系统性能的常 用方法
建立自动控制系统数学模型的目的，就是为了 对自动控制系统进行分析。在经典控制理论中， 对系统的分析方法主要有两种： 时域分析法(由时域响应及传递函数出发去进行分 析) 频率特性法(由频域响应及传递函数出发去进行分 析)
4.2 频率特性法
频率特性法的基本概念 频率特性的图形表示方法 典型环节的对数频率特性 系统开环对数频率特性
M ( ) 为该一阶RC电路的幅频特性，它是指输出正 则： 弦响应信号的最大值与输入正弦激励信号最大值之间 的比值；称 ( )为该一阶电路的相频特性，它是指 输出正弦信号的初相位与输入正弦信号初相位之差 （相位差）。
( ) c ( ) i ( ) arctan(T )