01 卢京潮《自动控制原理》学习笔记转
原文:https://zhuanlan.zhihu.com/p/262021993
先上一份821的考试大纲,四年大学出来的应该都知道课本会将知识点分为重点、一般、掌握、熟练、理解、熟悉、了解等几个等级:
正确理解自动控制原理课程中的有关概念。
掌握结构图等效变换方法和梅森公式。能根据结构图熟练求取系统的传递函数。
掌握代数稳定判据及其应用;掌握系统稳态误差的分析和计算方法;掌握一、二阶系统典型响应的特点以及模型参数与动态性能之间的关系,并能熟练分析与计算系统的动态性能,了解附加闭环零、极点对系统动态性能的影响。
能熟练绘制系统根轨迹(包括广义根轨迹)并分析系统性能随参数的变化规律,掌握有关的计算方法。
掌握频率响应与频率特性的概念;掌握典型环节的频率特性,能熟练绘制系统的开环频率特性;掌握由频率特性确定传递函数的方法;掌握频域稳定判据;理解三频段的意义,掌握稳定裕度计算和系统性能估算的方法;正确理解闭环频率特性及相应的特征量。
掌握频域串联校正方法;掌握反馈校正和复合校正方法。
掌握差分方程,能熟练推导离散系统的脉冲传递函数;熟练掌握离散系统的稳定性分析方法和稳态误差计算方法。
了解非线性系统运动的特点,重点掌握运用描述函数法进行非线性系统稳定性及自振分析的方法。一般掌握相平面法。
注重各章概念的融会贯通以及解题方法的综合运用。
接下来会结合一些平时搜集到的各种重点一章一章归纳,非重点会总结一些术语性的内容(专业词和对这个词限定性的描述,预计中英双语),习题和真题以总结题型和步骤等套路为主,同时会在阅读、听课、做题和检索的过程中补充和修正知识点。
先按一定结构拆解、归纳、总结、修正概念,以后可能会考虑把概念编成表格、导图或者人话。
第一章 自动控制的一般概念(非重点)
本章为非重点内容,均是关于自动控制的一些基本概念,考试不会明目张胆的考这么简单,主要是理解控制的原理,为什么一个系统能实现控制的功能,它是怎么实现的,这种控制的思想对后续的知识学习会有比较大的帮助。
1.1引言(0⭐)
1 自动控制原理:
1.1 研究关于自动控制系统组成、分析和综合的一般性理论,是研究自动控制共同规律的技术科学。
1.2 是一门研究自动控制共同规律的工程技术科学,是研究自动控制技术的基础理论。
1.2 自动控制理论发展概述(0⭐)
1 经典控制理论
1.1 基本框架:以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具。
1.2 研究对象:以线性定常系统为主的单输入-单输出系统,
1.3 理论缺陷:还不能解决如时变参数问题,多变量、强耦合等复杂的控制问题。
2 现代控制理论
2.1 基本框架:利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段。
2.2 研究对象:多变量、非线性、时变系统。
2.3 理论缺陷:被控对象精确状态空间模型不易建立、合适的最优性能指标难以构造、所得最优控制器往往过于复杂等问题。
3 其他控制理论
自适应控制、预测控制、容错控制、鲁棒控制、非线性控制和大系统、复杂系统控制等。
(话说这个时候应该上这张图)
1.3 自动控制和自动控制系统的基本概念(1⭐)
1.3.1 自动控制问题的提出
1 控制:工业生产过程或生产设备运行中,为了保证正常的工作条件,对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制,使其尽量维持在某个数值附近,或使其按一定规律变化,对生产机械或设备进行及时的以抵消外界干扰的影响的操作。
1.1 方式:开环控制、闭环控制和复合控制。
2 人工控制:(上述)用人工完成的操作。
3 自动控制:(上述)用自动装置完成的操作。
4 期望值
5 控制器(控制装置):相互配合,承担着控制职能的装置。
5.1 组成:测量元件、比较元件、放大元件、执行机构、校正元件和给定元件。
1.3.2 开环控制系统
1 开环控制系统:系统的控制作用不受输出影响的控制系统。
2 输出量(输出信号)
3 输入量(给定量)
4 系统方框图:用方框代表系统中具有相应职能的元部件,用箭头表示元部件之间的信号及传递方向。
5 干扰(扰动)
1.3.3 闭环控制系统
1 闭环控制系统(反馈控制系统)
1.1 系统的控制作用受输出量影响的控制系统。
1.2 通过反馈回路使系统构成闭环,并按偏差产生控制作用,用以减小或消除偏差的控制系统。
2 偏差信号(偏差)
3 前向通道:从系统输入量到输出量之间的通道。
4 反馈通道:从输出量到反馈信号之间的通道。
5 比较环节
6 负反馈控制原理:将系统的输出信号引回到输入端,与输入信号相比较 利用所得的偏差信号对系统进行调节,达到减小偏差或消除偏差的目的。
1.3.4 开环控制系统与闭环控制系统的比较
1.3.5 复合控制系统
1.4 自动控制系统的基本组成(1⭐)
1被控对象:一般是指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。
2 被控量:描述被控对象工作状态的、需要进行控制的物理量
3 给定元件:主要用于产生给定信号或控制输入信号。
4 测量元件:用于检测被控量或输出量,产生反馈信号。
5 比较元件:用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。
6 放大元件:用来放大偏差信号的幅值和功率,使之能够推动执行机构调节被控对象。
7 执行机构:用于直接对被控对象进行操作,调节被控量。
8 校正元件:用来改善或提高系统的性能,常用串联或反馈的方式连接在系统中。
1.5 控制系统示例(0⭐)
1 电压调节系统
2 函数记录仪
3 火炮方位角控制系统
4 飞机-自动驾驶仪系统
1.6 自动控制系统的分类(1⭐)
1.6.1 恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统(按给定信号的形式不同)
1 恒值控制系统(定值系统或调节系统)
2 随动控制系统(伺服系统)
3 程序控制系统
1.6.2 定常系统和时变系统(按系统参数是否随时间变化)
1 定常系统
2 时变系统
1.6.3 线性系统和非线性系统(按系统是否满足叠加原理)
1 线性系统
2 非线性系统
1.6.4 连续系统与离散系统
1 连续系统
2 离散系统
1.6.5 单变量系统和多变量系统(按系统输入信号和输出信号的数目)
1 单输入-单输出(SISO)系统(单变量系统)
2 多输入-多输出(MIMO)系统(多变量系统)
1.7 对控制系统的基本要求(1⭐)
1 过渡过程(瞬态过程):在输入量的作用下,系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程。
2 稳定性(稳):系统重新恢复平衡状态的能力。
3 准确性(准):对系统稳态(静态性能的要求)。
3.1 稳态误差:对一个稳定的系统而言,当过渡过程结束后,系统输出量的实际值与期望值之差。
4 快速性(快):对系统动态(过渡过程)性能的要求。
4.1 平稳:系统由初始状态过渡到新的平衡状态时,具有较小的过调和振荡性。
4.2 快速:系统过渡到新的平衡状态所需要的调节时间较短。
1.8 本课程的研究内容
1 系统分析:在控制系统结构参数已知、系统数学模型建立的条件下,判定系统的稳定性,计算系统的动、静态性能指标,研究系统性能与系统结构、参数之间的关系。
2 系统校正:在给出被控对象及其技术指标要求的情况下,寻求一个能完成控制任务、满足技术指标要求的控制系统。在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下,系统校正的任务往往是需要改变系统的某些参数,有时还要改变系统的结构
2.1 校正:选择合适的校正装置,计算、确定其参数,加入系统之中,使其满足预定的性能指标要求的过程。
A 习题
包括被控对象/被控量/给定量的分辨、系统方框图的绘制和系统类型分辨。
必做题(1.1~1.4 ,1-7,1-10,1-11)
B 真题
第二章 控制系统的数学模型(部分重点)
2.1 引言(0⭐)
1 数学模型
1.1 方法
1.1.1 解析法
1.1.2 实验法
1.2 系统数学模型
1.2.1 控制系统的数学模型
1.2.2 常见描述形式
2.2 控制系统的时域数学模型(1⭐)
2.2.1 线性元部件、线性系统微分方程的建立
Note1 用解析法列写系统或元部件微分方程的一般步骤:
2.2.2 非线性系统微分方程的线性化
2.2.3 线性定常微分方程求解
2.2.4 运动的模态
1 振型
2.3 控制系统的复域数学模型
2.3.1 传递函数(2⭐)
1 传递函数
2 零初始条件
2.3.2 常用控制元件的传递函数(0⭐)
1 电位器
2 误差检测器
3 自整角机
4 测速发电机
5 电枢控制式直流电动机
6两相异步电动机
7 齿轮系
2.3.3 典型环节(4⭐)
1 典型环节
2 比例环节
3 惯性环节
4 振荡环节
5 积分环节
6 微分环节
7 一阶复合微分环节
8 二阶复合微分环节
2.3.4 传递函数的标准形式(5⭐)
1 首1标准型(零、极点形式)
2 尾1标准型(典型环节形式)
2.4 控制系统的结构图及其等效变换
2.4.1 结构图(0⭐)
1 系统结构图
2.4.2 结构图等效变换(1⭐)
1 串联环节的等效变换
2 并联环节的等效变换
3 反馈连接的等效变换
4 比较点和引出点的移动
2.5 控制系统的信号流图
2.5.1 信号流图(0⭐)
1 源节点
2 阱节点
3 混合节点
4 前向通路
5 回路
6 回路增益
7 前向通路增益
8 不接触回路
2.5.2 梅逊增益公式(5⭐)
Note1 梅逊增益公式的一般形式
2.6 控制系统的传递函数(5⭐)
2.6.1 系统的开环传递函数
1 系统的开环传递函数
2.6.2 闭环系统的传递函数
1 控制输入作用下的闭环传递函数
2 干扰作用下的闭环传递函数
2.6.3 闭环系统的误差传递函数
1 控制输入作用下系统的误差传递函数
2 干扰作用下系统的误差传递函数
第三章 线性系统的时域分析与校正(重点)
3.1 概述
3.2 一阶系统的时间相应及动态性能
3.3 二阶系统的时间相应及动态性能
3.4 高阶系统的时间相应及动态性能
3.5 线性系统的稳定性分析
3.6 线性系统的稳态误差
3.7 线性系统的时域校正
第四章 根轨迹法(重点)
4.1 根轨迹法的基本概念
4.2 绘制根轨迹的基本法则
4.3 广义根轨迹
4.4 利用根轨迹分析系统性能
第五章 线性系统的频域分析与校正(重点)
5.1 频率特性的基本概念
5.2 幅相频率特性(Byquist图)
5.3 对数频率特性(Bode图)
5.4 频域稳定判据
5.5 稳定裕度
5.6 利用开环对数幅频特性分析系统的性能
5.7 闭环频率特性曲线的绘制
5.8 利用闭环频率特性分析系统的性能
5.9 频率法串联校正
第六章 线性离散系统的分析与校正(部分重点)
6.1 离散系统
6.2 信号采样与保持
6.3 z变换
6.4 离散系统的数学模型
6.5 稳定性分析
6.6 稳态误差计算
6.7 动态性能分析
6.8 离散系统的模拟化校正
6.9 离散系统的数字校正
第七章 非线性控制系统分析(部分重点)
第八章 控制系统的状态空间分析(不考)
参考文献:
自动控制原理/卢京潮主编——北京:清华大学出版社,2013.3
自动控制原理习题解答/卢京潮主编——北京:清华大学出版社,2013.3
吐槽区:
1 有些素养、操作、注意、条件之类的知识光靠看书获取线索确实是很难总结的,书上没讲就要自己脑补,还要保证正确率,这种坑踩了第一次就不想有第二次,要找到合适的学习内容降低难度。
2 文字、术语化的知识是相对容易自学的,而图形、数字和案例化的抽象知识需要按部就班,循序渐进的学习。从第二章开始,涉及到的图形、数字和案例化的知识比例增加,不管是拆解术语,还是利用拆解出来的术语构建整个理论体系的难度直线上升。