控制工程基礎王積偉吳振順課后答案REPORTING目錄課程概述與目標基礎知識回顧控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)性能分析與設計控制系統(tǒng)的校正與優(yōu)化非線性控制系統(tǒng)分析現(xiàn)代控制理論在控制系統(tǒng)中的應用PART01課程概述與目標REPORTING控制工程基礎課程簡介控制工程基礎課程是自動化、機械工程、電氣工程等相關專業(yè)的重要課程之一。該課程主要介紹控制系統(tǒng)的基本概念、原理、分析和設計方法，以及控制工程在各個領域的應用。通過該課程的學習，學生可以掌握控制系統(tǒng)的基本理論和方法，具備分析和設計控制系統(tǒng)的能力。01掌握控制系統(tǒng)的基本概念、原理和分析方法。02掌握控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性等基本性能指標的分析和計算方法。03掌握控制系統(tǒng)的校正和設計方法，能夠針對實際問題進行控制系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。04了解控制工程在各個領域的應用和發(fā)展趨勢。教學目標與要求《控制工程基礎》王積偉吳振順編著，高等教育出版社。教材《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制工程》、《控制系統(tǒng)分析與設計》等相關教材。參考書目教材及參考書目PART02基礎知識回顧REPORTING自動控制原理基本概念穩(wěn)定性、快速性、準確性和魯棒性。自動控制系統(tǒng)的性能指標由被控對象、測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行機構和校正元件等組成的，能夠自動按照預定的規(guī)律運行，使被控量保持恒定或按預定規(guī)律變化的系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的定義根據(jù)系統(tǒng)結構特點可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)信號傳遞方式可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類滿足疊加原理和齊次性的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的定義傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。線性系統(tǒng)的數(shù)學模型時域分析法、頻域分析法和復域分析法。線性系統(tǒng)的分析方法線性系統(tǒng)分析方法通過繪制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能指標的一種方法。根軌跡圖上的點表示系統(tǒng)在不同開環(huán)增益下的閉環(huán)極點位置，從而可以直觀地看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標隨開環(huán)增益的變化情況。根軌跡法直接對系統(tǒng)的微分方程或差分方程進行求解，得到系統(tǒng)輸出隨時間變化的規(guī)律，進而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標。時域分析法包括經(jīng)典法和現(xiàn)代法兩種，其中經(jīng)典法主要適用于線性定常系統(tǒng)，而現(xiàn)代法則適用于更一般的線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。時域分析法根軌跡法與時域分析法PART03控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析REPORTING穩(wěn)定性的概念穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外部擾動后，能夠自動恢復到原平衡狀態(tài)的能力。對于控制系統(tǒng)而言，穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的前提和基礎。判定方法控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定方法主要包括時域分析法、頻域分析法和根軌跡法。其中，時域分析法通過觀察系統(tǒng)響應曲線來判斷穩(wěn)定性；頻域分析法通過分析系統(tǒng)頻率特性來判斷穩(wěn)定性；根軌跡法通過繪制系統(tǒng)根軌跡圖來判斷穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的概念及判定方法Routh-Hurwitz判據(jù)及應用Routh-Hurwitz判據(jù)是一種基于系統(tǒng)特征方程系數(shù)的代數(shù)判據(jù)，用于判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該判據(jù)通過構造一系列行列式，并根據(jù)行列式的符號來判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。Routh-Hurwitz判據(jù)Routh-Hurwitz判據(jù)在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中具有重要的應用價值。它可以用于判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，以及確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)范圍。此外，該判據(jù)還可以用于指導控制系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。應用VSNyquist穩(wěn)定判據(jù)是一種基于系統(tǒng)頻率響應的圖形化判據(jù)，用于判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該判據(jù)通過觀察系統(tǒng)開環(huán)頻率響應曲線在復平面上的軌跡（即Nyquist圖）來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中同樣具有重要的應用價值。它可以用于判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，以及確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器參數(shù)。此外，該判據(jù)還可以用于指導控制系統(tǒng)的頻率設計和優(yōu)化，以及分析系統(tǒng)的魯棒性和靈敏度等問題。Nyquist穩(wěn)定判據(jù)Nyquist穩(wěn)定判據(jù)及應用PART04控制系統(tǒng)性能分析與設計REPORTING動態(tài)性能指標包括超調量、調節(jié)時間、上升時間等，用于評價系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性、穩(wěn)定性和準確性。綜合性能指標將靜態(tài)和動態(tài)性能指標結合起來，形成統(tǒng)一的評價指標，如ITAE、ISE等。靜態(tài)性能指標包括穩(wěn)態(tài)誤差、靜態(tài)靈敏度等，用于評價系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)劣。性能指標及其評價方法二階系統(tǒng)標準形式通過變換將一般二階系統(tǒng)轉換為標準形式，便于性能分析。阻尼比和自然頻率阻尼比決定系統(tǒng)的振蕩性能，自然頻率決定系統(tǒng)的響應速度。二階系統(tǒng)性能指標根據(jù)阻尼比和自然頻率可以計算出超調量、調節(jié)時間等性能指標。二階系統(tǒng)性能分析高階系統(tǒng)具有多個極點和零點，其性能分析更為復雜。高階系統(tǒng)特點主導極點對系統(tǒng)性能起主要作用，偶極子對系統(tǒng)性能影響較小。主導極點和偶極子通過計算主導極點的位置、系統(tǒng)的阻尼比和自然頻率等參數(shù)，可以評價高階系統(tǒng)的性能。高階系統(tǒng)性能指標高階系統(tǒng)性能分析PART05控制系統(tǒng)的校正與優(yōu)化REPORTING超前校正裝置通過提供超前相位來改善系統(tǒng)動態(tài)性能，適用于增加系統(tǒng)相位裕度和提高系統(tǒng)截止頻率的場合。滯后校正裝置通過提供滯后相位來改善系統(tǒng)靜態(tài)性能，適用于減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和提高系統(tǒng)抗干擾能力的場合。超前-滯后校正裝置結合超前和滯后校正的優(yōu)點，可同時改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)性能，適用于對系統(tǒng)性能要求較高的場合。校正裝置的類型及特點串聯(lián)超前校正設計根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，選擇合適的超前校正裝置參數(shù)，將其串聯(lián)在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)動態(tài)性能。例如，在電機控制系統(tǒng)中，可采用串聯(lián)超前校正來改善電機啟動時的動態(tài)響應。串聯(lián)滯后校正設計根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，選擇合適的滯后校正裝置參數(shù)，將其串聯(lián)在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)靜態(tài)性能。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，可采用串聯(lián)滯后校正來減小穩(wěn)態(tài)誤差。串聯(lián)超前-滯后校正設計根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，選擇合適的超前-滯后校正裝置參數(shù)，將其串聯(lián)在系統(tǒng)中，以同時改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)性能。例如，在飛行控制系統(tǒng)中，可采用串聯(lián)超前-滯后校正來提高飛行穩(wěn)定性和準確性。串聯(lián)校正設計方法及實例反饋校正設計方法及實例在系統(tǒng)中引入局部反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)局部性能。例如，在機械系統(tǒng)中，可采用局部反饋來減小振動和噪音。全局反饋校正設計在系統(tǒng)中引入全局反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)全局性能。例如，在電力系統(tǒng)中，可采用全局反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。復合反饋校正設計結合局部反饋和全局反饋的優(yōu)點，采用復合反饋方式來改善系統(tǒng)性能。例如，在化工過程中，可采用復合反饋來控制產(chǎn)品質量和產(chǎn)量。局部反饋校正設計PART06非線性控制系統(tǒng)分析REPORTING非線性特性的定義和分類闡述非線性特性的概念，包括死區(qū)、飽和、間隙、滯環(huán)等，以及它們在控制系統(tǒng)中的表現(xiàn)。對系統(tǒng)性能的影響分析非線性特性對控制系統(tǒng)性能的影響，如穩(wěn)定性、快速性、準確性等，以及可能產(chǎn)生的自激振蕩、極限環(huán)等現(xiàn)象。非線性特性及其對系統(tǒng)性能的影響描述函數(shù)法的基本原理介紹描述函數(shù)法的基本思想，即通過非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)來近似表示其動態(tài)特性，從而將非線性問題轉化為線性問題進行分析。描述函數(shù)法的應用步驟闡述使用描述函數(shù)法分析非線性控制系統(tǒng)的步驟，包括確定非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)、繪制描述函數(shù)曲線、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性等。典型非線性特性的描述函數(shù)給出典型非線性特性（如死區(qū)、飽和、間隙等）的描述函數(shù)表達式及其圖形表示。描述函數(shù)法及其應用123介紹相平面法的基本思想，即通過在相平面上繪制系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。相平面法的基本原理闡述使用相平面法分析非線性控制系統(tǒng)的步驟，包括確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程、繪制相平面圖、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性等。相平面法的應用步驟給出典型非線性系統(tǒng)（如二階振蕩系統(tǒng)、具有死區(qū)的系統(tǒng)等）的相平面分析方法及實例。典型非線性系統(tǒng)的相平面分析相平面法及其應用PART07現(xiàn)代控制理論在控制系統(tǒng)中的應用REPORTING狀態(tài)空間描述法簡介01狀態(tài)空間描述法是現(xiàn)代控制理論的基礎，它采用狀態(tài)變量來描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。02狀態(tài)空間描述法通過狀態(tài)方程和輸出方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性和輸入輸出關系。狀態(tài)空間描述法適用于線性定常系統(tǒng)、線性時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)等多種類型的控制系統(tǒng)。03能控性是指系統(tǒng)狀態(tài)能否通過輸入控制作用在有限時間內從任意初始狀態(tài)轉移到任意終態(tài)。能觀性是指系統(tǒng)輸出能否反映系統(tǒng)內部狀態(tài)的變化情況，即能否通過輸出信息來推斷系統(tǒng)狀態(tài)。能控性和能觀性分析是控制系統(tǒng)設計和分析的重要環(huán)節(jié)，它們決定了控制系統(tǒng)的可控性和可觀測性。