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1、摘要近年来，自动控制系统在现代文明和技术的发展与进步中，起着越来越重要的作用。在工程实践中,有时需要在系统分析的基础上将原有系统的特性加以修正和改造，使系统能够实现给定的性能要求，因此，系统中就需要校正控制器的存在。根轨迹提供了系统绝对稳定性的信息，还提供了稳定程度的信息。稳定程度实际上还是描述动态响应特性的方式。如果系统是不稳定的或者动态响应不可接受，根轨迹还可以指出可能改进响应的方法而且可以定性描述改进的效果。本论文主要是对经典根轨迹校正设计方法的研究，针对受控对象，设计合适的根轨迹校正控制器，改善系统的性能指标，使系统能够实现给定的性能要求。关键词控制系统；自动控制；根轨迹；性能指标Ab
2、stract In recent years, automatic control system has assumed an increasingly important role in the development and advancement of modern civilization and technology. In engineering practice, the characteristics of the original system will be revised and modified on the base of systematic analysis, a
3、llowing the system to achieve a given performance requirements, therefore, the system requires the presence of correction controller. The root locus provides information not only as to the absolute stability of a system but also as to its degree of stability, which is another way of describing the n
4、ature of the transient response. If the system is unstable or has an unacceptable transient response, the root locus indicates possible ways to improve the response and is a convenient method of depicting qualitatively the effects of any such changes. This thesis is the classical root locus design m
5、ethod of correction for the controlled object, design appropriate correction controller of root locus to improve system performance, enabling the system to achieve a given performance requirements.Key wordsControl system; automatic control; root locus; performance indicatorsI目录摘要IAbstractII前言1第一章 自动
6、控制理论概述21.1 自动控制理论历史及发展过程21.1.1 理论历史21.1.2 发展过程21.2 自动控制系统31.2.1 自动控制系统的组成31.2.2 自动控制系统的工作原理41.2.3 自动控制系统的分类41.2.4 自动控制系统的设计要求61.3 结论6第二章 自动控制原理72.1 控制系统的数学模型72.1.1 控制系统的微分方程72.1.2 非线性系统数学模型的线性化82.1.3 传递函数82.1.4 系统的动态结构图92.2 控制系统的分析102.2.1 控制系统的性能指标102.2.2 控制系统的时域分析112.2.3 控制系统的频域分析12第三章 根轨迹校正方法133.1
7、 根轨迹概述133.1.1 根轨迹概念133.1.2 根轨迹方程133.2 绘制根轨迹的基本法则143.3 控制系统的根轨迹法分析153.3.1 闭环零点、极点分布对系统性能的影响153.3.2 开环零点、极点分布对系统性能的影响163.4 控制系统的根轨迹校正方法163.4.1 系统校正基础163.4.2 系统校正方式173.4.3 根轨迹法校正18第四章 经典根轨迹校正方法研究的仿真194.1 根轨迹法串联超前校正194.2 根轨迹法串联滞后校正22结论26参考文献27致谢28经典根轨迹校正设计方法研究前言 从20世纪40年代起，特别是第二次世界大战以来，由于工业活动的发展和军事技术上的需
8、要，科学技术的发展十分迅速。自动控制技术在各个领域的应用已日趋广泛，不但使得生产设备或生产过程实现了自动化，大大提高了劳动生产率，改善劳动条件，并在各个方面发挥了非常重要的作用。 自动控制理论是研究自动控制基本规律的科学，是分析和设计自动控制系统的理论依据。所谓自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用附加装置（自动控制装置）使生产过程或生产机械（被控对象）自动地按照某种规律（控制目标）运行，使被控对象的一个或几个物理量（如温度、压力、流量和速度等）按照预定的要求变化。 自动控制源于工程实践，并随着生产的发展和技术的进步不断完善，又反过来指导工程实践。当然，自动控制技术不仅应用于工业控制中，而且
9、在军事、农业、航空、航海、核能利用等领域也发挥着重要的作用。自动控制理论的发展与应用，改善了劳动条件，把人类从繁重的体力劳动中解放出来，并且由于自动控制系统能以某种最佳方式运行进而节约能源，降低成本。 在系统分析的基础上，将原有系统的特性加以修正与改造，利用校正装置使得系统能够实现给定的性能指标，这样的工程方法，我们把它叫做系统的校正。伊万思（W. R. Evans）提出一种在复平面上由系统的开环极、零点来确定闭环系统极、零点的图解方法，称为根轨迹法。利用这种方法分析系统的性能，确定系统应有的结构和参数，而本次论文主要研究的经典根轨迹校正方法，正是利用根轨迹法控制系统性能进行控制校正。第一章
10、自动控制理论概述自动控制，就是在没人参与的情况下，通过控制器或者控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制的目的。1.1 自动控制理论历史及发展过程1.1.1 理论历史 控制论的奠基人维纳从1919年就已经萌发了控制论的思想。第二次世界大战期间，维纳参加了火炮自动控制的研究工作，他将火炮自动打飞机的动作与人的狩猎行为作了对比并发现了极为重要的反馈概念。他认识到：稳定活动的方法之一是把活动的结果所决定的量，作为信息的新的调节部分，再反馈到控制仪器中，这就是负反馈。控制论萌芽的重要标志是维纳在1943年发表的行为，目的和目的论。1948年，维纳的控制
11、论出版，标志着这门学科的正式成立。控制论是自动控制、电子技术和计算机科学等多种学科相互渗透的产品，一方面，火炮和航天控制等技术快速地发展，数控、电力和冶金自动化技术突飞猛进；另一方面，控制理论也日渐成熟。1954年我国科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方法，首创了工程控制论，把控制论推广到工程技术领域。1.1.2 发展过程伴随着社会生产力的发展，控制技术也在不断地发展和革新，尤其是计算机的更新换代更是推动了控制理论不断地向前发展。一般情况下控制理论的发展过程可以分为以下三部分：第一部分为从19世纪开始到直到20世纪50年代所建立的经典控制理论，第二部分为开始于20世纪50年代至90年代蓬勃发
12、展的现代控制理论，第三部分为90年代开始发展的智能控制理论。经典控制理论建立在频率响应法和根轨迹法的基础上，其数学工具为拉普拉斯（Laplace）变换，以输入、输出特性（主要是传递函数）为系统的数学模型。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性、控制系统的设计原理和校正方法。经典控制理论包括线性控制理论、采样控制理论、非线性控制理论三个部分。早期，这种控制理论常被称为自动调节原理，随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成（在1960年前后），开始广为使用现在的名称。经典控制理论在液压气动元件与系统的分析、设计、评价等各方面得到广泛的应用。经典
13、控制理论在解决比较简单的控制系统的分析和设计问题方面是很有效的，至今仍不失其实用价值。存在的局限性主要表现在只适用于单变量系统，且仅限于研究定常系统。现代控制理论是在经典控制理论的基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。现代控制理论以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析，设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优
14、控制系统提供了可能性。比起经典控制理论，现代控制理论考虑问题更全面、更复杂，主要表现在考虑系统内部之间的耦合，系统外部的干扰，但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。智能控制理论以人工智能的研究为方向，研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论。当前主要的研究方向有自适应控制理论研究、模糊控制理论研究、人工神经元网络研究以及混沌理论研究等，并有多种研究成果产生。智能控制理论的研究与发展，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发与促进了人的思维方式，标志着信息与控制学科的发展远没有止境
15、。1.2 自动控制系统自动控制系统是指没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程或被控对象的某些物理量准确地按照预期变化。1.2.1 自动控制系统的组成（1）受控对象（2）定值元件 在常规仪表控制中用它来产生参考输入或者设定值。（3）控制器 接收偏差信号或者输入信号，通过一定的控制规律给出控制量，送到执行原件。（4）执行元件 有时控制器的输出可以直接驱动受控对象。（5）测量变送元件 又称传感器，用于检测受控对象的输出量，如温度、压力、流量、位置转速等非电物理量，并变换成标准信号后作为反馈量送到控制器。（6）比较元件 用以产生偏差信号来形成控制，有的系统以标准装置的方式配以专用的比较器，大部分是以隐藏的方式合并在其他控制装置中。1.2.2 自动控制系统的工作原理在自动控制系统中，根据偏差大小和方向调节控制，而偏差是通过反馈建立起来的。反馈是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端。使反馈与输入端进行比较，比较的结果称为偏差。控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程，而自动控制就是对检测出来的偏差进行自动校正。基于反馈基础上的“检测
