自控原理控制課件

自控原理控制課件匯報人：小無名15目錄contents自動控制概述控制系統(tǒng)數(shù)學模型線性時不變系統(tǒng)分析根軌跡法設(shè)計控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)法設(shè)計控制系統(tǒng)狀態(tài)空間法設(shè)計控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)分析與設(shè)計自動控制概述01自動控制定義自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制發(fā)展自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)期間為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。自動控制定義與發(fā)展自動控制系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、執(zhí)行機構(gòu)和變送器四個環(huán)節(jié)組成。要點一要點二自動控制系統(tǒng)分類根據(jù)控制原理的不同，自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生任何影響的系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)則是把系統(tǒng)輸出量的一部分或全部，通過一定方法和裝置反送回系統(tǒng)的輸入端，然后將反饋信息與原始輸入信息進行比較，再將比較的結(jié)果施加于系統(tǒng)進行控制，避免系統(tǒng)偏離預定目標。自動控制系統(tǒng)組成與分類課程目標通過本課程的學習，使學生掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本分析方法，培養(yǎng)學生運用自動控制理論分析和解決實際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學習及從事自動控制領(lǐng)域的科學研究與技術(shù)開發(fā)工作打下堅實的基礎(chǔ)。課程意義自動控制原理是自動化類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動化專業(yè)本科生的核心課程之一。該課程對于培養(yǎng)學生掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本分析方法，提高學生運用自動控制理論分析和解決實際問題的能力具有重要意義。同時，該課程也是學生后續(xù)學習專業(yè)課程和從事自動控制領(lǐng)域科學研究與技術(shù)開發(fā)工作的基礎(chǔ)。自動控制原理課程目標與意義控制系統(tǒng)數(shù)學模型02微分方程建立根據(jù)物理定律或系統(tǒng)運動規(guī)律建立描述系統(tǒng)動態(tài)特性的微分方程。線性化處理對于非線性系統(tǒng)，通過線性化方法將其轉(zhuǎn)化為線性微分方程，便于分析和設(shè)計。初始條件與邊界條件確定微分方程的初始條件和邊界條件，以便求解系統(tǒng)響應(yīng)。微分方程描述系統(tǒng)動態(tài)特性傳遞函數(shù)性質(zhì)包括穩(wěn)定性、準確性、快速性等，通過分析傳遞函數(shù)的極點和零點分布、幅頻特性和相頻特性等來評估系統(tǒng)性能。典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)等，以及它們的組合形式，用于構(gòu)建復雜系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)定義在零初始條件下，系統(tǒng)輸出與輸入之間的拉普拉斯變換比，描述系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。傳遞函數(shù)及性質(zhì)分析狀態(tài)空間描述通過狀態(tài)變量和狀態(tài)方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，適用于多輸入多輸出系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。狀態(tài)空間表達式包括狀態(tài)方程和輸出方程，狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)變量的變化規(guī)律，輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量和輸入之間的關(guān)系。狀態(tài)空間解法包括時域解法和變換域解法。時域解法直接求解狀態(tài)方程，得到狀態(tài)變量和輸出的時間響應(yīng)；變換域解法通過拉普拉斯變換等方法將狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程求解，得到狀態(tài)變量和輸出的頻率響應(yīng)。狀態(tài)空間表達式及解法線性時不變系統(tǒng)分析03穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到擾動后，能夠自動恢復到原來平衡狀態(tài)的能力。對于線性時不變系統(tǒng)，穩(wěn)定性是其基本特性之一。穩(wěn)定性概念判定線性時不變系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有多種，如勞斯判據(jù)、赫爾維茨判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)等。其中，勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)是基于系統(tǒng)特征方程的系數(shù)進行判斷，而奈奎斯特判據(jù)則是基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性進行判斷。判定方法穩(wěn)定性概念及判定方法穩(wěn)態(tài)誤差計算穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，輸出量與期望輸出量之間的差值。對于線性時不變系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差可以通過系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和輸入信號的特性進行計算。改善措施為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，可以采取多種改善措施，如增加系統(tǒng)開環(huán)增益、采用更精確的傳感器和測量設(shè)備、優(yōu)化系統(tǒng)控制算法等。穩(wěn)態(tài)誤差計算與改善措施頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性是指系統(tǒng)在正弦信號激勵下的輸出與輸入之間的關(guān)系。對于線性時不變系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)特性可以通過系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在復平面上的表示進行分析。分析方法分析線性時不變系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的方法有多種，如伯德圖、奈奎斯特圖、尼科爾斯圖等。這些方法可以直觀地展示系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標。頻率響應(yīng)特性分析根軌跡法設(shè)計控制系統(tǒng)04VS根軌跡法是一種基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零點、極點和增益變化來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的方法。通過繪制根軌跡圖，可以直觀地了解系統(tǒng)在不同增益下的閉環(huán)極點分布，從而評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。根軌跡圖繪制方法繪制根軌跡圖的基本步驟包括確定開環(huán)傳遞函數(shù)、選擇適當?shù)脑鲆孀兓秶?、計算并繪制根軌跡曲線。在繪制過程中，需要注意根軌跡的分支數(shù)、對稱性、漸近線、分離點和會合點等關(guān)鍵要素。根軌跡法基本原理根軌跡法基本原理和繪制方法在根軌跡法中，參數(shù)設(shè)計的主要目標是確定合適的開環(huán)增益和零點、極點配置，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有期望的穩(wěn)定性和性能。參數(shù)設(shè)計需要考慮系統(tǒng)的性能指標、穩(wěn)定性裕度、靈敏度等因素。參數(shù)設(shè)計為了進一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能，可以采用多種優(yōu)化策略，如極點配置優(yōu)化、零點配置優(yōu)化、復合控制等。這些優(yōu)化策略可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度、降低超調(diào)量、改善系統(tǒng)的抗干擾能力等。優(yōu)化策略根軌跡法參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化策略適用范圍限制01根軌跡法主要適用于單輸入單輸出（SISO）線性定常系統(tǒng)，對于多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，根軌跡法的應(yīng)用受到一定限制。穩(wěn)定性分析局限性02根軌跡法主要關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，對于系統(tǒng)的其他性能指標（如穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)等）的分析能力相對較弱。依賴于傳遞函數(shù)模型03根軌跡法需要建立精確的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，而在實際工程中，由于系統(tǒng)復雜性和不確定性等因素的影響，很難獲得準確的傳遞函數(shù)模型，這限制了根軌跡法的應(yīng)用效果。根軌跡法在工程應(yīng)用中的局限性頻率響應(yīng)法設(shè)計控制系統(tǒng)05頻率響應(yīng)法基本原理和繪制方法頻率響應(yīng)法基本原理頻率響應(yīng)法是一種基于系統(tǒng)頻率特性的分析和設(shè)計方法，通過測量或計算系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，可以了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度等特性。頻率響應(yīng)繪制方法繪制頻率響應(yīng)曲線通常包括幅頻特性和相頻特性兩部分。幅頻特性表示系統(tǒng)對不同頻率正弦信號的放大倍數(shù)，相頻特性表示系統(tǒng)對不同頻率正弦信號的相位延遲。在頻率響應(yīng)法中，參數(shù)設(shè)計主要包括選擇合適的控制器參數(shù)，使得系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度等要求。常用的參數(shù)設(shè)計方法包括根軌跡法、頻率域綜合法等。優(yōu)化策略旨在進一步提高控制系統(tǒng)的性能。常用的優(yōu)化方法包括最小方差控制、最優(yōu)控制等。這些方法通過優(yōu)化性能指標，如誤差平方和、控制能量等，來實現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。參數(shù)設(shè)計優(yōu)化策略頻率響應(yīng)法參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化策略頻率響應(yīng)法主要適用于線性系統(tǒng)，對于非線性系統(tǒng)，其分析和設(shè)計結(jié)果可能不準確。非線性系統(tǒng)限制對于時變系統(tǒng)，其頻率特性可能隨時間變化，因此頻率響應(yīng)法的應(yīng)用受到限制。時變系統(tǒng)限制對于多變量系統(tǒng)，其各個變量之間可能存在耦合，使得頻率響應(yīng)法的分析和設(shè)計變得更加復雜。多變量系統(tǒng)限制頻率響應(yīng)法在工程應(yīng)用中的局限性狀態(tài)空間法設(shè)計控制系統(tǒng)06狀態(tài)空間法基本概念狀態(tài)空間法是一種基于系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動態(tài)行為的方法。它通過引入狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程和輸出方程，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的全面描述。狀態(tài)空間法求解方法狀態(tài)空間法的求解方法主要包括狀態(tài)方程的求解和輸出方程的求解。狀態(tài)方程的求解可以通過直接積分法、變換法或數(shù)值解法等方法實現(xiàn)；輸出方程的求解則需要根據(jù)具體的問題類型和條件，選擇合適的求解方法。狀態(tài)空間法基本原理和求解方法狀態(tài)空間法參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化策略在狀態(tài)空間法中，參數(shù)設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵步驟之一。參數(shù)設(shè)計的目標是確定控制器的參數(shù)，使得系統(tǒng)滿足性能指標要求。常用的參數(shù)設(shè)計方法包括根軌跡法、頻率響應(yīng)法和優(yōu)化方法等。參數(shù)設(shè)計優(yōu)化策略在狀態(tài)空間法設(shè)計中具有重要作用。通過優(yōu)化控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，可以進一步提高系統(tǒng)的性能。常用的優(yōu)化方法包括遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法等。優(yōu)化策略模型精度問題狀態(tài)空間法在工程應(yīng)用中受到模型精度問題的限制。由于實際系統(tǒng)往往存在非線性、時變和不確定性等因素，建立精確的狀態(tài)空間模型非常困難。因此，在實際應(yīng)用中需要對模型進行適當?shù)暮喕徒铺幚?。計算復雜性狀態(tài)空間法的計算復雜性較高，特別是在處理大規(guī)模系統(tǒng)和復雜問題時，計算量會顯著增加。因此，在實際應(yīng)用中需要采用高效的數(shù)值計算方法和計算機技術(shù)來提高計算效率。實時性問題狀態(tài)空間法在實時控制系統(tǒng)中應(yīng)用時，可能會受到實時性問題的限制。由于實時控制系統(tǒng)對計算速度和響應(yīng)時間有嚴格要求，因此需要在保證計算精度的同時，盡可能提高計算速度。狀態(tài)空間法在工程應(yīng)用中的局限性非線性系統(tǒng)分析與設(shè)計07非線性系統(tǒng)定義不滿足疊加原理的系統(tǒng)，其輸出與輸入之間呈非線性關(guān)系。常見非線性特性飽和、死區(qū)、間隙、繼電特性等。非線性系統(tǒng)特點具有多值性、非均勻性、突變性、記憶性等。非線性系統(tǒng)概述及特點描述函數(shù)法定義描述函數(shù)法在非線性系統(tǒng)分析中應(yīng)用用一次諧波分量近似描述非線性環(huán)節(jié)，從而將非線性系統(tǒng)簡化為等效線性系統(tǒng)進行分析的方法。描述函數(shù)法適用范圍適用于非線性程度不嚴重且包含非線性環(huán)節(jié)較少的系統(tǒng)。確