自動控制原理培訓(xùn)

自動控制原理培訓(xùn)演講人：日期：FROMBAIDU緒論系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的時域分析線性系統(tǒng)的根軌跡分析法控制系統(tǒng)的頻率法分析控制系統(tǒng)的校正目錄CONTENTSFROMBAIDU01緒論FROMBAIDUCHAPTER自動控制的目的提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等。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，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和反饋裝置等組成，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。自動控制的基本概念早期自動控制裝置如瓦特的離心調(diào)速器，是自動控制理論的雛形，通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。自動控制理論的發(fā)展歷程經(jīng)典控制理論20世紀(jì)初，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論逐漸形成，主要研究單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)60年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、非線性、時變系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握自動控制的基本原理和方法，了解自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，為將來從事相關(guān)領(lǐng)域的工作打下基礎(chǔ)。課程目標(biāo)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過課堂講解、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和案例分析等方式，加深學(xué)生對自動控制原理的理解和掌握。同時，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考，培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力。學(xué)習(xí)方法課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)方法02系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型FROMBAIDUCHAPTER通過實(shí)驗(yàn)測定系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)分析法根據(jù)系統(tǒng)的物理或化學(xué)規(guī)律，列寫出描述系統(tǒng)動態(tài)特性的微分方程或差分方程。機(jī)理分析法將實(shí)際系統(tǒng)與某種已知的典型系統(tǒng)進(jìn)行比較，從而得出數(shù)學(xué)模型。類比法數(shù)學(xué)模型的建立方法010203描述線性定常系統(tǒng)動態(tài)特性的復(fù)變量函數(shù)，它表達(dá)了系統(tǒng)輸出與輸入之間的關(guān)系。傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)方程，通常是一階或二階常微分方程。微分方程系統(tǒng)在初始時刻的狀態(tài)，對于微分方程的求解至關(guān)重要。初始條件傳遞函數(shù)與微分方程比例環(huán)節(jié)輸出與輸入成比例的環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型為一個常數(shù)。積分環(huán)節(jié)輸出與輸入的積分成比例的環(huán)節(jié)，常用于描述具有滯后特性的系統(tǒng)。微分環(huán)節(jié)輸出與輸入的微分成比例的環(huán)節(jié)，常用于描述具有快速響應(yīng)特性的系統(tǒng)。振蕩環(huán)節(jié)具有振蕩特性的環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型通常包含正弦或余弦函數(shù)。典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)方框圖與信號流圖用方框表示系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，用箭頭表示信號傳遞的方向，直觀地展示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信號流程。系統(tǒng)方框圖用節(jié)點(diǎn)表示信號，用支路表示信號之間的傳遞關(guān)系，便于分析復(fù)雜系統(tǒng)的信號流程和傳遞函數(shù)。信號流圖用于計(jì)算信號流圖中系統(tǒng)傳遞函數(shù)的公式，可以簡化復(fù)雜系統(tǒng)的分析過程。梅森公式03系統(tǒng)的時域分析FROMBAIDUCHAPTER系統(tǒng)輸出從某一低值上升到某一高值所需的時間。上升時間系統(tǒng)輸出達(dá)到最大值所需的時間。峰值時間01020304系統(tǒng)輸出響應(yīng)開始變化的時間。延遲時間系統(tǒng)輸出超過其穩(wěn)態(tài)值并隨后衰減到穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量。超調(diào)量時域性能指標(biāo)一階系統(tǒng)的特點(diǎn)具有一個儲能元件（如電容或電感），其動態(tài)特性可由一個一階微分方程描述。響應(yīng)形式分析方法一階系統(tǒng)的時域分析一階系統(tǒng)的響應(yīng)通常表現(xiàn)為指數(shù)形式，包括過阻尼、欠阻尼和臨界阻尼三種情況。通過求解一階微分方程，可以得到系統(tǒng)的時域響應(yīng)，進(jìn)而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)。具有兩個儲能元件（如電容和電感），其動態(tài)特性可由一個二階微分方程描述。二階系統(tǒng)的特點(diǎn)二階系統(tǒng)的響應(yīng)通常表現(xiàn)為振蕩形式，其振蕩特性取決于系統(tǒng)的阻尼比和自然頻率。響應(yīng)形式通過求解二階微分方程，可以得到系統(tǒng)的時域響應(yīng)，包括振蕩周期、振幅和相位等信息，進(jìn)而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)。分析方法二階系統(tǒng)的時域分析高階系統(tǒng)的時域分析高階系統(tǒng)的特點(diǎn)具有三個或更多儲能元件，其動態(tài)特性可由一個高階微分方程描述。01響應(yīng)形式高階系統(tǒng)的響應(yīng)可能表現(xiàn)為復(fù)雜的振蕩形式，其特性取決于系統(tǒng)的特征根和初始條件。02分析方法高階系統(tǒng)的時域分析通常較為復(fù)雜，需要采用數(shù)值方法或近似方法進(jìn)行求解。在實(shí)際應(yīng)用中，常將高階系統(tǒng)近似為低階系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。此外，還可以利用計(jì)算機(jī)仿真工具對高階系統(tǒng)進(jìn)行模擬和分析，以獲得更準(zhǔn)確的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)。0304線性系統(tǒng)的根軌跡分析法FROMBAIDUCHAPTER01根軌跡定義指當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變到無窮時，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式的根在s平面上變化的軌跡。根軌跡與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系通過根軌跡圖可以直觀地判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)性能隨參數(shù)變化的情況。根軌跡與系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)系根軌跡的形狀和位置可以反映系統(tǒng)的動態(tài)性能，如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等。根軌跡的基本概念0203根軌跡的繪制方法010203確定根軌跡的分支數(shù)、漸近線、實(shí)軸上的根軌跡區(qū)間和分離點(diǎn)等關(guān)鍵要素。利用MATLAB等仿真軟件繪制根軌跡圖，便于直觀地分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布，判斷根軌跡的起始角和終止角，進(jìn)而確定根軌跡的基本形狀。通過根軌跡圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性當(dāng)閉環(huán)極點(diǎn)位于s平面的左半平面時，系統(tǒng)穩(wěn)定；反之，系統(tǒng)不穩(wěn)定。分析系統(tǒng)動態(tài)性能根據(jù)閉環(huán)極點(diǎn)的位置可以估算系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，如上升時間、峰值時間和調(diào)節(jié)時間等。優(yōu)化系統(tǒng)性能通過調(diào)整開環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置，可以改變根軌跡的形狀和位置，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能。根軌跡的性能分析參數(shù)根軌跡以系統(tǒng)某一參數(shù)為變量繪制的根軌跡，用于分析該參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。零度根軌跡針對特定類型的系統(tǒng)（如具有積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)），其根軌跡的漸近線與實(shí)軸的夾角為零度，此時需要采用特殊的處理方法進(jìn)行繪制和分析。應(yīng)用場景參數(shù)根軌跡和零度根軌跡在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析中具有重要的應(yīng)用價值，可以幫助工程師更加精確地了解系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。參數(shù)根軌跡與零度根軌跡01020305控制系統(tǒng)的頻率法分析FROMBAIDUCHAPTER定義頻率特性指的是系統(tǒng)在正弦信號作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，描述了系統(tǒng)對不同頻率正弦信號的傳遞能力。重要性頻率特性是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要依據(jù)，它反映了系統(tǒng)對不同頻率信號的傳遞性能。表示方法通常以幅頻特性和相頻特性來表示，分別描述系統(tǒng)對不同頻率信號的放大倍數(shù)和相位移動情況。頻率特性的基本概念一階慣性環(huán)節(jié)具有低通濾波特性，對高頻信號具有較強(qiáng)的衰減作用。二階振蕩環(huán)節(jié)在特定頻率附近具有共振現(xiàn)象，對信號的傳遞具有明顯的選頻作用。微分環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)分別對高頻和低頻信號具有放大作用，影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。典型環(huán)節(jié)的頻率特性系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制010203伯德圖采用對數(shù)坐標(biāo)，繪制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性曲線。奈奎斯特圖以復(fù)平面上表示系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的圖形，用于判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。繪制步驟首先確定典型環(huán)節(jié)的頻率特性，然后根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行疊加，最后繪制出整體的開環(huán)頻率特性曲線。相位裕量閉環(huán)系統(tǒng)相位滯后與180度的差值，用于判斷系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和抗干擾能力。性能指標(biāo)包括帶寬、諧振頻率、相位裕量等，用于評價閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。諧振頻率閉環(huán)系統(tǒng)在特定頻率下產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或失穩(wěn)。帶寬閉環(huán)系統(tǒng)能夠正常工作的頻率范圍，反映了系統(tǒng)對信號的傳遞速度和能力。閉環(huán)頻率特性描述了閉環(huán)系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)特性，與開環(huán)頻率特性密切相關(guān)。閉環(huán)頻率特性與性能指標(biāo)06控制系統(tǒng)的校正FROMBAIDUCHAPTER通過調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)達(dá)到期望的性能指標(biāo)。校正的定義根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式，可分為串聯(lián)校正、并聯(lián)校正和復(fù)合校正。校正的分類提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，以滿足實(shí)際控制需求。校正的目的校正的基本概念與方法串聯(lián)校正的原理與設(shè)計(jì)常見的串聯(lián)校正裝置超前校正裝置、滯后校正裝置和超前-滯后校正裝置。串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)方法根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，選擇合適的校正裝置類型和參數(shù)，進(jìn)行串聯(lián)連接。串聯(lián)校正的原理將校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)中，通過改變系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的。并聯(lián)校正的原理與設(shè)計(jì)并聯(lián)校正的原理將校正裝置并聯(lián)在系統(tǒng)中，通過引入附加的反饋回路，改變系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，從而改善系統(tǒng)性能。并聯(lián)校正的設(shè)計(jì)方法根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)合適的并聯(lián)校正裝置，確定其傳遞函數(shù)和參數(shù)。并聯(lián)校正的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)性能的精確調(diào)整，但需要增加額外的硬件設(shè)備和復(fù)雜的控制系統(tǒng)。復(fù)合校正的原理與