哈工大自動控制原理課件

哈爾濱工業(yè)大學自動控制原理課件哈爾濱工業(yè)大學自動控制原理課件，涵蓋了自動控制的基本原理和理論。本課件內(nèi)容包括系統(tǒng)模型、反饋控制、PID控制、頻域分析等。課程簡介哈爾濱工業(yè)大學本課程由哈爾濱工業(yè)大學自動控制系教授主講。自動控制原理學習自動控制系統(tǒng)的基本概念、理論、方法和應(yīng)用。課程內(nèi)容涵蓋線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、狀態(tài)空間分析、數(shù)字控制等內(nèi)容。課程目標掌握基本概念理解自動控制系統(tǒng)的基本概念，如反饋、穩(wěn)定性、動態(tài)特性等。掌握分析方法學習時域分析、頻域分析、狀態(tài)空間分析等方法，用于分析和設(shè)計控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的基本概念控制目標控制目標是指對被控對象進行控制所要達到的預(yù)期狀態(tài)，例如溫度、速度、位置等?？刂葡到y(tǒng)組成一個典型的自動控制系統(tǒng)由被控對象、控制器、傳感器、執(zhí)行器等組成，它們相互協(xié)作共同實現(xiàn)控制目標。控制方式常見的控制方式包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制，閉環(huán)控制通過反饋信號來調(diào)節(jié)控制量，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度?？刂圃碜詣涌刂频幕驹硎抢梅答佋恚ㄟ^比較期望值和實際值之間的偏差，自動地調(diào)整控制量，使被控對象按照預(yù)定的目標運行。線性時不變系統(tǒng)的描述1線性系統(tǒng)對輸入的疊加和比例變換具有線性關(guān)系2時不變系統(tǒng)的特性不會隨著時間變化3微分方程描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的數(shù)學表達式4狀態(tài)空間模型用一組狀態(tài)變量來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性5傳遞函數(shù)系統(tǒng)輸出與輸入的拉普拉斯變換之比線性時不變系統(tǒng)是自動控制理論中研究的核心內(nèi)容，這些系統(tǒng)具有線性疊加性和時不變性，可以使用微分方程、狀態(tài)空間模型或傳遞函數(shù)來描述。通過分析這些模型，可以了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，并為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。傳遞函數(shù)系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系傳遞函數(shù)描述了系統(tǒng)在拉普拉斯域中輸入與輸出之間的關(guān)系，用數(shù)學表達式表示系統(tǒng)的動態(tài)特性。頻率特性傳遞函數(shù)可以用于分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，即系統(tǒng)對不同頻率輸入信號的響應(yīng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性傳遞函數(shù)的極點和零點可以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，判斷系統(tǒng)是否會隨著時間推移而變得不穩(wěn)定。時域分析輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系時域分析研究系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)，描述輸入信號和輸出信號之間的時間關(guān)系。系統(tǒng)參數(shù)的分析通過分析系統(tǒng)的響應(yīng)特性，可以確定系統(tǒng)的參數(shù)，如時間常數(shù)、阻尼比等。系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析時域分析可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即當輸入信號為有限值時，輸出信號是否會趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)的性能指標分析時域分析可以分析系統(tǒng)的性能指標，如上升時間、峰值時間、超調(diào)量等，評估系統(tǒng)的動態(tài)性能。穩(wěn)定性分析11.穩(wěn)定性定義穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到擾動后，是否能夠恢復到平衡狀態(tài)。22.穩(wěn)定性判據(jù)常用的穩(wěn)定性判據(jù)包括：勞斯-赫維茨判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。33.穩(wěn)定性分析方法穩(wěn)定性分析方法主要包括時域分析、頻域分析、根軌跡法。44.穩(wěn)定性改善措施如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，可以通過反饋控制、參數(shù)調(diào)整等措施來改善其穩(wěn)定性。根軌跡法1定義根軌跡是系統(tǒng)開環(huán)極點到閉環(huán)極點軌跡2繪制根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)繪制根軌跡圖3分析分析根軌跡圖，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性4應(yīng)用通過根軌跡設(shè)計控制器參數(shù)根軌跡法是一種圖形化分析方法，用于確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)特性以及控制系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響根軌跡法在控制系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，可以幫助工程師找到滿足系統(tǒng)性能指標的控制器參數(shù)頻域分析1頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)是指系統(tǒng)對不同頻率正弦信號的輸出響應(yīng)，用于分析系統(tǒng)對不同頻率信號的傳遞特性。2Bode圖Bode圖是系統(tǒng)頻率響應(yīng)的圖形表示，包括幅頻特性和相頻特性，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和頻率特性。3奈奎斯特圖奈奎斯特圖是系統(tǒng)頻率響應(yīng)的極坐標圖，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，并判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。傅里葉變換時域到頻域的橋梁傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，分析信號的頻率成分。頻譜分析頻譜圖展示了信號中各個頻率成分的幅度和相位信息，揭示信號的頻率特性。信號處理應(yīng)用傅里葉變換廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域，例如濾波、壓縮、識別等。拉普拉斯變換定義拉普拉斯變換是一種將時域函數(shù)轉(zhuǎn)換為復頻域函數(shù)的數(shù)學方法。它將時域信號轉(zhuǎn)換為復頻域的信號，方便分析和處理。應(yīng)用拉普拉斯變換在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。它可以簡化微分方程的求解，方便進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和頻率響應(yīng)分析。PID控制器比例控制比例控制根據(jù)偏差的大小進行控制，偏差越大，控制作用越強。積分控制積分控制消除靜態(tài)誤差，使系統(tǒng)最終達到設(shè)定值。微分控制微分控制預(yù)測系統(tǒng)未來的變化趨勢，提前進行控制，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。PID控制PID控制器將比例、積分、微分控制結(jié)合，以達到最佳控制效果?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計性能指標分析確定系統(tǒng)性能目標，如快速性、穩(wěn)定性、精度等。模型建立根據(jù)系統(tǒng)特性建立數(shù)學模型，反映系統(tǒng)動態(tài)特性?？刂破髟O(shè)計選擇合適的控制器類型，并調(diào)整參數(shù)以滿足性能要求。仿真與驗證利用仿真軟件進行系統(tǒng)仿真，驗證設(shè)計結(jié)果。硬件實現(xiàn)將設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為實際硬件，并進行調(diào)試。單回路控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)包含一個控制器、一個執(zhí)行器、一個被控對象和一個傳感器。反饋機制系統(tǒng)使用傳感器反饋被控對象的輸出信號，用于調(diào)整控制器的輸出。應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、航空航天、汽車等領(lǐng)域。多回路控制系統(tǒng)11.多變量控制多個輸入變量和輸出變量之間相互影響的系統(tǒng)。例如，控制多個電機或溫度。22.耦合效應(yīng)一個回路的變化會影響其他回路，例如，溫度變化會影響壓力。33.控制算法需要考慮每個回路之間的交互作用，設(shè)計更復雜的控制算法。44.穩(wěn)定性和性能設(shè)計時要確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好性能。非線性系統(tǒng)非線性特性非線性系統(tǒng)包含非線性元件，表現(xiàn)出與輸入信號不成比例的輸出響應(yīng)。例如，飽和、死區(qū)和遲滯現(xiàn)象。復雜行為非線性系統(tǒng)可以展現(xiàn)出線性系統(tǒng)中不存在的復雜行為，如振蕩、混沌和多穩(wěn)態(tài)。這使得分析和控制變得更加困難。狀態(tài)空間分析1狀態(tài)變量狀態(tài)變量描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，反映系統(tǒng)在任意時刻的狀態(tài)。2狀態(tài)方程狀態(tài)方程以一階微分方程的形式描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間的變化。3輸出方程輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量的關(guān)系，體現(xiàn)系統(tǒng)的輸入輸出特性。離散時間系統(tǒng)數(shù)字信號處理離散時間系統(tǒng)處理離散信號，而不是連續(xù)信號。采樣與量化在現(xiàn)實世界中，連續(xù)信號被轉(zhuǎn)換為離散信號。時域與頻域分析可以使用Z變換等數(shù)學工具分析離散時間系統(tǒng)。應(yīng)用廣泛數(shù)字信號處理應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如通信、圖像處理和音頻處理。Z變換離散信號的數(shù)學工具Z變換將離散時間信號變換為復頻域函數(shù)頻域分析使用Z變換分析離散系統(tǒng)的頻率特性和穩(wěn)定性數(shù)字濾波器設(shè)計Z變換應(yīng)用于數(shù)字濾波器設(shè)計，實現(xiàn)信號處理數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)利用數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）來實現(xiàn)控制算法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。系統(tǒng)架構(gòu)數(shù)字控制系統(tǒng)通常包含傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字控制器、D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器等組成部分。應(yīng)用場景數(shù)字控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確控制、靈活編程和高可靠性等優(yōu)勢，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。自適應(yīng)控制環(huán)境變化自適應(yīng)控制能夠應(yīng)對環(huán)境變化，例如參數(shù)變化或干擾，保證系統(tǒng)性能。學習能力通過學習和調(diào)整控制參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)未知環(huán)境。應(yīng)用范圍自適應(yīng)控制廣泛應(yīng)用于機器人控制、航空航天、過程控制等領(lǐng)域。研究方向目前自適應(yīng)控制的研究重點包括魯棒性、穩(wěn)定性、學習算法等。模糊控制模糊邏輯模糊控制理論采用模糊邏輯描述和處理控制系統(tǒng)中的不確定性。模糊集合模糊集合允許成員對集合的隸屬程度用隸屬函數(shù)表示。模糊規(guī)則模糊規(guī)則用自然語言描述控制系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)更易理解和調(diào)試。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學習能力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學習和適應(yīng)能力，可以根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)不斷調(diào)整參數(shù)，提高控制性能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學習復雜非線性系統(tǒng)的特性，并在實際應(yīng)用中自適應(yīng)地調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)環(huán)境的變化?？刂凭壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以實現(xiàn)高精度控制，尤其適用于傳統(tǒng)方法難以解決的非線性控制問題。通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以使控制系統(tǒng)更加精確地跟蹤目標，并提高控制精度?，F(xiàn)代控制理論應(yīng)用實例本節(jié)課程將介紹現(xiàn)代控制理論在實際工程中的應(yīng)用實例。例如，現(xiàn)代控制理論被廣泛應(yīng)用于航空航天、機器人、汽車、化工等領(lǐng)域。例如，在航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)代控制理論可以用于設(shè)計飛機的自動駕駛系統(tǒng)，從而提高飛機的安全性、穩(wěn)定性和效率。此外，現(xiàn)代控制理論還可以用于優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。實驗與上機操作1實驗準備熟悉實驗器材了解實驗?zāi)康?實驗步驟按照實驗指導書操作記錄實驗數(shù)據(jù)3實驗結(jié)果分析實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論4實驗報告撰寫實驗報告提交實驗報告通過實驗和上機操作，學生能夠更深入地理解自動控制原理的理論知識，并掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試方法。期中考試時間考試內(nèi)容形式第8周周六上午前8章內(nèi)容閉卷考試期中考試是檢驗學生學習成果的重要環(huán)節(jié)，旨在幫助學生了解自身學習情況，發(fā)現(xiàn)不足，并為期末考試做好準備。期末考試期末考試是課程學習的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗學習成果的重要手段?？荚噧?nèi)容涵蓋課程重點，并考察學生對知識的理解和應(yīng)用能力?？荚囆问蕉鄻?，可以采用筆試、上機考試或綜合考核等方式。學生應(yīng)認真復習課程內(nèi)容，掌握基礎(chǔ)知識和基本技能，并注重理論聯(lián)系實際，提升解決實際問