東北大學(xué)自動(dòng)原理課件

東北大學(xué)自動(dòng)原理課件歡迎來到自動(dòng)原理課件，我們將深入探討自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用。自動(dòng)原理簡介自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)利用反饋機(jī)制來調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)行為。應(yīng)用廣泛從工業(yè)自動(dòng)化到日常生活中的智能設(shè)備，自動(dòng)原理無處不在。提升效率通過自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)、更可靠的系統(tǒng)操作。未來發(fā)展隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)原理將不斷演進(jìn)。自動(dòng)原理的基本概念反饋控制通過測量輸出信號并將其與參考信號進(jìn)行比較來調(diào)整輸入信號，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。系統(tǒng)模型將自動(dòng)控制系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，以便于分析和設(shè)計(jì)。穩(wěn)定性自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在受到擾動(dòng)后保持穩(wěn)定狀態(tài)，并最終回到平衡點(diǎn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成控制器控制器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收反饋信號，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略生成控制信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，根據(jù)控制信號驅(qū)動(dòng)被控對象，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。被控對象被控對象是自動(dòng)控制系統(tǒng)要控制的目標(biāo)，其狀態(tài)或輸出量需要被控制。傳感器傳感器用于測量被控對象的實(shí)際狀態(tài)，將測量值轉(zhuǎn)換為電信號，反饋給控制器。反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸出量反饋到輸入端，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠根據(jù)誤差信號自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)?？垢蓴_能力強(qiáng)反饋回路可以有效抑制外界干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?？刂茖ο蟮臄?shù)學(xué)模型控制對象的數(shù)學(xué)模型是描述控制對象輸入和輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它可以是微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間方程等形式。數(shù)學(xué)模型可以用于分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，幫助我們了解控制對象的動(dòng)態(tài)特性，并預(yù)測其在不同輸入條件下的行為。常見的控制對象模型1一階模型描述了控制對象的動(dòng)態(tài)特性，可以通過時(shí)間常數(shù)來刻畫其響應(yīng)速度。2二階模型包含阻尼系數(shù)和自然頻率，影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和振蕩特性。3純滯后模型表示輸入信號到達(dá)控制對象輸出產(chǎn)生響應(yīng)之間存在延遲，主要由傳輸時(shí)間或物質(zhì)傳遞過程導(dǎo)致。4其他模型根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，還需要考慮其他模型，例如死區(qū)模型、飽和模型等。傳遞函數(shù)及其性質(zhì)1定義傳遞函數(shù)是描述線性時(shí)不變系統(tǒng)輸入與輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。2特點(diǎn)傳遞函數(shù)是一個(gè)復(fù)變量函數(shù)，它反映了系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)。3應(yīng)用傳遞函數(shù)用于系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和仿真，可以幫助理解系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。傳遞函數(shù)的微分方程表達(dá)1微分方程描述系統(tǒng)輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系2拉普拉斯變換將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程3傳遞函數(shù)輸出與輸入的拉普拉斯變換比值時(shí)域指標(biāo)及其計(jì)算4指標(biāo)上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差1計(jì)算根據(jù)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行計(jì)算，反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定性分析系統(tǒng)能否在擾動(dòng)下保持穩(wěn)定狀態(tài)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)。通過分析系統(tǒng)的特征根、頻域特性等指標(biāo)來判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。穩(wěn)定性分析是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，為選擇合適控制參數(shù)提供了依據(jù)。根軌跡法1繪制根軌跡根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)，繪制根軌跡圖。根軌跡圖顯示了閉環(huán)極點(diǎn)隨開環(huán)增益變化的軌跡。2分析根軌跡根據(jù)根軌跡圖，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、速度和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)。根軌跡圖可以幫助我們選擇合適的開環(huán)增益以滿足系統(tǒng)性能要求。3應(yīng)用根軌跡法根軌跡法可以應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，例如反饋控制系統(tǒng)、PID控制系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)。根軌跡法應(yīng)用舉例通過根軌跡法可以直觀地分析系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響。例如，可以通過繪制根軌跡來確定控制器參數(shù)的范圍，以使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。根軌跡法還可以幫助確定系統(tǒng)在不同參數(shù)條件下的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等關(guān)鍵指標(biāo)，從而為控制器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。頻域分析方法頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)在不同頻率正弦信號激勵(lì)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性.頻率特性描述系統(tǒng)對不同頻率信號的增益和相位變化.頻域指標(biāo)帶寬、截止頻率、相位裕度、增益裕度等.頻響特性及其表述幅頻特性描述系統(tǒng)在不同頻率的正弦信號輸入下，輸出信號幅值的變化情況。相頻特性描述系統(tǒng)在不同頻率的正弦信號輸入下，輸出信號相位滯后輸入信號的相位差。bode圖bode圖是將系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性以圖形的方式表示出來，方便直觀地分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、帶寬和相位裕度等參數(shù)。bode圖包含兩個(gè)部分：幅頻特性和相頻特性，分別以頻率為橫坐標(biāo)，幅值和相位為縱坐標(biāo)繪制而成。bode圖的繪制及應(yīng)用頻率響應(yīng)曲線bode圖以圖形的方式展示了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。幅頻特性幅頻特性反映了系統(tǒng)在不同頻率下輸出信號幅值的變化。相頻特性相頻特性反映了系統(tǒng)在不同頻率下輸出信號相位滯后的變化。系統(tǒng)性能分析通過分析bode圖，可以評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性、帶寬、相位裕度等性能指標(biāo)。牛頓-歐拉平面動(dòng)態(tài)分析牛頓-歐拉平面是一種用于動(dòng)態(tài)分析的方法。多體系統(tǒng)它特別適用于分析多體系統(tǒng)，例如機(jī)器人。力矩平衡它基于牛頓定律和歐拉定律，通過力矩平衡方程來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)性能通過補(bǔ)償技術(shù)，可以改善系統(tǒng)性能，提高精度、速度和穩(wěn)定性?？朔到y(tǒng)缺陷補(bǔ)償技術(shù)可以有效地克服系統(tǒng)本身存在的缺陷，如滯后、非線性等。實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)通過合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償器，可以使系統(tǒng)滿足特定的性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果。比例-積分-微分控制器比例控制控制輸出與偏差成比例，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)。積分控制控制輸出與偏差的積分成比例，積分時(shí)間常數(shù)Ki越大，控制作用越弱。微分控制控制輸出與偏差的變化率成比例，微分時(shí)間常數(shù)Kd越大，控制作用越強(qiáng)。比例-積分-微分控制器參數(shù)調(diào)校1比例增益(Kp)控制響應(yīng)速度和穩(wěn)定性2積分增益(Ki)消除穩(wěn)態(tài)誤差3微分增益(Kd)改善瞬態(tài)響應(yīng)離散系統(tǒng)模型1采樣過程將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號。2量化過程將離散信號轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值。3差分方程描述用差分方程來描述離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。z變換及其性質(zhì)離散時(shí)間信號的變換將離散時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域信號，用于分析和設(shè)計(jì)離散時(shí)間系統(tǒng)。線性性質(zhì)z變換滿足線性疊加性質(zhì)，可將復(fù)雜信號的z變換分解成簡單信號的z變換。時(shí)移性質(zhì)時(shí)移信號的z變換可以通過原始信號的z變換乘以z的冪次來表示。卷積性質(zhì)兩個(gè)信號的卷積的z變換等于它們z變換的乘積，簡化了離散時(shí)間系統(tǒng)的分析。離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析分析系統(tǒng)極點(diǎn)的位置判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定應(yīng)用z變換等工具進(jìn)行分析離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1模型選擇根據(jù)系統(tǒng)特性和需求，選擇合適的離散系統(tǒng)模型，如狀態(tài)空間模型、傳遞函數(shù)模型等。2控制器設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)合適的離散控制器，例如數(shù)字PID控制器、預(yù)測控制器等。3仿真驗(yàn)證使用仿真軟件驗(yàn)證控制器性能，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。4實(shí)現(xiàn)部署將設(shè)計(jì)的控制器程序代碼部署到實(shí)際控制系統(tǒng)中，并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和性能評估。自適應(yīng)控制環(huán)境變化自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以保持系統(tǒng)的最佳性能。模型不確定性當(dāng)系統(tǒng)的模型不確定時(shí)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以利用在線辨識(shí)技術(shù)來估計(jì)系統(tǒng)的模型參數(shù)，并根據(jù)估計(jì)結(jié)果調(diào)整控制策略。非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以用于控制非線性系統(tǒng)，例如機(jī)器人系統(tǒng)和航空器系統(tǒng)。智能控制模糊邏輯控制模糊邏輯控制利用模糊集理論來處理不確定性和模糊信息，適合解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力，通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。遺傳算法控制遺傳算法控制利用遺傳算法優(yōu)化控制器的參數(shù)，提高系統(tǒng)的性能和魯棒性。案例分享我們以一個(gè)常見的自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，來展示自動(dòng)原理在實(shí)際工程中的應(yīng)用。例如，自動(dòng)駕駛汽車的控制系統(tǒng)，涉及