《緒論自動(dòng)控制理論》課件

緒論自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論是工程領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)理論。該理論研究的是如何利用反饋控制實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)行為的精確控制。自動(dòng)控制的概念和歷史發(fā)展自動(dòng)控制的概念自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用機(jī)器或裝置，按照預(yù)定的目標(biāo)和規(guī)律，對被控對象進(jìn)行控制，使之自動(dòng)地按要求運(yùn)行。自動(dòng)控制的歷史發(fā)展自動(dòng)控制技術(shù)起源于古代，例如水鐘、風(fēng)車等。現(xiàn)代自動(dòng)控制理論則是在20世紀(jì)初，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成被控對象被控對象是自動(dòng)控制系統(tǒng)要控制的對象，它可以是一個(gè)機(jī)器、設(shè)備或過程。例如，一個(gè)自動(dòng)駕駛汽車的被控對象是汽車本身。傳感器傳感器用來測量被控對象的實(shí)際狀態(tài)，例如溫度、壓力、速度等，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。控制器控制器接收來自傳感器的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制算法，輸出控制信號(hào)，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)控制器的指令，對被控對象進(jìn)行控制，例如改變速度、溫度、壓力等。開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)輸出不受系統(tǒng)輸入的反饋控制。簡單易實(shí)現(xiàn)，但抗干擾能力差，精度不高。閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)輸出被反饋到輸入端，形成閉環(huán)，用于控制系統(tǒng)輸出的誤差。抗干擾能力強(qiáng)，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用11.傳感器傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如溫度、壓力、流量。22.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理量，例如電機(jī)旋轉(zhuǎn)、閥門開閉。33.閉環(huán)控制傳感器感知被控量，控制器根據(jù)偏差輸出控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行?？刂破鞯淖饔煤头诸愓{(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出控制器接收反饋信號(hào)并計(jì)算出控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出，使其符合預(yù)設(shè)目標(biāo)。提高系統(tǒng)性能控制器可以改善系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等，提高系統(tǒng)的整體性能。控制策略分類控制器根據(jù)不同的控制策略可以分為比例控制器、積分控制器、微分控制器、PID控制器、自適應(yīng)控制器等。數(shù)學(xué)建模的基本方法微分方程建模微分方程建模是利用微分方程描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法，適合描述系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的時(shí)間關(guān)系。例如，描述機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程、電路系統(tǒng)的電壓電流關(guān)系等。傳遞函數(shù)建模傳遞函數(shù)建模是一種基于拉普拉斯變換的建模方法，適用于線性時(shí)不變系統(tǒng)。它描述了系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。狀態(tài)空間建模狀態(tài)空間建模是利用狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法，適合描述多輸入多輸出系統(tǒng)。它可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，方便進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。微分方程建模1系統(tǒng)描述通過物理定律和基本原理2微分方程建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3求解方程獲得系統(tǒng)輸出響應(yīng)微分方程建模是一種經(jīng)典的系統(tǒng)分析方法，通過描述系統(tǒng)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來建立數(shù)學(xué)模型。這種方法在機(jī)械、電子、熱力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳遞函數(shù)建模定義傳遞函數(shù)描述輸入與輸出之間的關(guān)系，在拉普拉斯變換域內(nèi)進(jìn)行。步驟建立系統(tǒng)微分方程對微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換求解輸出與輸入之間的關(guān)系得到傳遞函數(shù)優(yōu)點(diǎn)傳遞函數(shù)提供了一種簡潔、直觀的系統(tǒng)描述，便于分析和設(shè)計(jì)。應(yīng)用傳遞函數(shù)在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和仿真中被廣泛應(yīng)用，例如，用于確定系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差。狀態(tài)空間建模1系統(tǒng)狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的關(guān)鍵變量2狀態(tài)方程描述狀態(tài)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律3輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量的關(guān)系狀態(tài)空間模型用一組微分方程描述系統(tǒng)的行為，比傳遞函數(shù)模型更全面。它不僅可以描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，還可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，為分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供更多信息。時(shí)域分析的基本概念11.響應(yīng)特性時(shí)域分析研究系統(tǒng)對不同輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)，如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等，以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。22.瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)是指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程，體現(xiàn)系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。33.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是指系統(tǒng)在擾動(dòng)消除后，最終達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)，反映系統(tǒng)對輸入信號(hào)的跟蹤能力。44.指標(biāo)分析時(shí)域分析通過觀察系統(tǒng)響應(yīng)的波形，并計(jì)算上升時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)來分析系統(tǒng)的性能。瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)是用來描述系統(tǒng)在受到外部擾動(dòng)后，其輸出量隨時(shí)間變化的特征，反映系統(tǒng)對擾動(dòng)的快速反應(yīng)能力。常見的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)包括上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間等。10上升時(shí)間從輸入信號(hào)發(fā)生變化到輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%的時(shí)間。20峰值時(shí)間輸出信號(hào)達(dá)到峰值的時(shí)間。30調(diào)節(jié)時(shí)間輸出信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)值并保持在一定范圍內(nèi)的時(shí)間。40超調(diào)量輸出信號(hào)達(dá)到峰值時(shí)與穩(wěn)態(tài)值的差值。穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差描述位置誤差系統(tǒng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，輸出與輸入之間的偏差速度誤差系統(tǒng)輸入為斜坡信號(hào)時(shí)，輸出與輸入之間的偏差加速度誤差系統(tǒng)輸入為拋物線信號(hào)時(shí)，輸出與輸入之間的偏差根軌跡法分析系統(tǒng)性能1根軌跡定義根軌跡是系統(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)隨開環(huán)增益變化的軌跡。該方法可用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、速度和阻尼特性。2繪制根軌跡使用根軌跡繪制規(guī)則，可以繪制系統(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)隨增益變化的軌跡，并確定閉環(huán)極點(diǎn)的分布。3性能分析通過分析根軌跡圖，可以確定系統(tǒng)穩(wěn)定裕度、響應(yīng)速度和阻尼特性，從而判斷系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。頻域分析的基本概念幅頻特性描述系統(tǒng)對不同頻率正弦信號(hào)的幅值放大倍數(shù)相頻特性描述系統(tǒng)對不同頻率正弦信號(hào)的相位變化伯德圖將幅頻和相頻特性繪制在同一坐標(biāo)系中奈奎斯特圖將系統(tǒng)在復(fù)頻域中的頻率響應(yīng)繪制在復(fù)平面上幅頻和相頻特性幅頻特性是指系統(tǒng)在不同頻率的正弦信號(hào)輸入下，輸出信號(hào)幅值變化的特性。它反映了系統(tǒng)對不同頻率信號(hào)的放大或衰減程度。相頻特性是指系統(tǒng)在不同頻率的正弦信號(hào)輸入下，輸出信號(hào)相位變化的特性。它反映了系統(tǒng)對不同頻率信號(hào)的相位延遲或超前程度。穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則根軌跡法根軌跡法是一種圖形化方法，通過繪制系統(tǒng)特征根的軌跡來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。奈奎斯特判據(jù)奈奎斯特判據(jù)是基于開環(huán)傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。勞斯-赫維茨判據(jù)勞斯-赫維茨判據(jù)是一種代數(shù)方法，通過計(jì)算特征方程的系數(shù)來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。李雅普諾夫穩(wěn)定性李雅普諾夫穩(wěn)定性理論利用能量函數(shù)來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)校正的基本方法優(yōu)化系統(tǒng)性能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)。消除或減弱干擾外部干擾會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，校正可以有效地減輕干擾影響。改善動(dòng)態(tài)特性通過校正，使系統(tǒng)能夠快速、平穩(wěn)地響應(yīng)外界信號(hào)。比例控制器的設(shè)計(jì)1比例增益比例控制器的設(shè)計(jì)主要圍繞比例增益的確定。2控制效果比例增益影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。3實(shí)驗(yàn)調(diào)整通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整比例增益，以達(dá)到最佳的控制效果。積分控制器的設(shè)計(jì)積分作用原理積分控制通過累積誤差信號(hào)，逐漸消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分作用可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)減慢系統(tǒng)響應(yīng)速度。積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù)決定了積分作用的強(qiáng)度，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差。時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，穩(wěn)態(tài)誤差越大。積分控制器設(shè)計(jì)積分控制器設(shè)計(jì)通常考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)。需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行合理的參數(shù)選擇。微分控制器的設(shè)計(jì)1微分控制器的作用改善系統(tǒng)響應(yīng)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性2微分控制器的原理對系統(tǒng)誤差變化率進(jìn)行反饋增加系統(tǒng)阻尼3微分控制器的應(yīng)用提高系統(tǒng)響應(yīng)速度抑制系統(tǒng)振蕩微分控制器通過對誤差變化率進(jìn)行反饋，增加系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，抑制系統(tǒng)振蕩。微分控制器的應(yīng)用范圍廣泛，包括工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域。PID控制器的設(shè)計(jì)1參數(shù)整定根據(jù)系統(tǒng)特性，確定比例、積分、微分系數(shù)2仿真測試在仿真環(huán)境中驗(yàn)證控制器性能3實(shí)際應(yīng)用將控制器應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)4性能優(yōu)化根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制器參數(shù)PID控制器是一種常用的控制策略，它通過調(diào)節(jié)比例、積分和微分系數(shù)來改善系統(tǒng)性能。分段線性控制器設(shè)計(jì)原理介紹分段線性控制器根據(jù)控制系統(tǒng)狀態(tài)的不同，選擇不同的線性控制律。設(shè)計(jì)步驟確定系統(tǒng)工作區(qū)域設(shè)計(jì)每個(gè)區(qū)域的線性控制器選擇切換規(guī)則優(yōu)勢分段線性控制器具有較強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制能力，能夠提高系統(tǒng)性能。應(yīng)用場景分段線性控制器常用于非線性系統(tǒng)，如機(jī)器人控制、飛行器控制等領(lǐng)域。模糊控制器的設(shè)計(jì)1模糊化將系統(tǒng)的輸入和輸出量轉(zhuǎn)化為模糊集，并定義隸屬度函數(shù)。2模糊推理根據(jù)模糊規(guī)則庫和模糊化后的輸入，進(jìn)行模糊推理得到模糊控制輸出。3去模糊化將模糊控制輸出轉(zhuǎn)化為具體的控制信號(hào)，用于控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如多層感知器或遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2訓(xùn)練數(shù)據(jù)收集足夠多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以便網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。3訓(xùn)練算法選擇合適的訓(xùn)練算法，例如反向傳播算法或梯度下降算法。4性能評(píng)估評(píng)估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在不同工況下的性能，并進(jìn)行優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以處理非線性系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)。自適應(yīng)控制的基本思想環(huán)境變化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，例如負(fù)載變化或擾動(dòng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難以適應(yīng)這些變化，可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制可以根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。通過不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)1狀態(tài)觀測器的應(yīng)用估計(jì)無法直接測量的系統(tǒng)狀態(tài)變量，并用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。2狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)觀測器模型，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。3觀測器誤差分析評(píng)估觀測器估計(jì)值的精度，確保其滿足控制要求。4觀測器實(shí)現(xiàn)基于微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測器算法。狀態(tài)觀測器在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如汽車動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)器人控制、航空航天等領(lǐng)域。魯棒控制的基