《自動(dòng)控制理論概述》課件

自動(dòng)控制理論概述本課程介紹自動(dòng)控制理論的基本概念、方法和應(yīng)用，涵蓋系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、反饋控制設(shè)計(jì)等方面。課程介紹學(xué)習(xí)目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，并掌握基本的設(shè)計(jì)方法。課程內(nèi)容內(nèi)容涵蓋自動(dòng)控制系統(tǒng)概述、線性系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。教學(xué)方式通過課堂講授、課后練習(xí)、實(shí)驗(yàn)等多種方式進(jìn)行教學(xué)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)是指利用自動(dòng)裝置，按照預(yù)定的規(guī)律改變被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使其按照要求運(yùn)行的一套裝置，它是由被控對(duì)象、控制器、傳感器和執(zhí)行器等部分組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入信號(hào)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，從而使被控對(duì)象的輸出信號(hào)保持在預(yù)定的狀態(tài)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)安全性和可靠性具有重要的意義?？刂葡到y(tǒng)的分類按控制量性質(zhì)分類根據(jù)控制量是連續(xù)量還是離散量，可將控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。按控制方式分類根據(jù)控制系統(tǒng)中控制信號(hào)的產(chǎn)生方式，可將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按控制目標(biāo)分類根據(jù)控制系統(tǒng)所要達(dá)到的控制目標(biāo)，可將控制系統(tǒng)分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。線性時(shí)不變系統(tǒng)的建模1微分方程模型描述系統(tǒng)輸入輸出之間關(guān)系的微分方程2傳遞函數(shù)模型系統(tǒng)輸入輸出之間的拉普拉斯變換關(guān)系3狀態(tài)空間模型用狀態(tài)變量描述系統(tǒng)的狀態(tài)和輸入輸出關(guān)系微分方程模型1定義微分方程模型使用微分方程來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，建立輸入、輸出和系統(tǒng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。2步驟首先，根據(jù)系統(tǒng)的物理特性建立微分方程。其次，對(duì)微分方程進(jìn)行求解，得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。3優(yōu)勢(shì)微分方程模型能夠精確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的建模。傳遞函數(shù)模型1定義系統(tǒng)輸出與輸入的拉普拉斯變換之比2表示方法G(s)=Y(s)/U(s)3優(yōu)點(diǎn)便于分析和設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用狀態(tài)空間模型狀態(tài)變量描述系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變量，如位置、速度、電壓、電流等。狀態(tài)向量將所有狀態(tài)變量組成一個(gè)向量，用于表示系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)方程描述狀態(tài)向量隨時(shí)間的變化規(guī)律，由微分方程表示。輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)向量之間的關(guān)系，通常為線性方程。穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，能否在有限時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性分析是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。不穩(wěn)定系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，甚至造成嚴(yán)重后果。根軌跡法1定義跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)隨開環(huán)增益變化的軌跡2應(yīng)用分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能3步驟繪制根軌跡、確定增益值伯德圖法1頻率響應(yīng)繪制系統(tǒng)傳遞函數(shù)幅頻特性和相頻特性曲線2幅頻特性描述系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的增益變化3相頻特性描述系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的相位變化頻域分析頻率響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性。幅頻特性系統(tǒng)增益隨頻率變化的曲線。相頻特性系統(tǒng)相位隨頻率變化的曲線。穩(wěn)態(tài)誤差分析定義穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)在輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的偏差。類型穩(wěn)態(tài)誤差分為位置誤差、速度誤差和加速度誤差，分別對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)為階躍、斜坡和拋物線。影響因素系統(tǒng)類型、反饋增益和擾動(dòng)都會(huì)影響穩(wěn)態(tài)誤差的大小。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)上升時(shí)間系統(tǒng)響應(yīng)從初始值上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值并保持在該值范圍內(nèi)的時(shí)間。超調(diào)量系統(tǒng)響應(yīng)超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差。時(shí)域分析方法1階躍響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)2脈沖響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)脈沖輸入的響應(yīng)3頻率響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)頻域分析方法頻率響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)能力。伯德圖圖形化表示系統(tǒng)頻率響應(yīng)，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能。奈奎斯特圖另一種圖形化表示頻率響應(yīng)，用于判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。典型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1比例控制比例控制根據(jù)偏差的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制器的輸出與偏差成正比。2積分控制積分控制根據(jù)偏差的累計(jì)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制器的輸出與偏差的積分值成正比。3微分控制微分控制根據(jù)偏差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制器的輸出與偏差的變化率成正比。4PID控制PID控制是將比例、積分和微分三種控制方式結(jié)合在一起，形成一種綜合控制方式。比例控制基本原理比例控制是最簡(jiǎn)單的控制方式，它根據(jù)偏差的大小來控制輸出。偏差越大，輸出越大；偏差越小，輸出越小。比例控制器的作用是將偏差信號(hào)乘以一個(gè)比例系數(shù)，得到控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)比例控制簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)方便。它可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差。比例控制器的比例系數(shù)可以通過調(diào)節(jié)來改變系統(tǒng)的性能。缺點(diǎn)比例控制無法消除穩(wěn)態(tài)誤差，尤其是在存在擾動(dòng)的情況下。此外，比例控制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩。積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差積分控制可以消除系統(tǒng)在**穩(wěn)態(tài)**下的誤差，提高控制精度。系統(tǒng)響應(yīng)速度積分作用會(huì)減慢系統(tǒng)響應(yīng)速度，可能導(dǎo)致超調(diào)和振蕩。微分控制快速響應(yīng)。微分控制可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使其更快地跟蹤輸入信號(hào)的變化。抑制干擾。微分控制可以有效地抑制輸入信號(hào)中的高頻噪聲，改善系統(tǒng)的抗干擾能力。降低超調(diào)。微分控制可以降低系統(tǒng)在響應(yīng)階躍輸入時(shí)的超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制比例控制(P)根據(jù)誤差的大小來調(diào)整控制量。積分控制(I)根據(jù)誤差的累積量來調(diào)整控制量。微分控制(D)根據(jù)誤差的變化率來調(diào)整控制量。串級(jí)控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)控制回路中的一個(gè)變量（如溫度）由兩個(gè)或多個(gè)控制器控制，其中一個(gè)控制器控制另一個(gè)控制器的設(shè)定值。壓力控制系統(tǒng)通過兩個(gè)或多個(gè)控制回路來控制一個(gè)變量（如壓力），其中一個(gè)回路控制另一個(gè)回路的設(shè)定值。反饋控制系統(tǒng)閉環(huán)控制反饋控制系統(tǒng)利用系統(tǒng)輸出的信息來調(diào)整輸入，形成一個(gè)閉環(huán)控制回路。誤差修正反饋回路通過比較輸出與參考信號(hào)，產(chǎn)生誤差信號(hào)，用于修正系統(tǒng)行為。穩(wěn)定性提升反饋控制可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制擾動(dòng)和噪聲的影響。前饋控制系統(tǒng)1預(yù)測(cè)干擾通過預(yù)測(cè)干擾的影響，前饋控制系統(tǒng)可以提前采取措施來抵消干擾。2提高響應(yīng)速度與反饋控制相比，前饋控制系統(tǒng)可以更快地響應(yīng)變化，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。3減少穩(wěn)態(tài)誤差通過提前補(bǔ)償干擾，前饋控制系統(tǒng)可以有效地減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。典型控制器結(jié)構(gòu)比例控制控制輸出與偏差成正比積分控制控制輸出與偏差的積分成正比微分控制控制輸出與偏差的變化率成正比數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)采用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制器，用于控制連續(xù)或離散的系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更靈活、精確和復(fù)雜的控制功能。優(yōu)點(diǎn)精度高靈活性強(qiáng)易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。Z變換1定義將連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間信號(hào)的數(shù)學(xué)工具。2性質(zhì)線性、時(shí)移、卷積等性質(zhì)，與拉普拉斯變換類似。3應(yīng)用離散系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和仿真，以及數(shù)字信號(hào)處理。離散系統(tǒng)建模1采樣過程將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)2差分方程描述離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性3Z變換將差分方程轉(zhuǎn)化為Z域離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1數(shù)字控制器設(shè)計(jì)選擇合適的數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)2參數(shù)整定調(diào)整數(shù)字控制器的參數(shù)3仿真與