自動控制原理課件大全

自動控制原理概述自動控制原理是工程領域的核心學科。它研究如何自動調節(jié)系統(tǒng)以達到期望的輸出。本課程將深入探討控制系統(tǒng)的基本概念、分析方法和設計技術。自動控制系統(tǒng)的組成傳感器測量系統(tǒng)狀態(tài)和輸出變量。控制器根據(jù)測量值計算控制信號。執(zhí)行器執(zhí)行控制信號，調節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)。反饋控制系統(tǒng)的基本原理1測量傳感器測量系統(tǒng)輸出。2比較將測量值與期望值比較。3計算根據(jù)誤差計算控制信號。4執(zhí)行執(zhí)行器調節(jié)系統(tǒng)輸入。控制系統(tǒng)的數(shù)學建模微分方程描述系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學表達式。狀態(tài)空間模型使用狀態(tài)變量和矩陣方程表示系統(tǒng)。傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)輸入輸出關系的拉普拉斯變換。傳遞函數(shù)的求解建立系統(tǒng)方程根據(jù)物理定律寫出微分方程。拉普拉斯變換將時域方程轉換為s域。代數(shù)運算求解方程得到輸出與輸入的比值?；唽⒔Y果化簡為標準形式。時域分析方法暫態(tài)響應研究系統(tǒng)對階躍、脈沖等輸入的瞬時反應。分析上升時間、超調量等指標。穩(wěn)態(tài)響應研究系統(tǒng)長期運行后的穩(wěn)定狀態(tài)。分析穩(wěn)態(tài)誤差、跟蹤性能等特性。穩(wěn)定性分析1勞斯-赫爾維茨判據(jù)基于特征方程系數(shù)的代數(shù)判據(jù)。2根軌跡法分析閉環(huán)極點隨參數(shù)變化的軌跡。3奈奎斯特判據(jù)基于開環(huán)頻率特性的圖形判據(jù)。根軌跡法1繪制根軌跡確定起點、漸近線和分離點。2分析穩(wěn)定性判斷閉環(huán)極點是否位于左半平面。3確定系統(tǒng)性能根據(jù)極點位置估計系統(tǒng)響應特性。4選擇增益根據(jù)性能要求選擇合適的閉環(huán)極點。頻域分析方法幅頻特性分析系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入的增益。相頻特性分析系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入的相位滯后。穩(wěn)定性判據(jù)通過頻率特性判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。伯德圖和奈奎斯特圖伯德圖分別繪制幅頻和相頻特性。橫軸為對數(shù)頻率，縱軸分別為分貝增益和相位角。奈奎斯特圖在復平面上繪制頻率響應。實部為橫軸，虛部為縱軸。頻率從0到無窮大變化。PID控制器比例控制控制信號與誤差成正比。減小穩(wěn)態(tài)誤差，加快響應速度。積分控制控制信號與誤差積分成正比。消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制控制信號與誤差變化率成正比。提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小超調量。繼電器反饋系統(tǒng)1工作原理控制信號在兩個固定值之間切換。2滯回特性引入死區(qū)避免頻繁切換。3應用場景適用于對精度要求不高的簡單控制系統(tǒng)。4優(yōu)缺點結構簡單，成本低，但存在穩(wěn)態(tài)誤差和極限環(huán)。離散時間系統(tǒng)采樣將連續(xù)信號轉換為離散序列。保持在采樣間隔內保持信號值不變。數(shù)字控制使用計算機實現(xiàn)控制算法。Z變換及應用定義離散序列的復變換。性質線性、時移、卷積定理等。反變換部分分式展開法。應用離散系統(tǒng)分析與設計。狀態(tài)空間分析方法狀態(tài)方程描述系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的變化率。使用矩陣形式表示多輸入多輸出系統(tǒng)。輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量和輸入的關系。可以表示多個輸出變量。可控性和可觀測性可控性系統(tǒng)是否能在有限時間內從任意初始狀態(tài)轉移到任意終止狀態(tài)。可觀測性是否能通過有限時間內的輸出完全確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)。判別方法可控性矩陣和可觀測性矩陣的秩。狀態(tài)反饋控制1極點配置選擇合適的反饋增益矩陣。2系統(tǒng)性能改善調整閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性。3魯棒性分析考慮參數(shù)不確定性的影響。觀測器設計1全維觀測器估計所有狀態(tài)變量。2降維觀測器僅估計部分不可測狀態(tài)。3功能觀測器估計狀態(tài)變量的線性組合。4性能評估分析觀測器的收斂速度和精度。非線性系統(tǒng)分析平衡點分析研究系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。相平面分析研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的幾何特性。線性化方法在工作點附近進行線性近似。李雅普諾夫穩(wěn)定性理論研究系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。描述函數(shù)法非線性元件等效用等效增益替代非線性環(huán)節(jié)。諧波平衡分析系統(tǒng)的極限環(huán)。穩(wěn)定性判據(jù)利用奈奎斯特圖判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。應用限制僅適用于單值非線性系統(tǒng)。李雅普諾夫法1直接法構造李雅普諾夫函數(shù)。2間接法分析線性化系統(tǒng)特征值。3不變集原理分析系統(tǒng)長期行為。自適應控制參數(shù)估計在線識別系統(tǒng)參數(shù)?？刂破髡{整根據(jù)估計結果調整控制器參數(shù)。性能優(yōu)化持續(xù)改善系統(tǒng)響應。模糊控制模糊化將精確值轉換為模糊集。使用語言變量描述系統(tǒng)狀態(tài)和控制量。推理機制基于模糊規(guī)則進行推理。采用IF-THEN語句表達控制策略。去模糊化將模糊輸出轉換為精確控制信號。常用重心法或最大隸屬度法。神經(jīng)網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡結構多層感知器、徑向基函數(shù)網(wǎng)絡等。學習算法反向傳播、遺傳算法等。控制策略直接控制、間接控制、混合控制等。分布參數(shù)系統(tǒng)控制1系統(tǒng)建模偏微分方程描述。2控制器設計考慮空間分布特性。3穩(wěn)定性分析利用泛函分析方法。4實現(xiàn)技術分布式傳感器和執(zhí)行器。運動控制系統(tǒng)位置控制精確定位機械部件。速度控制調節(jié)運動速度。軌跡跟蹤控制復雜運動路徑。工業(yè)過程控制溫度控制化工反應器、冶金爐等溫度調節(jié)。采用PID控制器，考慮大滯后特性。流量控制管道系統(tǒng)流量調節(jié)。使用閥門作為執(zhí)行機構，考慮非線性特性。壓力控制容器、管道系統(tǒng)壓力調節(jié)。需要快速響應和防超調設計。控制系統(tǒng)設計軟件自動控制實例分析汽車巡航控制保持車速恒定。考慮道路坡度、風阻等干擾。無人機姿態(tài)控制穩(wěn)定飛行姿態(tài)。處理強耦合多變量系統(tǒng)。化工反應器控制精確控制反應溫度。應對大滯后和非線性特性