哈工大自动控制原理课件

哈工大自动控制原理课件绪论欢迎来到哈工大自动控制原理课件，我们将深入学习自动控制的基本概念、理论和应用。控制系统的概念目标控制系统旨在根据预设目标，调整被控对象的运行状态。反馈反馈机制通过监测被控对象的状态，将信息传递给控制器，以进行调整。自动控制自动控制系统利用控制器的自动调节功能，无需人工干预，实现对被控对象的控制。控制系统的分类开环控制系统开环控制系统没有反馈回路，控制器的输出直接作用于被控对象，不考虑被控对象的状态变化。例如：简单的定时器，自动售货机。闭环控制系统闭环控制系统具有反馈回路，被控对象的输出信号反馈到控制器，用来修正控制器的输出，使系统能够根据实际情况进行调整。例如：自动驾驶汽车，恒温器。控制系统的基本组成部分控制器根据系统的期望性能，发出控制信号，以改变被控对象的运行状态。被控对象控制系统要控制的设备或过程，例如电机、温度、压力等。传感器测量被控对象的状态，并将测量结果转换为信号反馈给控制器。执行机构根据控制器的指令，改变被控对象的运行状态，例如电机转速、阀门开度等。信号及其描述定义信号是随时间变化的物理量，例如电压、电流、温度、压力等。类型信号可以是连续的或离散的，确定性的或随机的，周期性的或非周期性的。描述信号可以用数学函数、图表或波形来描述。线性时不变系统模型微分方程描述系统输入与输出之间关系传递函数系统输入与输出的拉普拉斯变换之比状态空间用状态变量描述系统动态特性微分方程法1建立模型利用物理定律和系统参数，建立系统的微分方程模型。2求解方程利用数学方法求解微分方程，得到系统的输出响应。3分析响应分析系统的响应特性，例如稳定性、响应时间和超调量等。传递函数法1定义传递函数描述系统输入与输出之间的关系2拉普拉斯变换将微分方程转化为代数方程3应用分析系统稳定性、频率响应状态空间法1状态变量描述系统动态特性的最小数量的变量2状态方程描述系统状态变量随时间的变化3输出方程将系统输出与状态变量联系起来稳定性定义及分类稳定性定义系统在受到扰动后，能够保持稳定状态，并最终恢复到平衡状态。稳定性分类渐近稳定稳定不稳定系统稳定性分析方法1根轨迹法根轨迹法是一种图形化方法，用于分析反馈控制系统在参数变化时的稳定性。2频域分析法频域分析法通过分析系统的频率响应来判断系统的稳定性。3李雅普诺夫稳定性理论李雅普诺夫稳定性理论提供了一种数学方法，用于判断系统的稳定性。根轨迹法1绘制根轨迹根轨迹是系统开环极点随增益变化的轨迹，用于分析闭环极点的位置和系统稳定性。2确定根轨迹的起始点和终止点根轨迹从开环极点开始，并延伸至开环零点或无穷远处。3利用根轨迹法分析系统稳定性通过观察根轨迹在s平面上的位置，可以判断系统的稳定性，以及系统响应的特性。频域分析法1频率响应系统对不同频率输入的响应特性2伯德图系统频率响应的图形表示3奈奎斯特图系统开环频率响应的极坐标图伯德图与奈奎斯特图伯德图和奈奎斯特图是系统频率响应的图形表示，用于分析系统的稳定性和性能。伯德图由两个图组成：幅频特性图和相频特性图，分别以频率为横坐标，幅度和相位为纵坐标。奈奎斯特图以复平面表示系统的频率响应，横坐标为实部，纵坐标为虚部。系统性能指标快速性系统对输入信号的响应速度。准确性系统输出信号与期望输出信号之间的偏差程度。稳定性系统在受到干扰或扰动后恢复到平衡状态的能力。校正网络比例控制器通过改变增益来调整系统响应速度和稳态误差。积分控制器消除稳态误差，但可能导致系统响应变慢。微分控制器提高系统响应速度，并抑制振荡。比例控制器基本原理比例控制器的输出信号与误差信号成比例关系，比例系数Kp决定了控制器的灵敏度。优点结构简单，易于实现，响应速度快，成本低。缺点无法消除稳态误差，存在超调和振荡，对系统参数变化敏感。积分控制器作用积分控制器消除稳态误差，提高系统精度。原理积分控制器的输出与输入误差的积分成正比。当误差存在时，积分器输出持续增加，直到误差消除。特点积分控制器对输入误差有记忆功能，可以累积误差，提高系统精度，但可能导致系统超调。比例-积分控制器比例控制比例控制根据偏差的大小进行控制，偏差越大，控制量越大。比例控制可以快速响应，但不能消除稳态误差。积分控制积分控制根据偏差的累积量进行控制，可以消除稳态误差，但响应速度较慢。比例-积分控制比例-积分控制结合了比例控制和积分控制的优点，既能快速响应又能消除稳态误差，是常用的控制方式。微分控制器快速响应微分控制器的作用是预测未来误差，并在误差出现之前就采取措施，从而使系统更快地响应变化。抑制振荡微分控制器可以抑制系统的振荡，提高系统的稳定性。提高精度微分控制器可以提高系统的精度，使其更准确地跟踪目标值。比例-积分-微分控制器比例控制比例控制根据偏差的大小来调整控制量，偏差越大，控制量越大。积分控制积分控制根据偏差的积累来调整控制量，可以消除稳态误差。微分控制微分控制根据偏差的变化速率来调整控制量，可以提高系统的响应速度。离散系统分析采样与量化离散系统将连续信号转化为离散信号，通过采样和量化来实现。Z变换Z变换是将离散时间信号转化为复频域信号，用于分析离散系统的频率特性。离散系统稳定性分析离散系统是否稳定，可以通过分析极点的位置来判断。数字控制器设计设计数字控制器，需要考虑离散系统的特性，并选择合适的算法来实现控制目标。Z变换法1离散时间信号将连续时间信号离散化2Z变换将离散时间信号转换为复频域3系统分析分析离散时间系统的稳定性、频率响应等特性离散系统的稳定性稳定性定义离散系统稳定性是指系统在受到扰动后，输出是否会随着时间推移而趋于稳定。稳定性判别方法常用的稳定性判别方法包括：极点判据、频率判据、李雅普诺夫方法等。稳定性意义稳定性是离散系统正常运行的必要条件，确保系统输出不会随着时间推移而无限增长。数字控制器设计1设计目标满足系统性能指标2设计方法根轨迹法，频率响应法等3实现方式数字信号处理器（DSP）数字控制器设计是将控制算法转化为可执行的数字代码的过程。设计目标是满足系统性能指标，如稳定性、快速性、精度等。常用的设计方法包括根轨迹法、频率响应法等。数字控制器通常由数字信号处理器（DSP）实现。系统辨识1模型建立系统辨识旨在建立一个数学模型来描述系统行为。2数据采集通过实验或观测收集系统输入输出数据。3参数估计利用数据估计模型参数，使模型尽可能接近真实系统。自适应控制环境变化自适应控制系统可以根据环境的变化自动调整控制参数。未知参数自适应控制系统不需要预先知道系统参数，可以通过在线学习的方式来估计参数。鲁棒性自适应控制系统对系统参数的变化和外部干扰具有很强的鲁棒性。模糊控制1语言变量模糊控制使用语言变量来描述不确定性，例如“低”、“中等”、“高”。2隶属度函数隶属度函数用于将语言变量映射到数值范围，例如“低”可以对应于0-0.5的范围。3模糊规则模糊规则使用逻辑运算符来组合语言变量，例如“如果速度低，则输出高”。神经网络控制自适应学习神经网络能够学习和适应不断变化的环境，从而提高控制系统的