自动控制原理(A)

自动控制原理(A)自动控制概述控制系统数学模型线性时不变系统分析线性时不变系统校正与设计非线性系统分析与设计现代控制理论在自动控制中应用contents目录01自动控制概述定义自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。发展历程自动控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制定义与发展自动控制系统主要由控制器、被控对象、执行机构和检测装置等组成。组成根据系统的工作原理和结构特点，自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。其中，闭环控制系统又称为反馈控制系统，是自动控制系统的主要形式。分类自动控制系统组成与分类自动控制技术在工业自动化领域应用广泛，如生产线自动化、机器人控制、过程控制等。工业自动化在航空航天领域，自动控制技术用于导弹制导、飞行器姿态控制、卫星轨道控制等。航空航天自动控制技术在交通运输领域的应用包括智能交通系统、自动驾驶汽车、列车自动驾驶等。交通运输随着物联网技术的发展，自动控制技术在智能家居领域的应用越来越广泛，如智能照明、智能安防、智能家电等。智能家居自动控制应用领域02控制系统数学模型微分方程模型建立对于非线性系统，可以通过线性化方法将其转化为线性系统进行处理，或者采用非线性控制方法直接对非线性系统进行控制。线性化与非线性化处理利用牛顿第二定律、基尔霍夫定律等物理定律，可以建立系统的动态方程，描述系统输入与输出之间的关系。根据物理定律建立系统动态方程在建立微分方程模型时，需要选择合适的状态变量，以便简化模型并准确地描述系统的动态行为。选择合适的状态变量

传递函数模型建立确定系统输入与输出在建立传递函数模型时，需要明确系统的输入与输出，以便确定传递函数的形式。推导传递函数根据系统的动态方程，可以推导出传递函数，描述系统输入与输出之间的传递关系。简化传递函数为了便于分析和设计，可以对传递函数进行简化处理，如合并同类项、消去公因子等。123在建立状态空间模型时，需要定义状态变量和输出变量，以便描述系统的状态和行为。定义状态变量与输出变量根据系统的动态方程和定义的状态变量与输出变量，可以建立状态方程和输出方程。建立状态方程与输出方程在状态空间模型中，需要确定系统矩阵A、B、C、D，以便描述系统状态之间的转移关系和输入与输出之间的关系。确定系统矩阵状态空间模型建立03线性时不变系统分析系统受到扰动后，能够恢复到原来平衡状态的能力。稳定性定义劳斯判据、赫尔维茨判据等，用于判断系统是否稳定。稳定性判据时域分析法、频域分析法等，用于分析系统的稳定性。稳定性分析方法系统稳定性分析超调量、稳态误差等，反映系统稳态性能的好坏。稳态性能指标上升时间、调节时间等，反映系统动态响应的快慢。动态性能指标系统带宽、相位裕度等，综合反映系统的性能。综合性能指标系统性能指标评价03根轨迹与系统性能关系通过分析根轨迹的形状、位置等特征，可以判断系统的稳定性、快速性、准确性等性能。01根轨迹定义描述系统闭环极点随开环增益变化的轨迹。02根轨迹绘制方法手算法、图解法等，用于绘制系统的根轨迹图。系统根轨迹法分析04线性时不变系统校正与设计串联超前校正通过引入相位超前的校正环节，提高系统的相位裕度，改善系统的动态性能。串联滞后校正通过引入相位滞后的校正环节，降低系统的截止频率，提高系统的稳态精度。串联滞后-超前校正结合超前和滞后校正的优点，同时改善系统的动态性能和稳态精度。串联校正方法及应用在系统的局部环节引入反馈，改善该环节的性能，进而提高整个系统的性能。局部反馈校正在系统的输出端引入反馈，根据输出误差调整输入信号，提高系统的控制精度。全局反馈校正结合前馈控制和反馈控制的优点，提高系统的跟踪性能和抗干扰能力。前馈-反馈复合校正反馈校正方法及应用通过比例、积分和微分控制的组合，实现系统性能的全面改善，具有广泛的应用。PID控制鲁棒控制自适应控制针对系统的不确定性和干扰，设计鲁棒控制器，保证系统在不同条件下的稳定性和性能。根据系统状态和环境的变化，自动调整控制器参数，使系统始终保持最佳性能。030201复合校正方法及应用05非线性系统分析与设计非线性特性的定义系统输出与输入之间不存在简单的比例关系，即输出不能表示为输入的线性函数。非线性特性的影响导致系统性能复杂化，如产生谐波、跳跃、滞后等现象；使得系统分析和设计更为困难。常见非线性特性饱和、死区、间隙、继电特性等。非线性特性描述及影响030201相平面法的应用通过绘制相轨迹图，可以直观地分析系统的稳定性、平衡点和周期解等性质。相平面法的局限性对于高维系统和复杂非线性系统，相平面法难以适用。相平面的定义以系统状态变量为坐标轴构成的平面，用于表示系统的动态行为。相平面法分析非线性系统描述函数法分析非线性系统描述函数的定义用于描述非线性环节输入与输出之间关系的等效线性化方法。描述函数法的应用通过描述函数，可以将非线性系统转化为等效的线性系统进行分析，从而简化设计过程。描述函数法的局限性对于某些强非线性和时变非线性系统，描述函数法可能无法准确描述系统行为。06现代控制理论在自动控制中应用最优控制理论及应用最优控制的基本概念在满足一定约束条件下，寻求一个控制系统，使某项性能指标达到最优。最优控制的应用领域航空航天、机器人、经济管理等。最优控制的主要方法变分法、极大值原理、动态规划等。最优控制在自动控制系统设计中的作用提高系统性能、降低能耗、增强稳定性等。自适应控制理论及应用自适应控制的基本概念根据系统运行状态自动调整控制器参数或结构，以适应外界环境变化。自适应控制的应用领域工业过程控制、自动驾驶、智能机器人等。自适应控制的主要方法模型参考自适应控制、自校正控制、模糊自适应控制等。自适应控制在自动控制系统设计中的优势提高系统适应性、增强鲁棒性、改善动态性能等。鲁棒控制理论及应用鲁棒控制的基本概念针对系统不确定性因素，设计具有一定稳定性的控