自动控制原理培训

自动控制原理培训演讲人：日期：FROMBAIDU绪论系统的数学模型系统的时域分析线性系统的根轨迹分析法控制系统的频率法分析控制系统的校正目录CONTENTSFROMBAIDU01绪论FROMBAIDUCHAPTER自动控制的目的提高生产效率，保证产品质量，减轻劳动强度，增强系统稳定性等。自动控制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，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制系统的组成自动控制系统由控制器、执行器、被控对象和反馈装置等组成，形成一个闭环系统。自动控制的基本概念早期自动控制装置如瓦特的离心调速器，是自动控制理论的雏形，通过机械装置实现自动调节。自动控制理论的发展历程经典控制理论20世纪初，以传递函数为基础的经典控制理论逐渐形成，主要研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计。现代控制理论20世纪60年代以后，随着计算机技术的发展，现代控制理论应运而生，以状态空间法为基础，研究多输入多输出、非线性、时变系统的最优控制问题。通过本课程的学习，使学生能够掌握自动控制的基本原理和方法，了解自动控制系统的分析和设计方法，为将来从事相关领域的工作打下基础。课程目标注重理论与实践相结合，通过课堂讲解、实验验证和案例分析等方式，加深学生对自动控制原理的理解和掌握。同时，鼓励学生自主学习和思考，培养独立解决问题的能力。学习方法课程目标与学习方法02系统的数学模型FROMBAIDUCHAPTER通过实验测定系统的输入输出数据，利用数据处理技术建立系统的数学模型。实验分析法根据系统的物理或化学规律，列写出描述系统动态特性的微分方程或差分方程。机理分析法将实际系统与某种已知的典型系统进行比较，从而得出数学模型。类比法数学模型的建立方法010203描述线性定常系统动态特性的复变量函数，它表达了系统输出与输入之间的关系。传递函数描述系统动态特性的数学方程，通常是一阶或二阶常微分方程。微分方程系统在初始时刻的状态，对于微分方程的求解至关重要。初始条件传递函数与微分方程比例环节输出与输入成比例的环节，其数学模型为一个常数。积分环节输出与输入的积分成比例的环节，常用于描述具有滞后特性的系统。微分环节输出与输入的微分成比例的环节，常用于描述具有快速响应特性的系统。振荡环节具有振荡特性的环节，其数学模型通常包含正弦或余弦函数。典型环节的数学模型系统方框图与信号流图用方框表示系统的各个环节，用箭头表示信号传递的方向，直观地展示了系统的结构和信号流程。系统方框图用节点表示信号，用支路表示信号之间的传递关系，便于分析复杂系统的信号流程和传递函数。信号流图用于计算信号流图中系统传递函数的公式，可以简化复杂系统的分析过程。梅森公式03系统的时域分析FROMBAIDUCHAPTER系统输出从某一低值上升到某一高值所需的时间。上升时间系统输出达到最大值所需的时间。峰值时间01020304系统输出响应开始变化的时间。延迟时间系统输出超过其稳态值并随后衰减到稳态值的最大偏离量。超调量时域性能指标一阶系统的特点具有一个储能元件（如电容或电感），其动态特性可由一个一阶微分方程描述。响应形式分析方法一阶系统的时域分析一阶系统的响应通常表现为指数形式，包括过阻尼、欠阻尼和临界阻尼三种情况。通过求解一阶微分方程，可以得到系统的时域响应，进而分析系统的稳定性和性能指标。具有两个储能元件（如电容和电感），其动态特性可由一个二阶微分方程描述。二阶系统的特点二阶系统的响应通常表现为振荡形式，其振荡特性取决于系统的阻尼比和自然频率。响应形式通过求解二阶微分方程，可以得到系统的时域响应，包括振荡周期、振幅和相位等信息，进而分析系统的稳定性和性能指标。分析方法二阶系统的时域分析高阶系统的时域分析高阶系统的特点具有三个或更多储能元件，其动态特性可由一个高阶微分方程描述。01响应形式高阶系统的响应可能表现为复杂的振荡形式，其特性取决于系统的特征根和初始条件。02分析方法高阶系统的时域分析通常较为复杂，需要采用数值方法或近似方法进行求解。在实际应用中，常将高阶系统近似为低阶系统进行分析和设计。此外，还可以利用计算机仿真工具对高阶系统进行模拟和分析，以获得更准确的性能指标和设计参数。0304线性系统的根轨迹分析法FROMBAIDUCHAPTER01根轨迹定义指当开环系统某一参数从零变到无穷时，闭环系统特征方程式的根在s平面上变化的轨迹。根轨迹与系统稳定性的关系通过根轨迹图可以直观地判断闭环系统的稳定性，以及系统性能随参数变化的情况。根轨迹与系统动态性能的关系根轨迹的形状和位置可以反映系统的动态性能，如超调量、调节时间等。根轨迹的基本概念0203根轨迹的绘制方法010203确定根轨迹的分支数、渐近线、实轴上的根轨迹区间和分离点等关键要素。利用MATLAB等仿真软件绘制根轨迹图，便于直观地分析和设计控制系统。根据系统开环传递函数的零极点分布，判断根轨迹的起始角和终止角，进而确定根轨迹的基本形状。通过根轨迹图分析系统的稳定性当闭环极点位于s平面的左半平面时，系统稳定；反之，系统不稳定。分析系统动态性能根据闭环极点的位置可以估算系统的动态性能指标，如上升时间、峰值时间和调节时间等。优化系统性能通过调整开环零点和极点的位置，可以改变根轨迹的形状和位置，从而优化系统的性能。根轨迹的性能分析参数根轨迹以系统某一参数为变量绘制的根轨迹，用于分析该参数变化对系统性能的影响。零度根轨迹针对特定类型的系统（如具有积分环节的系统），其根轨迹的渐近线与实轴的夹角为零度，此时需要采用特殊的处理方法进行绘制和分析。应用场景参数根轨迹和零度根轨迹在控制系统设计和分析中具有重要的应用价值，可以帮助工程师更加精确地了解系统的性能和稳定性。参数根轨迹与零度根轨迹01020305控制系统的频率法分析FROMBAIDUCHAPTER定义频率特性指的是系统在正弦信号作用下的稳态响应特性，描述了系统对不同频率正弦信号的传递能力。重要性频率特性是分析和设计控制系统的重要依据，它反映了系统对不同频率信号的传递性能。表示方法通常以幅频特性和相频特性来表示，分别描述系统对不同频率信号的放大倍数和相位移动情况。频率特性的基本概念一阶惯性环节具有低通滤波特性，对高频信号具有较强的衰减作用。二阶振荡环节在特定频率附近具有共振现象，对信号的传递具有明显的选频作用。微分环节和积分环节分别对高频和低频信号具有放大作用，影响系统的动态性能。典型环节的频率特性系统开环频率特性的绘制010203伯德图采用对数坐标，绘制系统开环传递函数的幅频特性和相频特性曲线。奈奎斯特图以复平面上表示系统开环频率特性的图形，用于判断系统的稳定性。绘制步骤首先确定典型环节的频率特性，然后根据系统传递函数进行叠加，最后绘制出整体的开环频率特性曲线。相位裕量闭环系统相位滞后与180度的差值，用于判断系统的相对稳定性和抗干扰能力。性能指标包括带宽、谐振频率、相位裕量等，用于评价闭环系统的动态性能和稳定性。谐振频率闭环系统在特定频率下产生的共振现象，可能导致系统性能下降或失稳。带宽闭环系统能够正常工作的频率范围，反映了系统对信号的传递速度和能力。闭环频率特性描述了闭环系统对不同频率信号的响应特性，与开环频率特性密切相关。闭环频率特性与性能指标06控制系统的校正FROMBAIDUCHAPTER通过调整系统的结构和参数，改善系统的性能，使系统达到期望的性能指标。校正的定义根据校正装置在系统中的连接方式，可分为串联校正、并联校正和复合校正。校正的分类提高系统的稳定性、快速性和准确性，以满足实际控制需求。校正的目的校正的基本概念与方法串联校正的原理与设计常见的串联校正装置超前校正装置、滞后校正装置和超前-滞后校正装置。串联校正的设计方法根据系统的性能指标要求，选择合适的校正装置类型和参数，进行串联连接。串联校正的原理将校正装置串联在系统中，通过改变系统的开环传递函数，达到改善系统性能的目的。并联校正的原理与设计并联校正的原理将校正装置并联在系统中，通过引入附加的反馈回路，改变系统的闭环传递函数，从而改善系统性能。并联校正的设计方法根据系统的性能指标要求，设计合适的并联校正装置，确定其传递函数和参数。并联校正的特点可以实现对系统性能的精确调整，但需要增加额外的硬件设备和复杂的控制系统。复合校正的原理与