哈工大自动控制原理课件

哈工大自动控制原理本课程介绍自动控制的基本理论和应用。涵盖反馈控制系统、系统建模、稳定性分析、频率响应、PID控制等内容。控制系统概述定义自动控制系统是一种能自动地对受控对象进行控制的系统，它由控制器、执行机构、传感器和被控对象组成。作用实现对过程的控制，保证过程稳定运行，提高过程效率，改善产品质量，减少人力成本。反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统将输出信号与参考信号进行比较，并利用误差信号调整输入信号，实现控制目标。温度控制系统温度控制系统通过传感器测量温度，并通过加热或冷却装置调节温度，以达到设定值。自动驾驶系统自动驾驶系统利用传感器感知周围环境，并通过控制系统调整车辆速度和方向，实现安全驾驶。控制系统建模数学模型利用数学方程式描述系统的动态特性。计算机模型使用计算机软件模拟系统的行为。物理模型用实际的物理器件构建系统的简化版本。微分方程建模1建立系统方程根据系统的物理特性，描述系统的输入、输出和状态变量之间的关系。2确定变量确定系统的输入、输出和状态变量，并定义其物理意义。3写出微分方程根据物理定律和系统特性，用数学表达式表示系统的动态特性。微分方程建模方法可以描述系统的动态特性，为后续的系统分析和控制设计奠定基础。传递函数建模传递函数是描述线性时不变系统输入输出关系的数学模型，是自动控制系统分析和设计的重要工具。1拉普拉斯变换将微分方程转化为代数方程2系统输入输出定义系统输入和输出信号3传递函数表达式表达系统输入输出之间的关系4极点和零点分析系统稳定性和响应特性通过传递函数模型，可以直观地了解系统的动态特性，如稳定性、响应速度、频率响应等。状态空间建模状态变量的选择选择能够完全描述系统动态特性的变量，例如位置、速度、电流等。它们通常是系统中最重要的物理量，可用于反映系统的状态。状态方程的建立将状态变量及其导数用微分方程表示，以描述系统状态随时间的变化规律。状态方程通常是一个一阶微分方程组，反映了系统状态随时间演化的动态特性。输出方程的建立根据系统的输出，将状态变量与输出量联系起来，建立输出方程，描述系统输出与状态变量之间的关系。状态空间模型将状态方程和输出方程组合起来，形成一个状态空间模型，它包含了系统的所有信息，便于分析和控制系统的动态特性。时间响应分析时间响应分析是自动控制理论中的重要研究方向，用于评估控制系统对输入信号的动态响应特性。通过分析系统对不同类型输入信号的响应，可以了解系统的稳定性、快速性、准确性和抗扰性等性能指标，为控制系统设计和优化提供依据。1阶跃响应系统对阶跃输入信号的响应，用于评估系统的稳定性、快速性和超调量。2脉冲响应系统对脉冲输入信号的响应，用于评估系统的快速性和稳定性。3正弦响应系统对正弦输入信号的响应，用于评估系统的频率响应特性，包括幅频特性和相频特性。稳定性分析控制系统稳定性是指当系统受到扰动后，系统能否恢复到平衡状态。稳定性分析是控制系统设计中非常重要的环节，可以预测系统在受到扰动时的行为，并帮助设计人员选择合适的控制参数，使系统稳定且具有良好的性能。根轨迹法1系统开环极点从开环传递函数中确定系统开环极点，这些极点在根轨迹图上以“x”标记。2根轨迹分支根轨迹分支从开环极点开始，并延伸至开环零点或无穷远。3根轨迹方程根轨迹方程描述了满足一定条件的闭环极点轨迹，即开环传递函数的幅值等于1，相位角为(2k+1)π。4根轨迹分支数量根轨迹分支的数量等于开环极点的数量减去开环零点的数量。5根轨迹渐近线根轨迹分支在无穷远处趋近于渐近线，渐近线由渐近线角度和渐近线交点确定。6根轨迹分离点根轨迹分支可能在开环极点或开环零点处分离，分离点可以使用根轨迹方程求解。频率响应分析频率响应频率响应是指系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应。幅频特性幅频特性是指系统输出信号幅值随输入信号频率变化的曲线。相频特性相频特性是指系统输出信号相位随输入信号频率变化的曲线。Bode图Bode图是绘制频率响应特性的常用工具，分为幅频特性图和相频特性图。奈奎斯特图奈奎斯特图是将频率响应特性绘制在复平面上，用来分析系统稳定性。比例控制器比例控制原理比例控制器根据偏差的大小进行调整，偏差越大，控制输出越大。比例增益比例增益决定了控制输出对偏差的敏感程度，增益越大，控制输出越强。比例控制特点比例控制简单易行，适用于大多数控制系统，但无法消除稳态误差。积分控制器1消除稳态误差积分控制作用于系统的误差信号，并将其累积，用于消除稳态误差。2改善系统性能积分控制可以提高系统的跟踪精度，并降低系统的稳态误差。3应用范围积分控制器广泛应用于过程控制，例如温度、压力、流量等控制系统。微分控制器微分控制微分控制是根据误差变化率来调节控制信号的控制方法。它可以提高系统的快速性，减少超调，提高系统的稳定性。在系统中，微分控制主要用于预测系统未来状态的变化趋势，及时调节控制信号。控制器结构微分控制器通常由一个微分环节组成。微分环节的输出信号与输入信号的变化率成正比。微分控制器的输出信号是误差信号的变化率的倍数。应用场景微分控制器通常用于改善系统的快速性，减少超调，提高系统稳定性。例如，在电机控制系统中，微分控制器可以用来抑制电机的振荡，提高电机的控制精度。PID控制器比例控制比例控制根据偏差大小控制输出，比例系数越大，输出变化越快，但可能导致超调。积分控制积分控制根据偏差累积程度控制输出，可以消除稳态误差，但响应速度较慢。微分控制微分控制根据偏差变化率控制输出，可以提前预测偏差，提高响应速度，但可能导致系统振荡。串级控制系统1级联控制串级控制系统，也称为级联控制系统，是指将两个或多个控制回路串联在一起，用于控制一个或多个变量的系统。2主回路主回路控制主要控制变量，例如温度或压力。辅回路控制一个或多个影响主要变量的中间变量，例如流速或流量。3优点串级控制系统通常比单回路控制系统更精确、更稳定，并且对扰动更敏感。4应用串级控制系统广泛应用于各种工业过程，例如化学反应器、锅炉和制冷系统。内模控制模型匹配内模控制通过构建被控对象的模型，并将其作为控制器的一部分。控制器通过比较实际输出和模型输出之间的误差来调整控制信号。稳定性增强内模控制可以有效地提高系统的稳定性，因为它能够消除系统的不确定性。这种控制方法在处理参数变化和外部扰动方面非常有效。自适应控制适应变化自动调节控制器参数，以应对系统参数变化或外部干扰。在线学习根据实时数据反馈调整控制策略，提高系统性能。应用范围广泛应用于航空航天、机器人控制、过程控制等领域。模糊控制11.模糊集使用模糊集描述控制系统中的变量，例如“温度高”，“速度快”。22.模糊规则基于模糊集定义的规则，例如“如果温度高，则降低速度”。33.模糊推理根据模糊规则和输入信息，推导出控制输出，例如“速度减缓至中等”。44.模糊化与反模糊化将输入和输出信息转化为模糊集，并将模糊控制输出转化为实际控制信号。神经网络控制自适应学习神经网络可以根据系统运行情况不断调整自身参数，实现自适应控制。非线性系统神经网络擅长处理非线性系统，克服传统控制方法在非线性系统中的局限性。复杂系统神经网络控制可以应用于复杂系统，例如机器人控制、航空航天控制等领域。鲁棒性神经网络控制对参数变化和噪声干扰具有较强的鲁棒性。预测控制模型预测预测控制使用模型预测系统未来行为，并根据预测结果优化控制信号。滚动优化预测控制是一种滚动优化方法，每次计算控制信号时，只优化有限时间段内的控制信号。约束处理预测控制能够处理系统约束，例如控制输入、输出和状态变量的限制。鲁棒控制不确定性鲁棒控制是指在存在系统参数不确定性或外部干扰的情况下，仍然能够保持系统稳定和性能要求。控制器设计鲁棒控制的控制器设计旨在使系统对不确定性和干扰具有较强的抵抗能力，确保系统能够在不确定性条件下正常工作。随机控制不确定性考虑系统参数或外部干扰的随机性。概率模型利用概率分布描述随机变量。优化设计设计控制策略以最小化随机性影响。分布参数系统控制热量传递描述在空间中温度分布随时间的变化。例如，炉子加热金属板的热量传递。流体流动分析流体在管道或容器中的流动，例如管道中的水流或空气流动。化学反应器研究化学反应过程，如反应物浓度在反应器中的空间分布。生物系统用于分析生物系统中的物质和能量传递，如细胞内的物质扩散。非线性控制1非线性系统非线性控制系统包含非线性函数或关系。2线性化方法将非线性系统简化为线性系统，以便于分析和设计。3非线性控制方法针对非线性系统的特性，使用专门的控制方法来实现稳定性和性能优化。4应用领域非线性控制广泛应用于航空航天、机器人、化学过程等领域。数字控制系统数字控制器数字控制器使用微处理器或微控制器来实现控制算法。它们通过传感器接收输入信号，并根据算法计算出控制输出。数字化信号数字控制系统中的信号是离散的，以数字形式表示。它们通过模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号。离散时间系统数字控制系统基于离散时间模型，其中控制算法在离散的时间间隔内执行。优点数字控制系统具有高精度、灵活性、可靠性和可编程性等优点，广泛应用于各种工业和消费类产品中。离散时间系统采样与保持离散时间系统通过对连续信号进行采样和保持，将连续时间信号转换为离散时间信号。采样频率决定了离散时间系统的精度和性能。时域描述离散时间系统可以使用差分方程来描述，它反映了系统输出与过去输入和输出之间的关系。数字控制器离散时间系统通常使用数字控制器来实现，数字控制器使用微处理器或其他数字电路来执行控制算法。应用广泛离散时间系统在各种应用中发挥着至关重要的作用，包括数字信号处理、控制系统和通信系统。脉冲传递函数定义脉冲传递函数是指离散时间系统对单位脉冲信号的响应。它描述了系统在输入为单位脉冲时，输出的序列。表达方式脉冲传递函数通常用Z变换表示，其中Z是单位延迟算子。它可以表示为系统输入和输出的Z变换之比。Z变换时域到频域将离散时间信号从时域转换为频域，方便分析和处理。数学工具利用Z变换公式，可以将离散时间信号表示成复频域上的函数。系统分析Z变换可以用于分析离散时间系统的稳定性、频率响应和传递函数。控制器设计Z变换可以用于设计离散控制器，实现对系统的控制目标