《绪论自动控制理论》课件

绪论自动控制理论自动控制理论是工程领域的重要基础理论。该理论研究的是如何利用反馈控制实现对系统行为的精确控制。自动控制的概念和历史发展自动控制的概念自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用机器或装置，按照预定的目标和规律，对被控对象进行控制，使之自动地按要求运行。自动控制的历史发展自动控制技术起源于古代，例如水钟、风车等。现代自动控制理论则是在20世纪初，随着工业生产的发展而迅速发展起来的。自动控制系统的基本构成被控对象被控对象是自动控制系统要控制的对象，它可以是一个机器、设备或过程。例如，一个自动驾驶汽车的被控对象是汽车本身。传感器传感器用来测量被控对象的实际状态，例如温度、压力、速度等，并将其转换为电信号。控制器控制器接收来自传感器的信号，并根据预先设定好的控制算法，输出控制信号，作用于执行机构。执行机构执行机构是根据控制器的指令，对被控对象进行控制，例如改变速度、温度、压力等。开环和闭环系统的区别开环系统系统输出不受系统输入的反馈控制。简单易实现，但抗干扰能力差，精度不高。闭环系统系统输出被反馈到输入端，形成闭环，用于控制系统输出的误差。抗干扰能力强，精度高，但结构复杂。传感器和执行机构的作用11.传感器传感器将物理量转换为电信号，例如温度、压力、流量。22.执行机构执行机构将电信号转换为物理量，例如电机旋转、阀门开闭。33.闭环控制传感器感知被控量，控制器根据偏差输出控制信号，执行机构执行。控制器的作用和分类调节系统输出控制器接收反馈信号并计算出控制信号，以调节系统输出，使其符合预设目标。提高系统性能控制器可以改善系统响应速度、稳定性、抗干扰能力等，提高系统的整体性能。控制策略分类控制器根据不同的控制策略可以分为比例控制器、积分控制器、微分控制器、PID控制器、自适应控制器等。数学建模的基本方法微分方程建模微分方程建模是利用微分方程描述系统动态特性的方法，适合描述系统内部变量之间的时间关系。例如，描述机械系统的运动方程、电路系统的电压电流关系等。传递函数建模传递函数建模是一种基于拉普拉斯变换的建模方法，适用于线性时不变系统。它描述了系统输入与输出之间的关系，可以方便地进行系统分析和设计。状态空间建模状态空间建模是利用状态变量描述系统动态特性的方法，适合描述多输入多输出系统。它可以描述系统的内部状态，方便进行系统分析和设计。微分方程建模1系统描述通过物理定律和基本原理2微分方程建立系统的数学模型3求解方程获得系统输出响应微分方程建模是一种经典的系统分析方法，通过描述系统变量之间的动态关系来建立数学模型。这种方法在机械、电子、热力学等领域有着广泛的应用。传递函数建模定义传递函数描述输入与输出之间的关系，在拉普拉斯变换域内进行。步骤建立系统微分方程对微分方程进行拉普拉斯变换求解输出与输入之间的关系得到传递函数优点传递函数提供了一种简洁、直观的系统描述，便于分析和设计。应用传递函数在系统分析、设计和仿真中被广泛应用，例如，用于确定系统稳定性、响应速度和稳态误差。状态空间建模1系统状态变量描述系统动态行为的关键变量2状态方程描述状态变量随时间的变化规律3输出方程描述系统输出与状态变量的关系状态空间模型用一组微分方程描述系统的行为，比传递函数模型更全面。它不仅可以描述系统的输入输出关系，还可以描述系统的内部状态，为分析和设计系统提供更多信息。时域分析的基本概念11.响应特性时域分析研究系统对不同输入信号的输出响应，如阶跃响应、脉冲响应等，以了解系统的动态特性。22.瞬态响应瞬态响应是指系统在受到扰动后，从初始状态到稳定状态的变化过程，体现系统的快速性和稳定性。33.稳态响应稳态响应是指系统在扰动消除后，最终达到的稳定状态，反映系统对输入信号的跟踪能力。44.指标分析时域分析通过观察系统响应的波形，并计算上升时间、峰值时间、超调量、调节时间等指标来分析系统的性能。瞬态响应指标瞬态响应指标是用来描述系统在受到外部扰动后，其输出量随时间变化的特征，反映系统对扰动的快速反应能力。常见的瞬态响应指标包括上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和稳定时间等。10上升时间从输入信号发生变化到输出信号达到稳态值的90%的时间。20峰值时间输出信号达到峰值的时间。30调节时间输出信号到达稳态值并保持在一定范围内的时间。40超调量输出信号达到峰值时与稳态值的差值。稳态误差指标稳态误差描述位置误差系统输入为阶跃信号时，输出与输入之间的偏差速度误差系统输入为斜坡信号时，输出与输入之间的偏差加速度误差系统输入为抛物线信号时，输出与输入之间的偏差根轨迹法分析系统性能1根轨迹定义根轨迹是系统开环极点随开环增益变化的轨迹。该方法可用于分析系统稳定性、速度和阻尼特性。2绘制根轨迹使用根轨迹绘制规则，可以绘制系统开环极点随增益变化的轨迹，并确定闭环极点的分布。3性能分析通过分析根轨迹图，可以确定系统稳定裕度、响应速度和阻尼特性，从而判断系统是否满足设计要求。频域分析的基本概念幅频特性描述系统对不同频率正弦信号的幅值放大倍数相频特性描述系统对不同频率正弦信号的相位变化伯德图将幅频和相频特性绘制在同一坐标系中奈奎斯特图将系统在复频域中的频率响应绘制在复平面上幅频和相频特性幅频特性是指系统在不同频率的正弦信号输入下，输出信号幅值变化的特性。它反映了系统对不同频率信号的放大或衰减程度。相频特性是指系统在不同频率的正弦信号输入下，输出信号相位变化的特性。它反映了系统对不同频率信号的相位延迟或超前程度。稳定性判别准则根轨迹法根轨迹法是一种图形化方法，通过绘制系统特征根的轨迹来判断系统稳定性。奈奎斯特判据奈奎斯特判据是基于开环传递函数的频率响应来判断系统稳定性。劳斯-赫维茨判据劳斯-赫维茨判据是一种代数方法，通过计算特征方程的系数来判断系统稳定性。李雅普诺夫稳定性李雅普诺夫稳定性理论利用能量函数来判断系统稳定性。系统校正的基本方法优化系统性能提高系统稳定性、快速性、准确性等性能指标。消除或减弱干扰外部干扰会影响系统正常工作，校正可以有效地减轻干扰影响。改善动态特性通过校正，使系统能够快速、平稳地响应外界信号。比例控制器的设计1比例增益比例控制器的设计主要围绕比例增益的确定。2控制效果比例增益影响系统的动态响应和稳态误差。3实验调整通过实验调整比例增益，以达到最佳的控制效果。积分控制器的设计积分作用原理积分控制通过累积误差信号，逐渐消除系统稳态误差，提高控制精度。积分作用可以消除系统稳态误差，但会减慢系统响应速度。积分时间常数积分时间常数决定了积分作用的强度，影响系统响应速度和稳态误差。时间常数越大，积分作用越弱，系统响应速度越快，稳态误差越大。积分控制器设计积分控制器设计通常考虑系统稳定性、响应速度和稳态误差等指标。需要根据实际应用场景和系统特点进行合理的参数选择。微分控制器的设计1微分控制器的作用改善系统响应提高系统稳定性2微分控制器的原理对系统误差变化率进行反馈增加系统阻尼3微分控制器的应用提高系统响应速度抑制系统振荡微分控制器通过对误差变化率进行反馈，增加系统阻尼，提高系统响应速度，抑制系统振荡。微分控制器的应用范围广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人等领域。PID控制器的设计1参数整定根据系统特性，确定比例、积分、微分系数2仿真测试在仿真环境中验证控制器性能3实际应用将控制器应用于实际系统4性能优化根据实际情况调整控制器参数PID控制器是一种常用的控制策略，它通过调节比例、积分和微分系数来改善系统性能。分段线性控制器设计原理介绍分段线性控制器根据控制系统状态的不同，选择不同的线性控制律。设计步骤确定系统工作区域设计每个区域的线性控制器选择切换规则优势分段线性控制器具有较强的非线性系统控制能力，能够提高系统性能。应用场景分段线性控制器常用于非线性系统，如机器人控制、飞行器控制等领域。模糊控制器的设计1模糊化将系统的输入和输出量转化为模糊集，并定义隶属度函数。2模糊推理根据模糊规则库和模糊化后的输入，进行模糊推理得到模糊控制输出。3去模糊化将模糊控制输出转化为具体的控制信号，用于控制系统。神经网络控制器的设计1网络结构选择合适的网络结构，例如多层感知器或递归神经网络。2训练数据收集足够多的训练数据，以便网络能够学习系统动态。3训练算法选择合适的训练算法，例如反向传播算法或梯度下降算法。4性能评估评估神经网络控制器在不同工况下的性能，并进行优化。神经网络控制器利用神经网络学习系统的动态特性，并根据系统状态进行控制。神经网络控制器具有较强的自适应能力，可以处理非线性系统和复杂系统。自适应控制的基本思想环境变化系统在运行过程中，参数会发生改变，例如负载变化或扰动。传统的控制系统难以适应这些变化，可能会导致性能下降。自适应控制自适应控制可以根据环境变化自动调整控制参数。通过不断学习和适应，提高系统的性能和稳定性。状态观测器的设计1状态观测器的应用估计无法直接测量的系统状态变量，并用于闭环控制系统。2状态观测器设计通过设计观测器模型，对系统状态进行估计。3观测器误差分析评估观测器估计值的精度，确保其满足控制要求。4观测器实现基于微处理器或数字信号处理器，实现状态观测器算法。状态观测器在实际应用中发挥着重要作用，例如汽车动力系统、机器人控制、航空航天等领域。鲁棒控制的基