自动控制原理课件大全

自动控制原理概述自动控制原理是工程领域的核心学科。它研究如何自动调节系统以达到期望的输出。本课程将深入探讨控制系统的基本概念、分析方法和设计技术。自动控制系统的组成传感器测量系统状态和输出变量。控制器根据测量值计算控制信号。执行器执行控制信号，调节系统状态。反馈控制系统的基本原理1测量传感器测量系统输出。2比较将测量值与期望值比较。3计算根据误差计算控制信号。4执行执行器调节系统输入。控制系统的数学建模微分方程描述系统动态行为的数学表达式。状态空间模型使用状态变量和矩阵方程表示系统。传递函数描述系统输入输出关系的拉普拉斯变换。传递函数的求解建立系统方程根据物理定律写出微分方程。拉普拉斯变换将时域方程转换为s域。代数运算求解方程得到输出与输入的比值。化简将结果化简为标准形式。时域分析方法暂态响应研究系统对阶跃、脉冲等输入的瞬时反应。分析上升时间、超调量等指标。稳态响应研究系统长期运行后的稳定状态。分析稳态误差、跟踪性能等特性。稳定性分析1劳斯-赫尔维茨判据基于特征方程系数的代数判据。2根轨迹法分析闭环极点随参数变化的轨迹。3奈奎斯特判据基于开环频率特性的图形判据。根轨迹法1绘制根轨迹确定起点、渐近线和分离点。2分析稳定性判断闭环极点是否位于左半平面。3确定系统性能根据极点位置估计系统响应特性。4选择增益根据性能要求选择合适的闭环极点。频域分析方法幅频特性分析系统对不同频率正弦输入的增益。相频特性分析系统对不同频率正弦输入的相位滞后。稳定性判据通过频率特性判断系统稳定性。伯德图和奈奎斯特图伯德图分别绘制幅频和相频特性。横轴为对数频率，纵轴分别为分贝增益和相位角。奈奎斯特图在复平面上绘制频率响应。实部为横轴，虚部为纵轴。频率从0到无穷大变化。PID控制器比例控制控制信号与误差成正比。减小稳态误差，加快响应速度。积分控制控制信号与误差积分成正比。消除稳态误差。微分控制控制信号与误差变化率成正比。提高系统稳定性，减小超调量。继电器反馈系统1工作原理控制信号在两个固定值之间切换。2滞回特性引入死区避免频繁切换。3应用场景适用于对精度要求不高的简单控制系统。4优缺点结构简单，成本低，但存在稳态误差和极限环。离散时间系统采样将连续信号转换为离散序列。保持在采样间隔内保持信号值不变。数字控制使用计算机实现控制算法。Z变换及应用定义离散序列的复变换。性质线性、时移、卷积定理等。反变换部分分式展开法。应用离散系统分析与设计。状态空间分析方法状态方程描述系统内部状态变量的变化率。使用矩阵形式表示多输入多输出系统。输出方程描述系统输出与状态变量和输入的关系。可以表示多个输出变量。可控性和可观测性可控性系统是否能在有限时间内从任意初始状态转移到任意终止状态。可观测性是否能通过有限时间内的输出完全确定系统的初始状态。判别方法可控性矩阵和可观测性矩阵的秩。状态反馈控制1极点配置选择合适的反馈增益矩阵。2系统性能改善调整闭环系统的动态特性。3鲁棒性分析考虑参数不确定性的影响。观测器设计1全维观测器估计所有状态变量。2降维观测器仅估计部分不可测状态。3功能观测器估计状态变量的线性组合。4性能评估分析观测器的收敛速度和精度。非线性系统分析平衡点分析研究系统的稳定平衡状态。相平面分析研究系统状态轨迹的几何特性。线性化方法在工作点附近进行线性近似。李雅普诺夫稳定性理论研究系统的整体稳定性。描述函数法非线性元件等效用等效增益替代非线性环节。谐波平衡分析系统的极限环。稳定性判据利用奈奎斯特图判断系统稳定性。应用限制仅适用于单值非线性系统。李雅普诺夫法1直接法构造李雅普诺夫函数。2间接法分析线性化系统特征值。3不变集原理分析系统长期行为。自适应控制参数估计在线识别系统参数。控制器调整根据估计结果调整控制器参数。性能优化持续改善系统响应。模糊控制模糊化将精确值转换为模糊集。使用语言变量描述系统状态和控制量。推理机制基于模糊规则进行推理。采用IF-THEN语句表达控制策略。去模糊化将模糊输出转换为精确控制信号。常用重心法或最大隶属度法。神经网络控制网络结构多层感知器、径向基函数网络等。学习算法反向传播、遗传算法等。控制策略直接控制、间接控制、混合控制等。分布参数系统控制1系统建模偏微分方程描述。2控制器设计考虑空间分布特性。3稳定性分析利用泛函分析方法。4实现技术分布式传感器和执行器。运动控制系统位置控制精确定位机械部件。速度控制调节运动速度。轨迹跟踪控制复杂运动路径。工业过程控制温度控制化工反应器、冶金炉等温度调节。采用PID控制器，考虑大滞后特性。流量控制管道系统流量调节。使用阀门作为执行机构，考虑非线性特性。压力控制容器、管道系统压力调节。需要快速响应和防超调设计。控制系统设计软件自动控制实例分析汽车巡航控制保持车速恒定。考虑道路坡度、风阻等干扰。无人机姿态控制稳定飞行姿态。处理强耦合多变量系统。化工反应器控制精确控制反应温度。应对大滞后和非线性特性