《自动控制原理教学课件》第3章

《自动控制原理教学课件》第3章•引言contents•自动控制系统概述•控制系统的数学模型目录•控制系统的稳定性分析•控制系统的性能分析•控制系统的校正与设计01引言课程背景自动控制原理是自动化专业的一门核心课程，旨在培养学生掌握自动控制系统分析和设计的基本理论和方法随着工业自动化和智能化的发展，自动控制原理在各个领域得到了广泛应用，成为现代工程技术人员必备的知识之一章节概述本章将介绍线性定常系统的时域分析方法，包括系统的数学模型、稳定性分析、动态性能分析和误差分析等内容通过本章的学习，学生将掌握线性定常系统的基本概念、数学模型和各种分析方法，为后续章节的学习打下基础02自动控制系统概述定义与分类总结词自动控制系统是能够自动调节输入信号，使其输出信号按照预定规律变化的系统根据不同的分类标准，自动控制系统可以分为多种类型详细描述根据有无反馈，自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号直接传递到输出端，输出信号与输入信号保持一定的关系；闭环控制系统是指系统中存在反馈回路的系统，输入信号经过处理后，输出信号通过反馈回路回到输入端，形成一个闭环工作原理与组成总结词自动控制系统的工作原理主要是基于负反馈原理，通过比较输入信号和输出信号的差异，调整系统内部参数，使得输出信号逐渐接近输入信号自动控制系统的组成包括控制器、执行器、被控对象和反馈装置等部分详细描述控制器是自动控制系统的核心，它根据输入信号和反馈信号的比较结果，输出相应的控制信号，调整执行器的动作；执行器是系统的输出部分，根据控制信号调整被控对象的参数或状态；被控对象是系统控制的实体，可以是机器、设备或生产过程等；反馈装置则负责将输出信号反馈回输入端，与输入信号进行比较性能指标总结词自动控制系统的性能指标是评价系统性能优劣的标准，主要包括稳定性、快速性和准确性等详细描述稳定性是指系统在受到扰动后恢复平衡状态的能力；快速性是指系统对输入信号的响应速度；准确性则是指系统输出信号与理想输出信号之间的误差大小这些性能指标对于不同类型的控制系统有不同的要求，需要根据实际需求进行选择和优化03控制系统的数学模型建立数学模型的方法解析法01通过系统元件的物理或电路方程推导数学模型实验法02通过实验测量系统的输入和输出数据，再利用系统辨识的方法建立数学模型混合法03结合解析法和实验法，先建立初步的解析模型，再通过实验数据进行调整和优化传递函数定义传递函数是描述线性时不变系统动态特性的数学模型，表示系统输出与输入之间的关系形式传递函数通常表示为有理分式多项式之比，即Gs=b0+b1s+b2s2+...+bnsn/a0+a1s+a2s2+...+asn，其中s是复变量，n是最高次幂的阶数性质传递函数具有复数域上的函数性质，如可导性、可积性等，同时也有一些特定的性质，如稳定性和因果性等状态空间表达式定义状态空间表达式是另一种描述线性时不变系统动态特性的数学模型，它由状态方程和输出方程组成，描述了系统的内部状态变化和输出与输入之间的关系形式状态方程通常表示为dx/dt=Ax+Bu，其中x是状态向量，u是输入向量，A和B是系数矩阵输出方程通常表示为y=Cx+Du，其中y是输出向量，C和D是系数矩阵性质状态空间表达式具有多输入多输出的特性，能够全面描述系统的动态行为，包括系统的稳定性、可控性和可观测性等04控制系统的稳定性分析稳定性的定义010203稳定性是指控制系统在受到扰稳定性是控制系统的重要性能稳定的系统在受到扰动后，能动后，能够回到原始平衡状态指标之一，是保证系统正常工够通过自我调节回到原始的工的能力作的前提条件作状态，而不稳定的系统则会持续偏离平衡状态判稳的方法代数法通过计算系统的特征根来判断系统的稳定性如果特征根全部位于复平面的左半部分，则系统稳定；否则系统不稳定图形法通过绘制系统的极坐标图或奈奎斯特图来判断系统的稳定性图形位于奈奎斯特平面内表示系统稳定，否则系统不稳定李雅普诺夫法通过分析系统的能量函数来判断系统的稳定性如果能量函数是负定的，则系统稳定；否则系统不稳定稳定裕量稳定裕量是指控制系统在稳定工作状态下，其性能指标与临界值之间的差距稳定裕量是衡量控制系统稳定性能的重要指标之一，它反映了系统在正常工作状态下抵御扰动的能力稳定裕量越大，说明系统的稳定性能越好，能够承受更大的扰动而不失稳因此，在设计控制系统时，应尽量增大系统的稳定裕量，以提高系统的稳定性能05控制系统的性能分析时域分析法总结词详细描述通过建立和求解控制系统的时域数学模时域分析法通过建立控制系统的微分方程型，分析系统的动态响应特性或差分方程，并求解这些方程来获得系统VS在输入信号作用下的动态响应这种方法可以直观地展示系统的性能指标，如超调量、调节时间、稳态误差等频域分析法总结词详细描述通过分析控制系统的频率特性，评估系统的频域分析法通过分析控制系统的频率响应来性能评估系统的性能这种方法通过绘制系统的频率特性曲线，如幅频响应和相频响应曲线，来反映系统在不同频率下的性能表现频域分析法在分析系统稳定性、带宽和阻尼特性等方面具有优势根轨迹法要点一要点二总结词详细描述通过分析控制系统的极点和零点分布，研究系统性能的变根轨迹法通过绘制控制系统的极点和零点在复平面上的分化布图，来研究系统性能的变化通过改变系统参数，观察根轨迹的变化，可以了解系统性能的改善或恶化根轨迹法在分析系统稳定性和动态响应方面具有重要作用06控制系统的校正与设计串联校正•总结词串联校正是一种常用的控制系统校正方法，通过在系统传递函数的特定位置串联一个或多个校正装置，以改善系统的性能指标•详细描述串联校正通常用于改善系统的静态和动态特性通过在系统传递函数的开环部分串联适当的校正装置，可以改变系统的极点和零点，从而调整系统的频率响应和稳定性常见的串联校正装置包括加法器、积分器、微分器等•数学模型串联校正的数学模型是将校正装置与系统传递函数进行串联，得到新的系统传递函数通过调整校正装置的参数，可以优化系统的性能指标•性能指标常用的性能指标包括系统的稳态误差、动态响应时间、超调和振荡等在进行串联校正时，需要根据实际需求选择合适的性能指标进行优化并联校正总结词详细描述数学模型性能指标并联校正是一种通过在系统并联校正主要用于改善系统并联校正的数学模型是将校常用的性能指标包括系统的输出端并联一个或多个校正的动态特性通过在系统传正装置与系统传递函数的输超调和调节时间等在进行装置来改善系统性能的方法递函数的输出端并联适当的出进行并联，得到新的系统并联校正时，需要根据实际校正装置，可以改变系统的传递函数通过调整校正装需求选择合适的性能指标进频率响应和稳定性常见的置的参数，可以优化系统的行优化并联校正装置包括比例增益性能指标控制器、速度控制器等前馈控制•总结词前馈控制是一种基于输入信号的控制系统设计方法，通过预测输入信号的变化，提前对系统进行控制，以减小误差和干扰的影响•详细描述前馈控制通常用于具有快速动态特性的控制系统通过预测输入信号的变化趋势，提前对系统进行控制，可以减小误差和干扰的影响，提高系统的控制精度和响应速度前馈控制通常与反馈控制结合使用，以实现更好的控制效果•数学模型前馈控制的数学模型是通过建立输入信号与系统输出之间的映射关系，实现提前控制前馈控制器通常由一系列比例增益和延迟环节组成，以实现最佳的控制效果•性能指标常用的性能指标包括系统的误差范围、控制精度、响应速度等在进行前馈控制设计时，需要根据实际需求选择合适的性能指标进行优化THANKS感谢观看。