《计算机控制答案》课件

《计算机控制答案》课件本课件旨在帮助学生理解和掌握计算机控制系统相关知识内容涵盖计算机控制系统的基本概念、系统建模、控制器设计、以及应用实例等课程介绍课程概述课程内容12本课程将介绍计算机控制系涵盖计算机控制系统的组成统的基本原理和应用、控制原理、设计方法和应用实例教学目标3使学生掌握计算机控制系统的基本理论和实践技能课程目标了解计算机控制系统的掌握常用的控制算法掌握计算机控制系统的培养解决实际问题的能基本原理设计方法力学习控制、状态空间控PID掌握计算机控制系统的基本制等常用算法，并能运用这学习计算机控制系统的设计通过案例分析和课后练习，概念、组成和分类，为进一些算法解决实际问题步骤和方法，能够独立设计提高学生分析问题、解决问步学习打下基础简单的计算机控制系统题的能力，为以后从事相关工作做好准备计算机控制系统概述计算机控制系统将计算机技术应用于工业生产，实现自动化控制利用计算机强大的计算能力、逻辑判断能力、信息存储和处理能力，对生产过程进行实时监控和控制广泛应用于工业自动化、智能制造、机器人控制等领域，提高生产效率、产品质量和生产安全控制系统的组成传感器控制器传感器是用来感知被控对象状态的控制器是控制系统的核心，根据反元件，将被控对象的物理量转换为馈信号和设定值，计算出控制信号电信号执行器被控对象执行器是用来执行控制信号的元件被控对象是需要控制的目标，是控，将控制信号转换成物理量作用于制系统所要控制的实体，例如电机被控对象、温度、压力等控制系统的分类开环控制系统闭环控制系统线性控制系统非线性控制系统开环控制系统没有反馈回路闭环控制系统利用反馈回路线性控制系统中，控制器的非线性控制系统中，控制器，系统输出不会影响输入，将输出信号与设定值进行比输出与输入呈线性关系的输出与输入的关系是非线因此无法自行纠正误差较，将误差信息反馈给控制性的器，从而调整控制信号，以减少误差开环控制系统系统结构1开环控制系统不使用反馈信号来调整控制量控制量仅由设定值和控制算法决定特点2结构简单，成本低廉，易于实现响应速度快，但精度较低，抗干扰能力弱应用3适用于对精度要求不高，环境干扰较小的场合例如，一些简单的自动控制系统，如自动售货机、家用电器等闭环控制系统反馈信号1测量实际输出值比较器2比较期望值和实际值控制器3生成控制信号执行器4执行控制信号闭环控制系统又称反馈控制系统，通过反馈信号来调节控制过程，实现对系统输出的精确控制传感器传感器概述传感器的作用传感器是将非电量转换成电量传感器是计算机控制系统的重的装置，用于检测被控对象的要组成部分，它将被控对象的各种物理量，如温度、压力、物理量信息转化为计算机可以流量、速度等理解的电信号，为控制器提供反馈信息传感器的分类传感器种类繁多，按被测物理量分类，可以分为温度传感器、压力传感器、速度传感器等执行器定义作用执行器是计算机控制系统中的关键组件执行器根据控制器的指令，对被控对象它们将控制信号转换为实际的物理动进行调节，例如改变速度、温度、压力作，从而驱动被控对象等分类选择执行器可以根据其类型、功能和驱动方选择合适的执行器需要考虑其性能、精式进行分类，例如电机、气动执行机构度、响应速度、负载能力、工作环境等、液压执行机构等因素放大器和变换器放大器变换器放大器是计算机控制系统的重要组成部分，用于增强传感器信变换器用于将模拟信号转换成数字信号或将数字信号转换成模号，使其符合控制器输入要求拟信号，实现不同类型信号之间的转换控制器控制中心控制系统的心脏，负责接收传感器信号并计算控制信号逻辑决策根据预设算法，控制器决定如何调整执行器以达到目标值程序执行控制器通过运行控制程序，根据反馈信号实时调整控制策略控制原理PID比例控制P比例控制根据偏差的大小来调整控制量，偏差越大，控制量越大比例控制可以提高系统的响应速度，但无法消除稳态误差积分控制I积分控制根据偏差的累积值来调整控制量，可以消除稳态误差，但会降低系统的响应速度微分控制D微分控制根据偏差的变化率来调整控制量，可以提高系统的稳定性和抗干扰能力，但会增加系统的振荡控制PIDPID控制将比例、积分、微分控制结合在一起，可以综合利用三种控制方式的优点，实现快速响应、消除稳态误差和抗干扰等目标控制器设计PID确定控制目标1明确控制目标，例如精度、响应时间等建立数学模型2根据被控对象特性建立精确的数学模型，例如传递函数参数整定3根据模型和目标，选择合适的PID控制器参数仿真验证4对设计好的控制器进行仿真测试，验证其性能实际应用5将控制器应用到实际系统，并进行调试优化PID控制器设计过程是一个迭代的过程，需要不断调整参数，以达到最佳性能离散控制系统离散控制系统是指控制信号是离散的，即控制信号在时间上不是连续变化的，而是以一定的时间间隔进行取样和保持，然后进行控制这种系统通常采用数字计算机来实现控制功能，因此也称为数字控制系统数字信号处理1数字计算机对离散信号进行处理采样和保持2将连续信号转换为离散信号控制算法3根据离散信号进行计算和控制与连续控制系统相比，离散控制系统具有许多优点，例如精度高、灵活性强、易于实现复杂控制算法等，在工业自动化、机器人控制等领域得到广泛应用变换及其性质Z定义性质变换将离散时间信号从时域变换到复频域，将离散时间信号线性Z•的序列表示成复频域函数时移•卷积变换是拉普拉斯变换的离散时间对应，它在计算机控制系统•Z分析和设计中发挥着重要作用初始值•终值•离散系统的稳定性分析稳定性定义稳定性判据

1.

2.12离散系统稳定性是指当受到常用的判据包括频率响应扰动后，系统能否在有限时法、根轨迹法、李雅普诺夫间内恢复到平衡状态稳定性理论稳定性分析方法稳定性控制

3.

4.34通过分析系统传递函数的极通过设计控制器来改变系统点位置、特征值、状态矩阵极点位置，以保证系统稳定等指标来判断系统稳定性运行数字控制器PID数字实现算法实现应用场景数字控制器使用数字信号处理器（数字控制器通过离散时间算法实现，数字控制器广泛应用于工业自动化、PID PIDPID）或微控制器实现将连续时间控制信号转换为数字信号机器人控制和航空航天等领域DSP状态空间表示法状态变量状态方程12描述系统状态的最小变量集，反映系用微分方程描述系统状态变量随时间统内部动态特性的变化规律，反映系统动态特性输出方程优势34用代数方程描述输出变量与状态变量简洁、直观、便于计算机处理，适合之间的关系多输入多输出系统状态变量反馈控制状态变量反馈状态变量反馈控制是指将系统的状态变量反馈到控制器，根据反馈信号计算控制量优越性状态变量反馈控制具有较好的动态性能，可以快速响应外界扰动，提高系统的稳定性和鲁棒性应用范围广泛应用于各种工业过程控制、航空航天、机器人控制等领域设计方法常用的设计方法包括极点配置法、线性二次型调节器LQR等观测器设计状态估计1基于系统模型和输入输出数据观测器类型2全阶、降阶、鲁棒观测器设计3参数调节，稳定性分析应用4状态反馈控制、故障诊断观测器是估计系统内部状态的装置，广泛应用于现代控制系统中观测器根据系统模型和输入输出数据，估计系统的内部状态，为控制器提供准确的状态信息观测器设计涉及观测器类型、参数调节和稳定性分析等多个方面不同类型的观测器适用于不同的应用场景，如状态反馈控制、故障诊断等离散状态空间控制系统状态空间模型控制系统设计该模型描述了离散时间系统中状态变量基于状态空间模型进行控制系统设计，随时间变化的规律，用矩阵形式表示系包括状态反馈控制、观测器设计等，实统的动态特性现对系统的稳定性和性能要求计算机控制系统的设计需求分析1了解系统目标，确定控制对象，分析系统工作环境，明确控制指标系统建模2建立数学模型描述系统，包括传递函数、状态空间模型等，为后续设计提供基础控制器设计3根据模型和性能指标，设计合适的控制器，包括经典控制理论方法和现代控制理论方法硬件选择4选择合适的传感器、执行器、控制器等硬件，确保满足系统功能和性能要求软件编程5编写控制程序，实现控制算法，并与硬件系统进行整合，完成系统的搭建系统调试6对系统进行测试和调试，验证系统性能，调整参数，确保系统正常运行控制系统的性能指标响应速度稳定性准确性带宽系统对输入信号的响应速度系统在受到扰动或干扰后，系统输出信号与期望输出信系统能够有效处理的信号频，例如上升时间和调节时间能否恢复到稳定状态号之间的偏差程度率范围控制系统的鲁棒性抗干扰能力参数变化鲁棒性是指系统在面对干扰和鲁棒性强的系统能够在系统参不确定性时，仍然能够保持其数发生变化的情况下，仍然保正常运行的能力持其稳定性和性能外部扰动模型误差系统能够有效地抑制外部扰动系统对于模型误差和不确定性的影响，例如噪声、干扰和意具有较强的容忍度，确保系统外事件能够在实际运行中保持良好的性能控制系统的故障诊断传感器故障传感器故障会导致测量值错误，影响控制系统性能执行器故障执行器故障会导致控制指令无法执行，导致系统失控控制器故障控制器故障会导致控制算法失效，导致系统无法正常运行实例分析本节将通过具体的实例来展示计算机控制系统的应用例如，我们将分析自动驾驶汽车的控制系统，探讨其传感器、执行器、控制器等关键组件的设计和实现，并阐述其在实际应用中的优缺点课程总结计算机控制控制系统12涵盖了计算机在自动控制系统中的应探讨了控制系统的组成、分类、以及用，从基本原理到实际应用进行介绍常见控制方法计算机控制应用实例34深入讲解了计算机控制系统的特点、通过实际案例，展现了计算机控制在设计流程以及性能评估工业、农业和日常生活中的广泛应用课后习题练习题思考题每章结束后，提供相关练习题，帮助学生巩固所学知识每章结束后，提供一些思考题，鼓励学生深入思考练习题涵盖本章重点内容，并涉及实际应用场景思考题通常与本章内容相关，但更具挑战性，需要学生进行更深入的思考和分析参考文献计算机控制理论与应用现代控制理论数字控制系统自动控制原理陈伯时编著，机械工业出版陈翰馥编著，清华大学出版郑大钟编著，清华大学出版张嗣瀛编著，高等教育出版社社社社。