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作用自动控制系统是一种能自动地对受控对象实现对过程的控制，保证过程稳定运行，进行控制的系统，它由控制器、执行机构提高过程效率，改善产品质量，减少人力、传感器和被控对象组成成本反馈控制系统反馈控制系统温度控制系统自动驾驶系统反馈控制系统将输出信号与参考信号进行比温度控制系统通过传感器测量温度，并通过自动驾驶系统利用传感器感知周围环境，并较，并利用误差信号调整输入信号，实现控加热或冷却装置调节温度，以达到设定值通过控制系统调整车辆速度和方向，实现安制目标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建立系统方程1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确定变量2确定系统的输入、输出和状态变量，并定义其物理意义写出微分方程3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拉普拉斯变换1将微分方程转化为代数方程系统输入输出2定义系统输入和输出信号传递函数表达式3表达系统输入输出之间的关系极点和零点4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系统开环极点1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”标记根轨迹分支2根轨迹分支从开环极点开始，并延伸至开环零点或无穷远根轨迹方程3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+1π根轨迹分支数量4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根轨迹渐近线5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根轨迹分离点6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图BodeBode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增益比例控制器根据偏差的大小进行比例增益决定了控制输出对偏差调整，偏差越大，控制输出越大的敏感程度，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消除稳态误差改善系统性能应用范围123积分控制作用于系统的误差信号，并积分控制可以提高系统的跟踪精度，积分控制器广泛应用于过程控制，例将其累积，用于消除稳态误差并降低系统的稳态误差如温度、压力、流量等控制系统微分控制器微分控制控制器结构微分控制是根据误差变化率来调节控制信号微分控制器通常由一个微分环节组成微分的控制方法它可以提高系统的快速性，减环节的输出信号与输入信号的变化率成正比少超调，提高系统的稳定性在系统中，微微分控制器的输出信号是误差信号的变化分控制主要用于预测系统未来状态的变化趋率的倍数势，及时调节控制信号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控制器PID比例控制积分控制微分控制比例控制根据偏差大小控制输出，比例系数积分控制根据偏差累积程度控制输出，可以微分控制根据偏差变化率控制输出，可以提越大，输出变化越快，但可能导致超调消除稳态误差，但响应速度较慢前预测偏差，提高响应速度，但可能导致系统振荡串级控制系统级联控制主回路12串级控制系统，也称为级联控主回路控制主要控制变量，例制系统，是指将两个或多个控如温度或压力辅回路控制一制回路串联在一起，用于控制个或多个影响主要变量的中间一个或多个变量的系统变量，例如流速或流量优点应用34串级控制系统通常比单回路控串级控制系统广泛应用于各种制系统更精确、更稳定，并且工业过程，例如化学反应器、对扰动更敏感锅炉和制冷系统内模控制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模糊集模糊规则

1.

2.12使用模糊集描述控制系统中的基于模糊集定义的规则，例如“变量，例如“温度高”，“速度快如果温度高，则降低速度””模糊推理模糊化与反模糊化

3.

4.34根据模糊规则和输入信息，推将输入和输出信息转化为模糊导出控制输出，例如“速度减缓集，并将模糊控制输出转化为至中等”实际控制信号神经网络控制自适应学习非线性系统神经网络可以根据系统运行情况神经网络擅长处理非线性系统，不断调整自身参数，实现自适应克服传统控制方法在非线性系统控制中的局限性复杂系统鲁棒性神经网络控制可以应用于复杂系神经网络控制对参数变化和噪声统，例如机器人控制、航空航天干扰具有较强的鲁棒性控制等领域预测控制模型预测滚动优化约束处理预测控制使用模型预测系统未来行为，并根预测控制是一种滚动优化方法，每次计算控预测控制能够处理系统约束，例如控制输入据预测结果优化控制信号制信号时，只优化有限时间段内的控制信号、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流体流动化学反应器生物系统描述在空间中温度分布随时间分析流体在管道或容器中的流研究化学反应过程，如反应物用于分析生物系统中的物质和的变化例如，炉子加热金属动，例如管道中的水流或空气浓度在反应器中的空间分布能量传递，如细胞内的物质扩板的热量传递流动散非线性控制非线性系统线性化方法12非线性控制系统包含非线性函将非线性系统简化为线性系统数或关系，以便于分析和设计非线性控制方法应用领域34针对非线性系统的特性，使用非线性控制广泛应用于航空航专门的控制方法来实现稳定性天、机器人、化学过程等领域和性能优化数字控制系统数字控制器数字化信号数字控制器使用微处理器或微控数字控制系统中的信号是离散的制器来实现控制算法它们通过，以数字形式表示它们通过模传感器接收输入信号，并根据算数转换器ADC将模拟信号转换法计算出控制输出为数字信号离散时间系统优点数字控制系统基于离散时间模型数字控制系统具有高精度、灵活，其中控制算法在离散的时间间性、可靠性和可编程性等优点，隔内执行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时域描述离散时间系统通过对连续信号进行采离散时间系统可以使用差分方程来描样和保持，将连续时间信号转换为离述，它反映了系统输出与过去输入和散时间信号采样频率决定了离散时输出之间的关系间系统的精度和性能数字控制器应用广泛离散时间系统通常使用数字控制器来离散时间系统在各种应用中发挥着至实现，数字控制器使用微处理器或其关重要的作用，包括数字信号处理、他数字电路来执行控制算法控制系统和通信系统脉冲传递函数定义表达方式脉冲传递函数是指离散时间系统对单位脉冲信号的响应脉冲传递函数通常用Z变换表示，其中Z是单位延迟算子它描述了系统在输入为单位脉冲时，输出的序列它可以表示为系统输入和输出的Z变换之比变换Z时域到频域数学工具系统分析控制器设计将离散时间信号从时域转换为利用Z变换公式，可以将离散Z变换可以用于分析离散时间系Z变换可以用于设计离散控制器频域，方便分析和处理时间信号表示成复频域上的函统的稳定性、频率响应和传递，实现对系统的控制目标数函数离散控制器设计方法选择1根据系统需求选择合适的离散控制器设计方法，例如极点配置、频率响应设计或状态空间设计模型转换2将连续时间系统模型转换为离散时间模型，以便在离散时间域中进行控制器设计控制器实现3将设计的离散控制器转换为实际的数字控制系统，例如使用微处理器或数字信号处理器结语本课程介绍了自动控制原理的基础知识，包括系统建模、分析和设计课程涵盖了经典控制理论和现代控制理论的关键概念和方法，旨在为学生提供扎实的理论基础和实践技能。