《控制方案的设计》课件

控制方案的设计控制方案设计是系统开发中至关重要的环节它定义了系统如何响应外部事件，并决定系统行为课程目标理解控制方案的定义学习常用控制方法培养控制系统设计能力掌握相关理论知识掌握控制方案的设计流程，包学习PID控制、状态反馈控制通过实际案例的分析和设计，学习控制系统稳定性分析、性括建模、分析、设计、实现、等常用方法，并掌握其应用场提高学生解决实际控制问题的能指标评价等理论知识，为后调试等步骤景能力续深入学习奠定基础控制概述自动驾驶汽车工业机器人无人机家用电器自动驾驶汽车依赖于复杂的控制工业机器人利用控制系统进行精无人机依赖于控制系统，实现稳家用电器如空调、冰箱等也应用系统，以实现自主导航、避障和确的运动控制，提高生产效率和定飞行、姿态调整和精确控制了控制系统，实现温度、湿度等安全行驶产品质量参数的自动调节控制系统的组成部分控制器执行机构12控制器负责接收反馈信号并发执行机构将控制信号转换成实出控制命令际操作被控对象传感器34被控对象是需要控制的系统或传感器将被控对象的实际状态过程转换成信号反馈给控制器控制系统的分类按控制方式分类按控制信号分类控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系控制系统可分为连续控制系统和离散控制系统，开环控制系统无需反馈信息，闭环控制统，连续控制系统使用连续信号，而离散控系统需要反馈信息进行调整制系统使用离散信号按控制对象分类按控制目标分类控制系统可分为线性控制系统和非线性控制控制系统可分为调节控制系统和跟踪控制系系统，线性控制系统满足叠加原理，非线性统，调节控制系统保持系统输出稳定，而跟控制系统则不满足踪控制系统使系统输出跟随目标变化控制系统的性能指标指标定义描述上升时间系统从初始状态到稳反应速度指标，时间态值的90%所需时间越短越好峰值时间系统输出达到峰值所反应速度指标，时间需时间越短越好超调量系统输出超出稳态值系统稳定性指标，数的百分比值越低越好调节时间系统输出在一定范围系统稳定性指标，时内波动后稳定所需时间越短越好间控制系统的设计流程系统需求分析1明确控制目标，确定系统边界系统建模2使用数学模型描述系统行为控制器设计3选择合适的控制器类型系统仿真与验证4通过仿真测试控制器性能系统实现与调试5将设计转化为实际系统控制系统设计流程是一个循序渐进的过程，每个步骤都至关重要控制系统建模与微分方程系统描述1建立数学模型描述系统行为，用于分析和设计微分方程2使用微分方程描述系统输入、输出之间的关系，例如运动方程、热传导方程等模型验证3通过实验或仿真验证模型的准确性和有效性传递函数的概念数学表达传递函数是描述系统输入与输出关系的数学模型，通常以微分方程的形式表示频率响应传递函数可以用来分析系统对不同频率信号的响应特性系统特性传递函数包含了系统的动态特性，例如稳定性、响应速度和增益传递函数的两种表达形式数学表达式极点零点图传递函数可以用数学表达式表示，传递函数也可以用极点零点图表示这种形式方便代数运算，这种形式方便直观地观察系统的特性复数形式传递函数可以使用复数形式表示，这在分析系统频率响应时非常有用常用的一阶和二阶传递函数一阶传递函数二阶传递函数时间常数决定了系统响应的速度阻尼比和自然频率影响系统的振荡特性状态空间表示法状态变量状态向量状态变量是描述系统动态特性的最小变量状态向量是所有状态变量的集合集合它包含了所有状态变量的数值信息它们完全描述了系统在任意时刻的状态状态微分方程的建立确定状态变量首先，需要识别系统中能够完全描述系统状态的变量，这些变量被称为状态变量建立状态方程根据系统动力学原理，将状态变量的导数表示为状态变量和输入变量的函数，形成状态方程输出方程定义系统的输出变量，并将输出变量表示为状态变量和输入变量的函数，形成输出方程状态空间表示法的优缺点优点优点

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22.描述更全面，包括所有状态变量，可用于非线性系统易于计算机控制，方便进行数字仿真缺点缺点

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44.需要大量变量和微分方程模型复杂，可能难以建立控制系统的稳定性分析稳定的系统不稳定的系统临界稳定系统系统受到扰动后能够迅速恢复到平衡状态，系统在受到扰动后会发生振荡甚至失控，无系统处于稳定与不稳定之间的临界状态，微并保持稳定运行法正常运行小的扰动都可能导致系统失稳劳斯胡维兹判据-稳定性判据特征多项式用于确定线性时不变系统是否稳定通过构建系统的特征多项式来判断稳定性劳斯表稳定性判定通过构建劳斯表来分析特征多项式如果劳斯表第一列的所有元素均为的系数正数，则系统稳定根轨迹法绘制根轨迹

1.1根据开环传递函数，确定根轨迹的起点和终点，并绘制根轨迹的形状确定根轨迹的分支

2.2根据开环传递函数的零点和极点，确定根轨迹的分支数量和方向确定根轨迹与虚轴的交点

3.3利用根轨迹方程，求解根轨迹与虚轴的交点确定根轨迹的渐近线

4.4根据开环传递函数的零点和极点，确定根轨迹的渐近线的角度和交点根轨迹法是一种图形化的分析方法，用于确定闭环系统的极点位置，从而分析系统的稳定性和性能通过绘制根轨迹，可以直观地观察系统参数的变化对系统稳定性的影响稳定性的评价指标阻尼比自然频率

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22.阻尼比反映系统振荡衰减的速自然频率表示系统自由振荡时度，值越大，振荡衰减越快，的频率，值越高，系统响应越系统越稳定快相位裕度增益裕度

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44.相位裕度反映系统对扰动的抵增益裕度反映系统对参数变化抗能力，值越大，系统越稳定的敏感度，值越大，系统对参数变化越不敏感控制系统的校正与优化性能指标校正方法控制系统优化旨在改善性能指标，例如响应速度、稳定性、抗扰动常用的校正方法包括比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，以能力等及各种组合控制方法，例如PID控制通过调整系统参数，可以优化系统响应，使其更快速、更稳定、对这些方法通过引入不同的控制策略，有效地改善系统性能，满足实干扰更不敏感际应用需求比例积分微分控制器--比例控制积分控制微分控制根据偏差大小调整控制输出，响应迅速但无累积偏差并调整输出，消除稳态误差，但响预测偏差变化趋势，提前调整输出，提高系法消除稳态误差应速度慢统响应速度和抗干扰能力控制器的设计PID确定控制目标首先确定控制系统要达到的目标，例如，调节系统输出到设定值，或者跟踪某个参考信号选择控制器类型根据控制系统需要达到的性能要求，选择合适的PID控制器类型，例如，PI控制器、PD控制器或PID控制器确定参数根据控制目标和系统模型，确定PID控制器的参数，例如，比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd仿真与调试通过仿真和实验，调试PID控制器的参数，确保控制器能够满足控制目标带有时滞的控制系统时滞的影响时滞模型稳定性分析时滞是指信号从输入端到输出端传播所需的常用的时滞模型包括帕德逼近和延迟项，用时滞的存在会降低系统的稳定裕度，导致系时间，会对控制系统的稳定性和性能产生负于分析和设计控制系统统更容易出现振荡或不稳定现象面影响数字控制系统数字信号处理工业自动化计算机控制数字控制器使用数字信号处理技术，将模拟数字控制系统广泛应用于工业自动化领域，数字控制器通常由计算机或微处理器控制，信号转换为数字信号进行处理例如机器人控制和过程控制实现实时数据采集和控制执行状态反馈控制状态反馈优势状态反馈控制系统使用系统状态变量来计状态反馈控制可以改善系统的稳定性.算控制信号.状态反馈控制可以提高系统性能指标.状态反馈控制系统使用系统状态变量作为反馈信号.观测器设计估计系统状态基于模型的估计12观测器是一种动态系统，可通观测器利用系统的数学模型，过测量输出信号和已知模型来并通过测量输出来推断状态变估计系统的内部状态量，即使无法直接测量这些变量反馈控制提高控制性能34观测器估计的系统状态可以反观测器可用于改善系统性能，馈到控制器中，以便进行更精尤其在某些状态变量无法直接确的控制测量的情况下鲁棒控制系统抗扰性能稳定性适应性面对噪声、参数变化、模型误差，系统依然系统在各种情况下保持稳定，不会出现振荡系统能够适应外部环境的变化，并保持预期能稳定运行或发散性能自适应控制系统环境变化参数估计自适应控制系统可根据环境变化调自适应控制系统会在线估计系统参整控制策略，提高控制精度和鲁棒数，不断优化控制参数性在线学习自适应控制系统通过在线学习不断优化控制策略，适应各种环境变化应用案例分享本节将分享一些实际应用案例，展示如何将所学控制理论知识应用于实际工程问题中，包括•工业机器人控制系统•无人机飞行控制系统•智能交通系统课程小结关键概念实践方法

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22.本课程介绍了控制系统设计的涵盖了建模、分析、设计和优基本理论和方法化等关键步骤应用案例未来展望

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44.通过案例分析，了解控制系统掌握现代控制理论，为未来更在实际应用中的重要性深入的研究奠定基础问题讨论本节课内容结束后，大家可以自由提问，老师会耐心解答课后也可以通过邮件、微信等方式进行交流。