[工学]东北大学 自动原理课件

自动控制原理概述-自动控制原理是现代工程技术的基础，它研究了如何利用自动控制系统来实现对各种工业过程、机械设备和电子系统的控制自动控制系统的基本概念控制对象控制器传感器设定值被控制的机器或过程，例如机用于改变控制对象的输出，以测量控制对象的输出并将其反期望的控制对象输出值，由用器人手臂、发动机或温度控制满足设定目标馈给控制器户设定系统自动控制系统的组成控制器执行器12接收反馈信号，并根据设定值根据控制信号，驱动被控对象和误差信号，产生控制信号，执行控制命令被控对象传感器34需要被控制的系统，例如电机测量被控对象的实际状态，并、温度、压力等将信息反馈给控制器控制系统的数学建模模型建立1系统方程推导模型类型2微分方程、传递函数、状态空间模型模型简化3线性化、降阶、忽略非主要因素控制系统数学建模是将实际系统用数学方程描述的过程它有助于分析系统行为、预测系统响应、设计控制器，并优化系统性能一阶系统的时域分析参数时间常数稳态增益τK定义系统响应时间系统最终输出值与输入值之比影响响应速度输出幅度二阶系统的时域分析二阶系统时域分析关注系统对输入信号的响应特性，例如上升时间、峰值时间、稳定时间等稳定性分析定义重要性系统在受到扰动后是否能恢复到稳定性是自动控制系统基本要求,.原平衡状态.分析方法根轨迹法频率响应法等等,,.根轨迹法绘制步骤1根轨迹法通过绘制闭环极点随系统增益变化的轨迹，以分析系统稳定性和性能稳定性分析2根轨迹的走向和位置可以判断系统稳定性，以及不同增益下系统的响应特性性能指标3通过根轨迹，可以评估系统的超调量、振荡频率和上升时间等性能指标频率响应法频率响应曲线对不同频率的正弦信号进行输入，记录输出信号的幅值和相位变化传递函数通过频率响应曲线，可以得到系统的传递函数，用于分析系统的动态特性稳定性判断根据频率响应曲线，可以判断系统的稳定性，以及系统的相位裕度和增益裕度控制器设计利用频率响应法，可以设计控制器，以改善系统的性能控制器的设计PID比例控制积分控制微分控制比例控制根据偏差的大小输出控制信号，积分控制消除静态误差，积分系数越大，微分控制抑制超调，微分系数越大，抑制比例系数越大，控制作用越强消除静态误差的速度越快超调的效果越明显状态空间法状态变量1描述系统状态的最小变量集合状态方程2描述系统状态变化规律输出方程3描述系统输出与状态变量的关系离散系统的数学模型12差分方程脉冲传递函数描述系统输入和输出之间的关系，反描述系统对单位脉冲输入的响应，是映系统动态特性离散系统频率特性的重要指标3状态空间模型使用矩阵形式描述系统的状态变量，便于分析复杂系统离散系统的时域分析时域分析是研究离散系统在时间域内的响应特性，包括阶跃响应、脉冲响应和频率响应等离散系统的频域分析频率响应描述系统对不同频率的正弦输入信号的响应幅频特性输出信号幅值随输入信号频率变化的曲线相频特性输出信号相位随输入信号频率变化的曲线数字控制系统的设计采用数字计算机实现控制算法，以提选择合适的数字控制器和传感器，并高控制系统的精度、可靠性和灵活性进行相应的参数调节和优化根据系统性能指标，对数字控制系统进行仿真和分析，确保其稳定性和可靠性延迟系统的分析延迟系统是指系统输入信号和输出信延迟现象在现实世界中十分常见，例号之间存在时间差的系统如数据传输、信号处理、机械运动等分析延迟系统需要考虑延迟对系统性能的影响，例如稳定性、响应速度、精度等非线性系统的分析模型复杂性行为复杂非线性系统数学模型更为复杂，非线性系统的行为难以预测，可难以用线性方法进行分析能出现跳跃、振荡、混沌等现象分析方法常用的分析方法包括相平面法、描述函数法、李雅普诺夫稳定性理论等最优控制理论目标函数约束条件求解方法找到控制信号，使系统性能指标达到最优系统状态和控制信号的约束微积分变分法、动态规划、最大值原理等鲁棒控制理论不确定性处理性能保证鲁棒控制理论针对系统参数的不鲁棒控制的目标是保证系统在各确定性，旨在设计出即使在存在种条件下都能保持良好的性能，扰动或不确定性时也能稳定运行例如跟踪性能、稳定性和抗干扰的控制系统能力应用广泛鲁棒控制广泛应用于航空航天、机器人、工业过程控制等领域，以应对实际系统中存在的不可预测因素自适应控制理论环境变化在线学习应用广泛自适应控制系统能够适应系统参数和环境通过收集实时数据，自适应控制器不断调自适应控制在许多领域都有应用，例如机变化，即使在不可预测的条件下也能保持整其参数，以优化系统响应并提高性能器人控制、航空航天、过程控制和生物医稳定和性能学工程模糊控制理论基于规则的控制广泛应用模糊控制利用语言规则和模糊集来模拟人类的决策过程，使系统能模糊控制在工业过程控制、机器人控制、消费电子产品等领域取得够处理不确定性和非线性问题了成功应用，展现出其强大的实用性神经网络控制自适应学习非线性建模神经网络可以从数据中学习，自神经网络可以用来近似复杂的非动调整控制参数以适应系统变化线性系统，克服传统方法的局限和不确定性性鲁棒性强神经网络控制器对噪声和扰动具有较强的抵抗力，提高系统可靠性案例分析电机控制系统1电机控制系统是自动控制领域的重要应用之一，广泛应用于工业自动化、机器人技术、航空航天等领域本案例将以电机控制系统为例，介绍自动控制原理在实际工程中的应用，包括系统建模、控制器设计、性能分析等方面案例分析飞行器控制系统2飞行器控制系统是自动控制理论的典型应用之一它涉及到飞机、导弹、无人机等飞行器的姿态、速度、高度、航向等参数的控制这些系统通常具有高度的非线性、多变量、复杂性，需要使用先进的控制理论和技术来实现精确的控制例如，飞机的自动驾驶仪通过传感器感知飞机的姿态和速度，然后根据预设的航线和飞行状态，发出指令控制飞机的舵面和发动机，从而实现飞机的自动飞行案例分析工业过程控制系统3工业过程控制系统应用广泛，例如化工、电力、冶金、食品等行业自动控制原理在这些系统中发挥着重要作用，提高生产效率、降低成本、保证产品质量例如，在化工生产过程中，控制温度、压力、流量等关键参数，可以保证反应过程顺利进行，并提高产品产量和质量在电力系统中，自动控制可以保证电网稳定运行，防止事故发生自动控制发展趋势人工智能与自动控制融合，实现更复杂系统云计算和大数据技术的应用，提升控制系统机器人技术与自动控制结合，推动工业自动的智能化控制效率与可靠性化升级与智能制造总结与展望课程回顾未来发展本课程介绍了自动控制系统的基自动控制技术将继续发展，人工本原理和应用，涵盖了从系统建智能、大数据、云计算等新技术模到控制器设计等多个方面将为自动控制提供新的机遇和挑战参考文献周立军自动控制原理第版北京科学出版社陈伯时谢立信自动控制原理第版北京清华大学出版.4[M].:,

2015.,.7[M].:社,

2019.。