哈工大自动控制原理课件

哈尔滨工业大学自动控制原理课件本课程讲解自动控制系统基础理论，涵盖反馈控制、稳定性分析、频率响应、系统设计等内容课程概况课程名称课程性质授课目标学习内容自动控制原理专业必修课程掌握自动控制系统的基本理课程内容包括线性系统分析、论、分析方法和设计原理经典控制理论、现代控制理论、数字控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等控制系统的定义与特点自动控制系统核心要素12控制系统的定义:使被控对象按包括被控对象、控制器和传感照预定的目标运行器，它们共同构成一个闭环系统特点应用范围34自动控制系统可以提高生产效在工业生产、航空航天、军事率、安全性、稳定性和精确装备等各个领域都有广泛的应性用信号与系统的基本概念时域分析时域分析描述信号随时间的变化规律，例如幅值、频率、相位等频域分析频域分析描述信号的频率成分及其强度，例如信号的频谱特性系统特性系统特性描述系统对输入信号的响应，例如传递函数、脉冲响应常见的控制系统结构开环控制系统闭环控制系统反馈控制系统复合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将反馈控制系统利用反馈回路将复合控制系统将开环和闭环控控制器直接控制执行机构，缺系统输出信号与目标值进行比系统输出信号与目标值进行比制相结合，利用开环控制的快乏对系统输出的实时监测能较，并根据误差进行控制，实较，并根据误差进行控制，实速响应和闭环控制的精确度，力现精准的输出调节现精准的输出调节提高系统的整体性能单环、串级、反馈控制系统分析单环控制系统系统简单，结构清晰，易于分析与设计广泛应用于工业自动化、机器人控制等领域串级控制系统由多个控制回路组成，实现更精准的控制，适用于对输出变量要求较高的场合反馈控制系统通过反馈信号调节控制量，实现对系统输出的精确控制，提高系统的稳定性和抗干扰能力传递函数及其性质定义性质传递函数表示系统输出与输入之传递函数具有线性、时不变性，间的关系，描述系统对不同频率可以用数学公式描述，便于系统信号的响应分析和设计应用意义通过传递函数，可以分析系统稳传递函数是自动控制理论中的重定性、频率响应等特性，并进行要概念，是系统分析和设计的工控制器的设计具之一一阶系统的分析与设计时域分析1一阶系统传递函数形式为Gs=K/Ts+1，其中K为增益，T为时间常数时域分析包括系统响应、阶跃响应、脉冲响应、稳态误差等频域分析2分析系统在不同频率下的响应特性，如频率响应、相频特性、幅频特性等，可以了解系统对不同频率信号的响应能力系统设计3通过调节系统参数，如增益K、时间常数T等，来改善系统的动态性能，满足特定性能指标要求，例如调节时间、超调量、稳定性等二阶系统的分析与设计自然频率1系统自由振荡的频率阻尼比2系统阻尼程度的指标阶跃响应3系统对阶跃输入的响应二阶系统在自动控制中十分常见，其分析与设计对于理解系统性能至关重要通过分析自然频率、阻尼比等参数，可以预测系统的响应特性，并根据需要进行设计优化典型控制器的作用及设计比例控制器P积分控制器I比例控制器根据误差信号的比例进行控制，提高系统响应速度，但积分控制器根据误差信号的积分进行控制，消除系统稳态误差，但不能消除稳态误差会降低系统响应速度微分控制器D PID控制器微分控制器根据误差信号的变化率进行控制，提高系统的稳定性和PID控制器结合了比例、积分和微分的控制作用，可以改善系统的抗干扰能力性能，在工业控制中广泛应用根轨迹法及其应用根轨迹法是一种图形化的分析方法，用于研究闭环系统的稳定性和性能绘制根轨迹1根据开环传递函数，绘制根轨迹图确定闭环极点2根轨迹图上的点表示闭环系统的极点位置分析系统性能3根据极点位置，分析系统的稳定性、响应速度和阻尼比根轨迹法广泛应用于控制系统的设计中，可以帮助工程师根据系统需求选择合适的参数频域分析与设计频域分析是研究控制系统频率响应的方法，主要通过幅频特性和相频特性来分析系统性能频率响应1系统对不同频率信号的响应幅频特性2系统放大倍数随频率变化相频特性3系统相位延迟随频率变化稳定性分析4判断系统稳定性和性能指标频域设计主要通过调整系统参数来改善其频率响应特性，达到期望的性能指标例如，通过调节控制器增益和相位来改变系统带宽、稳定裕度等奈奎斯特稳定性判据开环频率响应稳定性判断基于开环传递函数的频率响应曲通过观察奈奎斯特曲线是否包围线，即奈奎斯特曲线-1,0点来判断闭环系统的稳定性相位裕度增益裕度奈奎斯特曲线与负实轴交点的相奈奎斯特曲线与单位圆交点对应位角，用于衡量系统对扰动的稳的增益，用于衡量系统对参数变定性化的稳定性米波稳定性判据频率响应米波稳定性判据利用频率响应来判断系统的稳定性相位裕度相位裕度表示系统在穿越频率处的相位滞后量增益裕度增益裕度表示系统在穿越频率处需要增加多少增益才能使系统不稳定相空间分析方法相轨迹1相空间分析方法通过绘制系统的状态变量随时间的变化轨迹来研究系统行为奇点2分析相轨迹在相空间中的奇点，例如稳定点、鞍点和不稳定点，可以揭示系统的平衡状态和稳定性极限环3对于非线性系统，相轨迹可能会形成极限环，表明系统在某种周期性状态下运行非线性系统分析与设计非线性系统概述分析方法设计方法案例分析非线性系统是指其输出与输入非线性系统分析方法主要包括非线性系统设计方法包括反馈本课程将介绍一些非线性系统之间不满足线性关系的系统相平面法、李雅普诺夫稳定性线性化、滑模控制等案例，例如机器人控制、电力理论等电子系统等这些方法可以用于设计非线性非线性系统在现实世界中广泛这些方法可以用于判断非线性系统的控制器，使其满足特定通过案例分析，学生可以更好存在，如机械系统、电力系系统的稳定性、周期性、混沌的性能要求地理解非线性系统分析与设计统、生物系统等等特性的方法控制器的分析与设计PIDPID控制器结构PID参数整定工业应用PID控制器包含比例（P）、积分（I）和微通过调节PID参数，可以优化控制系统的性PID控制器广泛应用于工业过程控制，例如分（D）三个控制环节，每个环节都有其独能，例如响应速度、稳定性和抗扰性温度控制、流量控制和压力控制特的控制作用状态反馈控制及其应用状态反馈控制系统性能优化应用场景状态反馈控制利用系统全部状态变量进行反状态反馈可以有效地改善系统稳定性，提高广泛应用于工业自动化、机器人控制、航空馈控制它可以实现精确的闭环系统性能系统响应速度，减小系统误差航天等领域，实现精准的运动控制和稳定性观测器与状态估计

11.状态观测器

22.状态估计器状态观测器是根据系统的输入和输出信号，估计系统内部状状态估计器通常应用于状态不可直接测量的系统，通过观测态的装置器来估计系统内部状态

33.观测器类型

44.状态估计应用常见观测器类型包括Luenberger观测器、卡尔曼滤波器状态估计在自动控制、导航、故障诊断等领域有着重要的应等，它们在工程领域广泛应用用，例如无人机、机器人、车辆等离散时间系统的分析与设计系统建模离散时间系统通常用差分方程或传递函数表示，以描述系统输入和输出之间的关系系统分析利用z变换等工具分析系统的稳定性、响应特性、频率特性等系统设计根据系统性能指标设计控制器，使系统满足特定要求，例如稳定性、快速性、精度等数字控制器的实现将设计的控制器转化为数字实现，并进行数字控制器的硬件或软件实现变换及其性质z定义性质z变换将连续时间信号转换为离散z变换具有线性、时移、卷积等性时间信号，将时域信号转换为复质，这些性质可以简化数字控制频域信号，为数字控制系统的分系统的计算和分析析与设计提供工具应用z变换可用于分析和设计数字控制系统，如系统稳定性分析、控制器设计和系统仿真等数字控制系统的分析与设计数字控制系统是指利用数字信号处理器DSP或微控制器等数字器件实现控制功能的系统相较于传统的模拟控制系统，数字控制系统具有更高的精度、更强的灵活性、更易于实现复杂算法等优势建模与分析1对数字控制系统进行数学建模，并利用Z变换等工具进行分析设计与实现2基于分析结果设计控制器，并利用DSP或微控制器进行实现测试与调试3对数字控制系统进行测试，并进行必要的调试优化应用4广泛应用于工业自动化、机器人控制、航空航天等领域自适应控制系统自适应控制关键技术自动调整控制参数，适应环境变化和系统参数变化•参数辨识•自适应律设计提高控制性能和系统鲁棒性•稳定性分析模糊控制系统模糊逻辑应用领域设计流程将人类语言描述的控制规则转化为模糊集和广泛应用于非线性、不确定性强、难以建立包括模糊化、模糊推理、解模糊等步骤，通模糊推理，实现对复杂系统的控制精确数学模型的系统，如汽车控制、机器人过模糊规则库和隶属度函数实现对系统的控控制等制神经网络控制系统神经网络结构应用场景学习能力自适应性神经网络控制系统使用人工神在机器人控制、过程控制和航神经网络可以通过学习数据来神经网络控制系统具有自适应经网络来近似和学习复杂系统空航天等领域得到应用适应环境变化，并提高控制性性和鲁棒性，可以处理不确定动力学能性现代控制系统综合设计系统建模根据实际控制对象建立数学模型，并分析模型特性，确定系统状态变量、控制输入和输出控制器设计利用现代控制理论方法，如状态反馈、观测器设计，以及自适应、模糊和神经网络控制技术，设计合适的控制器仿真验证利用仿真软件验证设计的控制器是否满足性能指标，并进行参数调整和优化，以确保系统稳定性和鲁棒性实验验证在实际系统中进行实验验证，并根据实验结果进行参数微调，最终实现系统性能优化自动控制系统案例分析本节将深入探讨实际应用中的自动控制系统案例，并分析其原理和设计方法例如，航空器飞行控制系统、工业机器人控制系统、智能交通系统等等通过对实际案例的分析，学生可以更深入理解自动控制理论在实际工程中的应用，并培养解决实际问题的能力自动控制原理课程总结课程重点学习收获未来展望•控制系统定义与特点掌握控制系统基础理论，分析继续学习高级控制理论，深入和设计基本控制策略，解决实研究非线性系统、自适应控•传递函数分析际控制问题具备运用制、智能控制等领域运用所•典型控制器设计MATLAB等工具进行仿真和设学知识，为工程实践做出贡•状态空间方法计能力献•数字控制系统参考文献与资料

11.教材

22.参考书推荐使用哈工大自动控制原理可参考其他自动控制原理书教材，涵盖经典理论和应用实籍，深化理解和扩展知识例

33.网络资源

44.专业网站利用网络搜索引擎查找相关论访问相关专业网站，获取最新文、资料和视频课程研究成果和技术动态。