东北大学自动原理课件

东北大学自动原理课件欢迎来到东北大学自动原理课程！本课件将带您深入了解自动原理，包括基本概念、理论知识、实际应用以及最新研究成果自动控制系统的组成控制器被控对象12控制器是自动控制系统的核心被控对象是被控制的系统或过，负责接收反馈信号，并根据程，通常是需要进行调节或控预设的控制规律发出控制指令制的目标执行机构传感器34执行机构负责将控制指令转换传感器负责测量被控对象的实为实际的控制动作，例如调节际状态，并将测量结果转化为阀门或改变电机转速反馈信号反馈控制系统的特点精确性稳定性适应性通过反馈回路，系统能够更精确地跟踪设定反馈控制系统通常具有较高的稳定性，可以通过反馈，系统可以自动适应环境变化，保值，减少偏差抵御外部干扰和内部变化持稳定的性能数学建模系统描述1方程或函数参数确定2实验或理论分析模型验证3仿真或实验比较数学建模是将实际问题转化为数学模型的过程，用于分析、预测和控制系统行为通过建立数学模型，我们可以用数学语言描述系统的特性，并进行模拟和分析微分方程简介定义分类描述一个或多个未知函数与其导根据未知函数的个数、方程的阶数之间关系的方程数、系数等进行分类应用广泛应用于物理、化学、生物、工程等领域微分方程的性质唯一性连续性可微性对于给定的初始条件，微分方程的解通常微分方程的解通常是连续的，这意味着解微分方程的解通常是可微的，这意味着解是唯一的的值随着自变量的变化而平滑地变化的导数存在微分方程的求解方法分离变量法将微分方程中包含不同变量的项分别移到方程两侧，然后对两侧进行积分得到方程的解常数变易法将线性齐次微分方程的解看成是常数，然后通过求解新的微分方程得到方程的解拉普拉斯变换法将微分方程变换到拉普拉斯空间，然后利用拉普拉斯变换的性质求解方程，最后再将解变换回时域微分方程的应用电学领域航空航天领域生物学领域传递函数的概念系统输入与输出频率响应数学模型描述系统输入和输出之间的关系反映系统对不同频率信号的响应特性提供系统行为的简洁数学表示传递函数的求解建立微分方程1根据系统结构图和元件特性，建立系统的微分方程拉普拉斯变换2对微分方程进行拉普拉斯变换，将微分方程转换为代数方程求解传递函数3通过代数运算，求解输出与输入的拉普拉斯变换之间的关系，即传递函数系统的稳定性分析定义重要性一个系统是否稳定，是指当系统受到扰动后，系统能否在有限时稳定性是自动控制系统的一个重要性能指标，因为不稳定的系统间内恢复到其初始状态或一个新的平衡状态会导致系统失控，甚至造成灾难性的后果根轨迹法系统稳定性1分析系统稳定性，判断是否稳定或临界稳定参数变化2研究系统参数变化对稳定性的影响，确定稳定性范围控制器设计3设计控制器，改善系统性能指标，达到预期控制效果频域分析法频率响应描述系统对不同频率正弦信号的响应伯德图系统频率响应的图形表示稳定性分析判断系统是否稳定，并预测其动态性能设计校正通过调节系统参数来改善其稳定性和性能伯德图伯德图是频率响应曲线的一种图形表示方法，它将频率响应函数的幅度和相位分别绘制在两个坐标系中，坐标系横轴为频率，纵轴分别为幅度和相位伯德图可以直观地显示系统的频率特性，方便分析系统的稳定性、带宽、相位裕度等性能指标纳氏图纳氏图是频率响应曲线的一种表示方法，以频率为横坐标，以幅频特性和相频特性的模值的对数为纵坐标绘制该图能够直观地显示系统的频率响应特性，方便分析系统的稳定性、带宽、相位裕量等参数纳氏图的绘制方法是将频率响应曲线在复平面上进行投影，投影点形成一条曲线，称为纳氏曲线该曲线的形状反映了系统的频率响应特性，例如曲线的斜率表示系统的增益，曲线的拐点表示系统的谐振频率控制系统的性能指标快速性稳定性准确性系统对输入信号变化的响应速度系统在扰动作用下能否保持稳定运行系统输出信号与期望值之间的偏差超调量和设计要求超调量设计要求12系统对阶跃输入的响应过程中根据实际应用需求，确定超调，输出值超过稳态值的百分比量指标，例如，对于控制精度要求较高的系统，超调量应尽可能小校正网络简介定义类型校正网络是用来改善控制系统性常见的校正网络包括比例（P）、能的电路，通过改变系统的频率积分（I）、微分（D）、超前、特性来提高稳定性、快速性和准滞后、超前-滞后、和复合校正网确性络等应用在实际工程中，校正网络被广泛应用于各种控制系统中，如电机控制系统、机器人控制系统、航空航天控制系统等常用校正网络超前校正网络滞后校正网络超前-滞后校正网络增加系统带宽，提高快速性，减小稳态误差改善系统的稳定性，减小超调，但会降低系结合超前和滞后校正网络的优点，提高系统统响应速度性能比例积分微分控制器--比例控制积分控制微分控制比例控制根据偏差的大小进行控制，偏差积分控制可以消除稳态误差，但响应速度微分控制可以预测未来的偏差，并提前进越大，控制作用越大比例控制可以快速较慢积分控制可以累积过去的偏差，并行控制，从而提高系统的响应速度和稳定响应，但无法消除稳态误差根据累积的偏差进行控制性状态变量法定义1状态变量法是一种描述和分析动态系统的方法它将系统的状态用一组变量来表示，这些变量被称为状态变量状态变量通常是系统的物理量，例如位置、速度、电流、电压等优势2状态变量法具有以下优势能够描述非线性系统、适用于多输入多输出系统、可用于系统分析和设计应用3状态变量法被广泛应用于各种工程领域，例如自动控制、电力系统、航空航天等状态方程的建立选择状态变量1确定系统的状态变量，例如位置、速度、电压等建立微分方程2根据系统的物理特性，建立状态变量之间的微分方程组矩阵形式表达3将微分方程组转化为矩阵形式，即状态方程状态方程描述了系统状态随时间的变化规律，是系统分析与设计的重要基础状态反馈控制系统控制信号反馈路径利用系统状态信息产生控制信号通过状态反馈将状态信息反馈到控制器闭环控制形成闭环控制系统，提高系统性能状态观测器状态估计反馈控制状态观测器用于估计系统的内部状态观测器通过估计状态变量，状态变量，即使这些变量无法直提供反馈信息，用于控制系统的接测量闭环控制鲁棒性状态观测器可以改善系统对噪声和干扰的鲁棒性，提高控制精度离散系统的状态方程状态变量1描述系统状态的变量状态方程2描述系统状态变量随时间变化的关系输出方程3描述系统输出与状态变量的关系离散系统是指其输入、输出和状态变量都是离散时间信号的系统离散系统的状态方程描述了系统在离散时间点上的状态变化状态方程是离散系统分析和设计的核心工具离散系统的稳定性稳定性定义稳定性判据12当输入为零时，系统输出在有使用特征值、极点、频率响应限时间内收敛到零的状态等方法判断系统的稳定性稳定性分析3通过分析系统传递函数的极点位置来评估稳定性变换及应用Z离散信号1将连续信号转化为离散信号Z变换2将离散信号转换为复频域函数系统分析3分析系统的稳定性、频率响应等系统设计4设计数字控制器，实现期望的系统性能数字控制系统设计模型选择选择合适的离散时间模型，例如状态空间模型或传递函数模型，以代表系统行为控制器设计设计数字控制器，例如PID控制器，以满足系统性能要求，例如稳定性、跟踪性能和抗扰性能实现与仿真使用数字信号处理器（DSP）或微控制器实现数字控制器，并进行仿真以验证其性能调试与优化在实际应用中调试数字控制器，并根据需要进行优化，以确保系统达到预期性能数字控制系统仿真1234模型建立仿真软件参数调整结果分析根据系统方程或传递函数构选择合适的仿真软件，如通过仿真结果调整控制器的分析仿真结果，验证控制系建数字控制系统的数学模型MATLAB、Simulink等，进参数，以获得最佳的控制性统的设计是否满足预期要求行仿真实验能自动控制系统综合设计需求分析1明确系统目标，确定性能指标方案设计2选择合适的控制结构，确定控制器参数仿真验证3利用仿真软件验证设计方案，优化系统性能实际实现4将设计方案转化为实际系统，进行调试和测试综合设计过程需要考虑各种因素，例如系统稳定性、快速性、精度、鲁棒性等同时，还需要考虑成本、安全性、可维护性等实际问题结语与展望自动控制原理是现代科学技术的重要基础，它在各个领域发挥着至关重要的作用未来自动控制领域将更加智能化、网络化和个性化，并与人工智能、大数据等技术深度融合，为人类社会发展带来新的机遇和挑战。