《绪论自动控制理论》课件

绪论自动控制理论自动控制理论是工程领域的重要基础理论该理论研究的是如何利用反馈控制实现对系统行为的精确控制自动控制的概念和历史发展自动控制的概念自动控制的历史发展自动控制是指在没有人直接参与的情况下自动控制技术起源于古代，例如水钟、风，利用机器或装置，按照预定的目标和规车等现代自动控制理论则是在20世纪律，对被控对象进行控制，使之自动地按初，随着工业生产的发展而迅速发展起来要求运行的自动控制系统的基本构成被控对象传感器被控对象是自动控制系统要控制传感器用来测量被控对象的实际的对象，它可以是一个机器、设状态，例如温度、压力、速度等备或过程例如，一个自动驾驶，并将其转换为电信号汽车的被控对象是汽车本身控制器执行机构控制器接收来自传感器的信号，执行机构是根据控制器的指令，并根据预先设定好的控制算法，对被控对象进行控制，例如改变输出控制信号，作用于执行机构速度、温度、压力等开环和闭环系统的区别开环系统闭环系统系统输出不受系统输入的反馈控制简单易实系统输出被反馈到输入端，形成闭环，用于控现，但抗干扰能力差，精度不高制系统输出的误差抗干扰能力强，精度高，但结构复杂传感器和执行机构的作用

11.传感器

22.执行机构传感器将物理量转换为电信号执行机构将电信号转换为物理，例如温度、压力、流量量，例如电机旋转、阀门开闭

33.闭环控制传感器感知被控量，控制器根据偏差输出控制信号，执行机构执行控制器的作用和分类调节系统输出提高系统性能控制策略分类控制器接收反馈信号并计算出控制信号，以控制器可以改善系统响应速度、稳定性、抗控制器根据不同的控制策略可以分为比例控调节系统输出，使其符合预设目标干扰能力等，提高系统的整体性能制器、积分控制器、微分控制器、PID控制器、自适应控制器等数学建模的基本方法微分方程建模传递函数建模状态空间建模微分方程建模是利用微分方程传递函数建模是一种基于拉普状态空间建模是利用状态变量描述系统动态特性的方法，适拉斯变换的建模方法，适用于描述系统动态特性的方法，适合描述系统内部变量之间的时线性时不变系统合描述多输入多输出系统间关系它描述了系统输入与输出之间例如，描述机械系统的运动方的关系，可以方便地进行系统它可以描述系统的内部状态，程、电路系统的电压电流关系分析和设计方便进行系统分析和设计等微分方程建模系统描述1通过物理定律和基本原理微分方程2建立系统的数学模型求解方程3获得系统输出响应微分方程建模是一种经典的系统分析方法，通过描述系统变量之间的动态关系来建立数学模型这种方法在机械、电子、热力学等领域有着广泛的应用传递函数建模定义传递函数描述输入与输出之间的关系，在拉普拉斯变换域内进行步骤•建立系统微分方程•对微分方程进行拉普拉斯变换•求解输出与输入之间的关系•得到传递函数优点传递函数提供了一种简洁、直观的系统描述，便于分析和设计应用传递函数在系统分析、设计和仿真中被广泛应用，例如，用于确定系统稳定性、响应速度和稳态误差状态空间建模系统状态变量1描述系统动态行为的关键变量状态方程2描述状态变量随时间的变化规律输出方程3描述系统输出与状态变量的关系状态空间模型用一组微分方程描述系统的行为，比传递函数模型更全面它不仅可以描述系统的输入输出关系，还可以描述系统的内部状态，为分析和设计系统提供更多信息时域分析的基本概念

11.响应特性

22.瞬态响应时域分析研究系统对不同输入信号的输瞬态响应是指系统在受到扰动后，从初出响应，如阶跃响应、脉冲响应等，以始状态到稳定状态的变化过程，体现系了解系统的动态特性统的快速性和稳定性

33.稳态响应

44.指标分析稳态响应是指系统在扰动消除后，最终时域分析通过观察系统响应的波形，并达到的稳定状态，反映系统对输入信号计算上升时间、峰值时间、超调量、调的跟踪能力节时间等指标来分析系统的性能瞬态响应指标瞬态响应指标是用来描述系统在受到外部扰动后，其输出量随时间变化的特征，反映系统对扰动的快速反应能力常见的瞬态响应指标包括上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和稳定时间等1020上升时间峰值时间从输入信号发生变化到输出信号达到稳态值的90%的输出信号达到峰值的时间时间3040调节时间超调量输出信号到达稳态值并保持在一定范围内的时间输出信号达到峰值时与稳态值的差值稳态误差指标稳态误差描述位置误差系统输入为阶跃信号时，输出与输入之间的偏差速度误差系统输入为斜坡信号时，输出与输入之间的偏差加速度误差系统输入为抛物线信号时，输出与输入之间的偏差根轨迹法分析系统性能根轨迹定义1根轨迹是系统开环极点随开环增益变化的轨迹该方法可用于分析系统稳定性、速度和阻尼特性绘制根轨迹2使用根轨迹绘制规则，可以绘制系统开环极点随增益变化的轨迹，并确定闭环极点的分布性能分析3通过分析根轨迹图，可以确定系统稳定裕度、响应速度和阻尼特性，从而判断系统是否满足设计要求频域分析的基本概念幅频特性相频特性伯德图奈奎斯特图描述系统对不同频率正弦信号描述系统对不同频率正弦信号将幅频和相频特性绘制在同一将系统在复频域中的频率响应的幅值放大倍数的相位变化坐标系中绘制在复平面上幅频和相频特性幅频特性是指系统在不同频率的正弦信号输入下，输出信号幅值变化的特性它反映了系统对不同频率信号的放大或衰减程度相频特性是指系统在不同频率的正弦信号输入下，输出信号相位变化的特性它反映了系统对不同频率信号的相位延迟或超前程度稳定性判别准则根轨迹法奈奎斯特判据根轨迹法是一种图形化方法，通奈奎斯特判据是基于开环传递函过绘制系统特征根的轨迹来判断数的频率响应来判断系统稳定性系统稳定性劳斯-赫维茨判据李雅普诺夫稳定性劳斯-赫维茨判据是一种代数方法李雅普诺夫稳定性理论利用能量，通过计算特征方程的系数来判函数来判断系统稳定性断系统稳定性系统校正的基本方法优化系统性能提高系统稳定性、快速性、准确性等性能指标消除或减弱干扰外部干扰会影响系统正常工作，校正可以有效地减轻干扰影响改善动态特性通过校正，使系统能够快速、平稳地响应外界信号比例控制器的设计123比例增益控制效果实验调整比例控制器的设计主要围绕比例增益的比例增益影响系统的动态响应和稳态误通过实验调整比例增益，以达到最佳的确定差控制效果积分控制器的设计积分作用原理积分控制通过累积误差信号，逐渐消除系统稳态误差，提高控制精度积分作用可以消除系统稳态误差，但会减慢系统响应速度积分时间常数积分时间常数决定了积分作用的强度，影响系统响应速度和稳态误差时间常数越大，积分作用越弱，系统响应速度越快，稳态误差越大积分控制器设计积分控制器设计通常考虑系统稳定性、响应速度和稳态误差等指标需要根据实际应用场景和系统特点进行合理的参数选择微分控制器的设计微分控制器的作用改善系统响应1提高系统稳定性微分控制器的原理2对系统误差变化率进行反馈增加系统阻尼微分控制器的应用3提高系统响应速度抑制系统振荡微分控制器通过对误差变化率进行反馈，增加系统阻尼，提高系统响应速度，抑制系统振荡微分控制器的应用范围广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人等领域控制器的设计PID参数整定1根据系统特性，确定比例、积分、微分系数仿真测试2在仿真环境中验证控制器性能实际应用3将控制器应用于实际系统性能优化4根据实际情况调整控制器参数PID控制器是一种常用的控制策略，它通过调节比例、积分和微分系数来改善系统性能分段线性控制器设计原理介绍分段线性控制器根据控制系统状态的不同，选择不同的线性控制律设计步骤•确定系统工作区域•设计每个区域的线性控制器•选择切换规则优势分段线性控制器具有较强的非线性系统控制能力，能够提高系统性能应用场景分段线性控制器常用于非线性系统，如机器人控制、飞行器控制等领域模糊控制器的设计模糊化1将系统的输入和输出量转化为模糊集，并定义隶属度函数模糊推理2根据模糊规则库和模糊化后的输入，进行模糊推理得到模糊控制输出去模糊化3将模糊控制输出转化为具体的控制信号，用于控制系统神经网络控制器的设计网络结构1选择合适的网络结构，例如多层感知器或递归神经网络训练数据2收集足够多的训练数据，以便网络能够学习系统动态训练算法3选择合适的训练算法，例如反向传播算法或梯度下降算法性能评估4评估神经网络控制器在不同工况下的性能，并进行优化神经网络控制器利用神经网络学习系统的动态特性，并根据系统状态进行控制神经网络控制器具有较强的自适应能力，可以处理非线性系统和复杂系统自适应控制的基本思想环境变化自适应控制系统在运行过程中，参数会发生改变，例如负载变化或扰动自适应控制可以根据环境变化自动调整控制参数传统的控制系统难以适应这些变化，可能会导致性能下降通过不断学习和适应，提高系统的性能和稳定性状态观测器的设计状态观测器的应用1估计无法直接测量的系统状态变量，并用于闭环控制系统状态观测器设计2通过设计观测器模型，对系统状态进行估计观测器误差分析3评估观测器估计值的精度，确保其满足控制要求观测器实现4基于微处理器或数字信号处理器，实现状态观测器算法状态观测器在实际应用中发挥着重要作用，例如汽车动力系统、机器人控制、航空航天等领域鲁棒控制的基本思想不确定性抗干扰性自适应性鲁棒控制旨在解决系统模型的不确定性，例即使在存在模型不确定性的情况下，鲁棒控鲁棒控制系统可以适应环境变化和参数漂移如参数变化、噪声干扰、外部扰动等制系统也能保持良好的性能，保证稳定性和，通过调整控制策略来保持稳定性跟踪精度结语和展望自动控制理论在现代工业和生活中发挥着至关重要的作用未来，自动控制理论将继续发展，为智能制造、机器人技术、人工智能等领域提供更先进的技术支持。