自动控制原理课件大全

自动控制原理概述自动控制原理是工程领域的核心学科它研究如何自动调节系统以达到期望的输出本课程将深入探讨控制系统的基本概念、分析方法和设计技术自动控制系统的组成传感器控制器测量系统状态和输出变量根据测量值计算控制信号执行器执行控制信号，调节系统状态反馈控制系统的基本原理测量1传感器测量系统输出比较2将测量值与期望值比较计算3根据误差计算控制信号执行4执行器调节系统输入控制系统的数学建模微分方程状态空间模型描述系统动态行为的数学表达使用状态变量和矩阵方程表示式系统传递函数描述系统输入输出关系的拉普拉斯变换传递函数的求解建立系统方程根据物理定律写出微分方程拉普拉斯变换将时域方程转换为域s代数运算求解方程得到输出与输入的比值化简将结果化简为标准形式时域分析方法暂态响应稳态响应研究系统对阶跃、脉冲等输入的瞬时反应分析上升时间、超研究系统长期运行后的稳定状态分析稳态误差、跟踪性能等调量等指标特性稳定性分析劳斯赫尔维茨判据-1基于特征方程系数的代数判据根轨迹法2分析闭环极点随参数变化的轨迹奈奎斯特判据3基于开环频率特性的图形判据根轨迹法绘制根轨迹分析稳定性12确定起点、渐近线和分离点判断闭环极点是否位于左半平面确定系统性能选择增益34根据极点位置估计系统响应根据性能要求选择合适的闭特性环极点频域分析方法幅频特性相频特性分析系统对不同频率正弦输入的增分析系统对不同频率正弦输入的相益位滞后稳定性判据通过频率特性判断系统稳定性伯德图和奈奎斯特图伯德图奈奎斯特图分别绘制幅频和相频特性横轴为对数频率，纵轴分别为分贝在复平面上绘制频率响应实部为横轴，虚部为纵轴频率从增益和相位角到无穷大变化0控制器PID比例控制积分控制控制信号与误差成正比减小控制信号与误差积分成正比稳态误差，加快响应速度消除稳态误差微分控制控制信号与误差变化率成正比提高系统稳定性，减小超调量继电器反馈系统工作原理1控制信号在两个固定值之间切换滞回特性2引入死区避免频繁切换应用场景3适用于对精度要求不高的简单控制系统优缺点4结构简单，成本低，但存在稳态误差和极限环离散时间系统采样保持将连续信号转换为离散序列在采样间隔内保持信号值不变数字控制使用计算机实现控制算法变换及应用Z定义离散序列的复变换性质线性、时移、卷积定理等反变换部分分式展开法应用离散系统分析与设计状态空间分析方法状态方程输出方程描述系统内部状态变量的变化率使用矩阵形式表示多输入多描述系统输出与状态变量和输入的关系可以表示多个输出变输出系统量可控性和可观测性可控性可观测性系统是否能在有限时间内从任是否能通过有限时间内的输出意初始状态转移到任意终止状完全确定系统的初始状态态判别方法可控性矩阵和可观测性矩阵的秩状态反馈控制极点配置1选择合适的反馈增益矩阵系统性能改善2调整闭环系统的动态特性鲁棒性分析3考虑参数不确定性的影响观测器设计全维观测器1估计所有状态变量降维观测器2仅估计部分不可测状态功能观测器3估计状态变量的线性组合性能评估4分析观测器的收敛速度和精度非线性系统分析平衡点分析相平面分析研究系统的稳定平衡状态研究系统状态轨迹的几何特性线性化方法李雅普诺夫稳定性理论在工作点附近进行线性近似研究系统的整体稳定性描述函数法非线性元件等效用等效增益替代非线性环节谐波平衡分析系统的极限环稳定性判据利用奈奎斯特图判断系统稳定性应用限制仅适用于单值非线性系统李雅普诺夫法直接法1构造李雅普诺夫函数间接法2分析线性化系统特征值不变集原理3分析系统长期行为自适应控制参数估计控制器调整在线识别系统参数根据估计结果调整控制器参数性能优化持续改善系统响应模糊控制模糊化推理机制去模糊化将精确值转换为模糊集使用语言变量基于模糊规则进行推理采用将模糊输出转换为精确控制信号常用IF-THEN描述系统状态和控制量语句表达控制策略重心法或最大隶属度法神经网络控制网络结构学习算法多层感知器、径向基函数网络反向传播、遗传算法等等控制策略直接控制、间接控制、混合控制等分布参数系统控制系统建模1偏微分方程描述控制器设计2考虑空间分布特性稳定性分析3利用泛函分析方法实现技术4分布式传感器和执行器运动控制系统位置控制速度控制轨迹跟踪精确定位机械部件调节运动速度控制复杂运动路径工业过程控制温度控制流量控制压力控制化工反应器、冶金炉等温度调节采用管道系统流量调节使用阀门作为执行容器、管道系统压力调节需要快速响控制器，考虑大滞后特性机构，考虑非线性特性应和防超调设计PID控制系统设计软件自动控制实例分析汽车巡航控制无人机姿态控制化工反应器控制保持车速恒定考虑道路坡度、风阻等稳定飞行姿态处理强耦合多变量系统精确控制反应温度应对大滞后和非线干扰性特性自动控制系统发展趋势智能化网络化结合人工智能技术，提高系统自适应能力和决策水平利用物联网技术，实现分布式协同控制自主化集成化增强系统自主学习和优化能力，减少人工干预多学科交叉融合，如机电一体化、生物启发控制等。