自动控制系教学课件

自动控制系教学课件掌握自动控制理论与实践的核心知识目录12自动控制基础经典控制理论开环闭环数标时频调试控制系统定义、与控制、学建模、性能指域分析、域分析、PID控制器原理与34现代控制方法工程应用与实验实践状态现计应空间分析、代设方法、MATLAB/Simulink用第一章自动控制基础什么是自动控制系统？过馈现调节对状态自动控制系统是一种通反实期望输出的系统，它能够自动被控象的，预标使其达到定目系统组成要素对过被控象需要被控制的设备或程传测转换为感器量系统输出并可用信号计控制器根据期望值与实际值算控制信号执对行器接收控制信号并作用于被控象开环控制与闭环控制开环控制馈仅无反信息，控制器输出基于输入信号结简单•构，成本低•精度有限，抗干扰能力弱时•典型例子定烤箱闭环控制馈续调节环利用反信号持，形成路结杂•构复，精度高•良好的抗干扰能力自动控制系统的数学建模传递函数模型状态空间模型关数数阶组态为描述输入与输出之间系的复函用一微分方程描述系统动行线时•适用于性不变（LTI）系统•适用于多输入多输出系统频计•便于域分析与设时现计•便于域分析与代控制设控制系统的性能指标时域性能指标时时上升间tr输出从10%上升到90%所需间调过稳态超量σ%最大超值的百分比调节时进稳态误带时间ts入并保持在差的间稳态误终差ess系统最输出与期望值的偏差频域性能指标带宽应频围系统能有效响的率范稳相位裕度系统定裕量的度量对增益裕度系统增益变化的容忍度谐频应振峰值率响中的最大峰值计权项标调节时调选择应系统设需要衡各指，例如减小间往往会增加超量，具体取决于场用景的要求反馈控制系统的灵魂馈状态现将反使系统能够感知自身，是实自动控制的核心机制它输出信息返回到输稳入端，使系统能够自我校正，提高定性和精确度第二章经典控制理论时频计掌握域与域分析方法及PID控制器设时域分析方法单位阶跃响应分析阶应观态跃响能直反映系统的动特性，是分析控制系统最常用的方法之一过阶应线通分析跃响曲，可以确定稳•系统的定性态标应•动性能指（响速度、精度）阶数•系统类型与阶应典型跃响类型荡应调欠阻尼有振，响快但超大临调应界阻尼最快无超响过调应较阻尼无超但响慢频域分析方法1频率响应函数对频稳态应数数系统不同率正弦输入的响，用复函Gj\omega表示为为其中|Gj\omega|增益，\phi\omega相位2伯德图（图）Bode图频应用两个表示率响线幅值曲20\log|Gj\omega|vs.\log\omega线相位曲\phi\omega vs.\log\omega3稳定性裕度图读稳从伯德可直接取定裕度为时相位裕度幅值1的相位与-180°的差值为时数增益裕度相位-180°，幅值降至1所需的分贝控制器详解PID组PID控制器是工业控制中最常用的控制器，由三部分成比例（）控制P误应调控制输出与差成正比，增大K_p可提高响速度，但可能增加超和振荡积分（）控制I数调规则误积静态误导荡PID控制器参整的一般控制输出与差分成正比，能消除差，但可能致系统振应稳态误调增大Kp提高响速度，减小差，但可能增加超微分（D）控制稳态误调荡增大Ki消除差，但可能增加超和振调荡增大Kd减小超和振，但可能放大噪声误预测趋势调荡对控制输出与差变化率成正比，能系统，减小超和振，但噪声敏感调节器调试实例PIDZiegler-Nichols调节法调节效果对比将为产荡数组产应

1.先Ki和Kd设0，逐步增大Kp直到系统生等幅振不同参合生的系统响特性记录临荡仅稳态误应较

2.界增益Ku和振周期Tu P控制有差，响快稳态误应计数PI控制消除差，但响变慢

3.根据公式算PID参应稳态PID控制平衡响速度和精度•Kp=

0.6Ku•Ki=2Kp/Tu•Kd=KpTu/8控制器PID工业自动化的基石尽许现简单稳管有多代控制方法，PID控制器因其、定和可靠的特性，至今仍在工业控场额制中占据90%以上的市份第三章现代控制方法状态现计术掌握空间分析与代控制设技状态空间分析基础状态变量与状态方程可控性与可观测性状态态为状态为过将状态转终态变量是描述系统动行所需的最小变量集，方程可控性能否通控制输入系统从任意初始移到任意可控性判据观测过测断内状态其中可性能否通量输出推系统的部状态观测x-向量可性判据u-输入向量y-输出向量阵A,B,C,D-系统矩现代控制设计方法极点配置法过状态馈将通反u=-Kx系统极点放置在期望位置•基于可控性条件态应•直接影响系统的动响特性闭环特征方程detsI-A+BK=0最优控制线调节过标计性二次器（LQR）通最小化性能指设控制器为权阵状态•Q、R重矩，平衡偏差与控制能量获阵•求解Riccati方程得最优增益矩K鲁棒控制计对数设系统参变化和外部干扰不敏感的控制器•H∞控制最小化最坏情况干扰影响综虑结•μ-合考构化不确定性过频换证鲁•滑模控制通高切保系统棒性现代控制系统的优势多变量系统处理能力非线性系统适应性线能够有效处理多输入多输出（MIMO）系统提供处理非性系统的系统化方法关馈线术•自然处理变量之间的耦合系•反性化技计应•提供统一的设框架•自适控制策略杂线观测计•适用于复大系统控制•非性器设计算机辅助设计不确定性处理计强大的算工具支持能够处理模型不确定性和外部干扰数计数鲁偿•高效的值算方法•参变化的棒补结•可视化仿真平台•构性不确定性处理综•自动化控制器合•有界外部干扰抑制在控制系统设计中的应用MATLAB/Simulink功能MATLAB/Simulink线•性系统分析工具箱计•控制系统设工具箱线•非性系统建模与仿真环测试•硬件在（HIL）支持观图编典型应用流程MATLAB/Simulink提供直的形化程界面，支持模计块化系统建模与分析，是控制系统设的强大工具数

1.建立系统学模型开环

2.分析系统特性计

3.设控制器验证闭环

4.仿真性能码现

5.代生成与硬件实摆案例倒立控制系统过状态馈现摆稳鲁通反实倒立的平衡控制，并分析系统的定性和棒性MATLAB/Simulink理论与实践的桥梁现计辅计论应缩代算机助设工具使控制理得以高效用到实际工程中，极大短了从概念到现实的周期第四章工程应用与实验实践将论应问题控制理用于实际工程自动控制系统的工程应用案例航天飞行器姿态控制智能交通信号控制工业机器人运动控制进态时数时现轨利用推器和陀螺系统精确控制航天器姿基于实交通流量据优化信号灯配实高精度、高速度的机械臂迹跟踪应关节协调•多变量耦合控制系统•自适控制算法•多控制线标时偿•非性动力学模型•多目优化（通行能力、等待间）•动力学模型补鲁应对数协调•棒控制策略参不确定性•多交叉口控制•振动抑制算法觉馈•燃料最优控制算法•与智能交通系统集成•基于视反的精确定位典型实验介绍时域响应实验频域分析实验阶应测频应测•跃响量与分析•率响量阶阶态对图绘•

一、二系统动特性比•伯德制与分析数识带宽稳•系统参辨•系统与定裕度确定验传执标计验证频识控制系统实设备包括感器、行器、•性能指算与•域模型辨对控制器和被控象，提供完整的控制回路反馈校正实验计调试•PID控制器设与馈偿现•前补器实络•串联校正网分析评•控制器性能估实验教学方法与目标启发式教学过问导创维通提和引，激发学生的探究兴趣和新思动手实践亲对论识养自操作设备，加深理知的理解，培实际工程能力分析能力验数养从实据中提取有效信息，培定量分析和推理能力问题解决对验现养独问题面实中的异常象，培立思考和解决的能力科学表达过验报写养专档写数通实告撰，培业文作和据可视化能力验将论践结养维创为来础实教学旨在理与实相合，培学生的工程思和新能力，未的科研和工作奠定基课程考核体系10%15%出勤与课堂练习课后作业课组讨论测验巩课识养独包括堂参与度、小和随堂固堂所学知，培立思考能力结•出勤率不低于80%•每章束后布置1-2次积课计题题•极参与堂互动•包含算和分析课练习题编•完成堂随机•部分目需要MATLAB程15%60%实验报告期末考试记录验过验结对课内实程，分析实果全面考核学生程容的掌握程度验预习闭试时时•实前准备与•卷笔，长3小验数记录础论•实据与处理•基概念与理（30%）验结讨论计题•实果分析与•算分析（40%）验结论进议综应题•实与改建•合用（30%）主要教材与参考书主要教材参考书籍经典著作计馈《自动控制原理》《控制系统设指南》《反控制系统》梅晓榕著George Ellis著Charles L.Phillips著科学出版社机械工业出版社清华大学出版社第四版，2015年第四版，2016年第五版，2013年阅读现论刘导论推荐《代控制理》（豹著，机械工业出版社）、《最优控制》（Frank L.Lewis著，电子工业出版社）自动控制的发展趋势智能控制与机器学习结合网络化控制系统自适应与自校正技术习习术过络连调数应环融合深度学、强化学等人工智能技通通信网接的分布式控制系统能够自动整参适境变化的控制系统数驱预测线传络线数识•据动的模型控制•无感器网•在参辨习时数应调节•自学控制器•延与据丢失处理•自适PID诊断错应•智能故障与容控制•事件触发控制•模型参考自适控制组•自主优化与决策系统•物联网与工业

4.0集成•自织控制系统术络将驾驶领挥关键自动控制技正向着更加智能化、网化、自主化的方向发展，在智能制造、自动、机器人等域发作用学习自动控制的建议理论与实践相结合仅数过验观认识不要理解学公式，更要通实和仿真建立直进•利用MATLAB行系统仿真简单•动手搭建控制系统项•参与实际工程目多做仿真与实验过亲验对态通身体，加深系统动特性的理解数观应•改变参察系统响变化计进对•设不同控制器行比尝试•处理非理想因素关注前沿技术论应拓展视野，了解控制理的最新发展和用阅读术议论•学期刊和会文术讲术论•参加学座和技坛关•注跨学科融合方向自动控制引领智能时代时终术进将继续领们迈来从工业革命到人工智能代，自动控制始是推动技步的核心力量，引我向更加智能化的未结束语核心技术创新之路现术论践将为开创自动控制是代工程的核心技，是掌握控制理与实，你打现础论识础践实自动化、智能化系统的基，在新之门理知是基，工程实领检验创维结航空航天、机器人、制造业等域发是，新思是提升，三者合挥为专着不可替代的作用才能成真正的控制家未来期望们为来领坚为贡期待你成未控制域的中力量，中国的自动化、智能化发展献智慧和力量！谢谢欢问讨论大家！迎提！。