自动控制系统培训课件

自动控制系统培训课件第一章自动控制系统概述自动控制的定义与发展系统组成与分类反馈控制的核心作用自动控制是指在无人直接参与的情况下利自动控制系统由控制器、执行器、被控对,用控制装置使被控对象自动地按预定规律运象、检测装置等组成按控制方式可分为开行从世纪瓦特蒸汽机调速器到现代智能环控制和闭环控制按系统特性可分为线性18;控制系统自动控制技术经历了经典控制理与非线性、连续与离散、定常与时变系统,论、现代控制理论和智能控制理论三个重要发展阶段自动控制系统的现实意义广泛的应用领域科技强国的重要标志自动控制技术已深入国民经济各个领域,成为现代化建设的关键支撑技术在工业生产中,自动控一个国家的自动控制技术水平直接反映其科技实力和工业化程制系统实现了生产过程的自动化和智能化,极大提高了生产效率和产品质量度掌握先进的自动控制理论与技术,是实现制造强国、科技强国战略目标的必由之路工业领域:化工过程控制、数控机床、机器人制造能源电力:发电厂自动化、智能电网调度交通运输:高铁列车控制、汽车自动驾驶航空航天:飞行器姿态控制、卫星轨道调整国防军事:导弹制导、火控系统、无人作战平台锅炉液位自动控制系统系统工作原理关键控制环节液位传感器实时检测锅炉水位将信号送水位检测装置传感器,

1.至控制器控制器将实际水位与设定值控制器偏差计算与处理

2.PID比较根据偏差计算控制量驱动给水阀门,,电动调节阀执行机构

3.开度调节形成闭环反馈控制回路,反馈回路形成闭环

4.第二章自动控制系统的数学模型0102微分方程建模传递函数根据系统物理规律牛顿定律、基尔霍夫定律等,建立描述系统动态特性的微在零初始条件下,对微分方程进行拉普拉斯变换,得到输出与输入的比值,即传分方程,这是分析控制系统的基础递函数Gs,便于系统分析与设计0304动态结构图开环与闭环传递函数用方框图表示系统各环节的传递函数及其相互连接关系,直观反映信号传递路开环传递函数描述前向通道特性,闭环传递函数表征整个系统输入输出关系,两径,可通过等效变换进行简化者对系统性能分析至关重要数学模型建立实例电路系统建模仿真验证RLC以串联电路为例演示从物理系统到数学模型的完整过程利用控制系统工具箱可以快速建立传递函数模型进行RLC,:MATLAB,,阶跃响应、频率响应等仿真分析验证模型的正确性,列写微分方程根据基尔霍夫电压定律建立回路方程:拉普拉斯变换将时域微分方程转换为域代数方程:s求传递函数得到输出电压与输入电压的传递函数关系:绘制结构图用方框图表示各环节连接关系:There wasan errorgenerating thisimage%MATLAB传递函数建立R=10;L=

0.1;C=

0.001;num=

[1];den=[L*C,R*C,1];数学建模是连接物理系统与控制理论的桥梁,准确的模sys=tfnum,den;型是系统分析与设计的前提stepsys;grid on;第三章时域分析法12稳定性分析快速性指标系统稳定性是控制系统正常工作的首要评估系统响应速度,主要指标包括上升时条件线性系统稳定的充要条件是特征间tr、峰值时间tp和调节时间ts快速性方程所有根的实部均为负值,即所有极点要求系统能够迅速跟踪输入信号变化位于s平面左半平面3稳态误差分析稳态误差反映系统的控制精度,取决于系统类型和输入信号形式通过计算静态误差系数可确定系统的稳态性能一阶系统响应无超调,调节时间约为3τ时间常数的3倍二阶系统根据阻尼比ζ不同,呈现过阻尼、临界阻尼、欠阻尼和无阻尼四种响应特性,工程中常用欠阻尼系统ζ=

0.4~

0.8时域分析案例典型二阶系统性能分析考虑标准二阶系统传递函数:MATLAB仿真代码%不同阻尼比的二阶系统响应wn=10;%自然频率zeta=[

0.2,

0.5,

0.707,

1.0];其中ωn为自然频率,ζ为阻尼比figure;性能指标计算for i=1:lengthzetanum=wn^2;超调量:\sigma\%=e^{-\frac{\pi\zeta}{\sqrt{1-\zeta^2}}}\times100\%den=[1,2*zetai*wn,wn^2];峰值时间:t_p=\frac{\pi}{\omega_n\sqrt{1-\zeta^2}}sys=tfnum,den;stepsys;调节时间:t_s\approx\frac{

3.5}{\zeta\omega_n}2%误差带hold on;endlegend\zeta=

0.2,\zeta=

0.5,...\zeta=

0.707,\zeta=

1.0;grid on;通过仿真可直观观察阻尼比对系统响应的影响,选择合适参数以满足设计要求二阶系统阶跃响应特性σ%tp tstr超调量峰值时间调节时间上升时间反映系统响应超出稳态值的程度取响应曲线达到第一个峰值所需时间响应进入并保持在稳态值或响应从稳态值上升到所需,±2%10%90%决于阻尼比误差带内的时间时间ζ±5%第四章根轨迹分析法根轨迹基本概念根轨迹与系统性能根轨迹是系统开环增益从零变化到无穷大闭环极点的位置直接决定系统的时域性能:时,闭环特征方程根在s平面上移动的轨迹通过根轨迹可以直观分析系统参数变稳定性:所有闭环极点在s左半平面,系统稳化对闭环极点位置的影响,进而判断系统稳定定性和动态性能快速性:极点距虚轴越远,响应速度越快根轨迹绘制规则

1.起点与终点:起于开环极点,终于开环零阻尼特性:复数极点的辐角决定阻尼比点或无穷远处

2.实轴上的轨迹:右侧开环零极点个数之和为奇数的实轴段利用根轨迹可以选择合适的控制

3.渐近线:与实轴交点和倾角由零极点数器参数,使闭环极点配置在期望目决定位置,实现性能优化

4.分离点与会合点:多条轨迹分离或会合的特殊点第五章频率特性分析法频率响应的物理意义图与图稳定裕度指标Bode Nyquist当系统输入为正弦信号时稳态输出也是同图用对数坐标分别绘制幅频和相频特增益裕度和相位裕度衡量系统的相对稳,Bode Kgγ频率正弦信号但幅值和相位发生变化频性便于渐近线绘制和分析图在复定性工程设计中通常要求,,Nyquist率特性描述了系统对不同频率输入的响应特平面上绘制频率特性的幅值和相位直观反以保证系统有足够的,Kg6dB,γ30°~60°,性是频域分析的基础映系统的稳定性裕度稳定裕度抵抗参数变化和干扰,,频率特性分析案例典型环节频率响应惯性环节积分环节振荡环节传递函数传递函数传递函数:Gs=\frac{1}{Ts+1}:Gs=\frac{1}{s}:Gs=\frac{\omega_n^2}{s^2+2\zeta\omega_n s+\omega_n^2}•低频段:幅值≈10dB,相位≈0°•幅频特性:斜率-20dB/dec的直线•谐振峰值Mr与阻尼比ζ相关•转折频率ω=1/T:幅值-3dB,相位-45°•相频特性:恒为-90°•谐振频率ωr≈ωn当ζ较小时•高频段:幅值以-20dB/dec下降,相位趋于-•对系统型号影响显著•高频段:-40dB/dec,-180°90°%MATLAB典型环节频率响应w=logspace-2,2,1000;G1=tf1,[1,1];%惯性环节T=1G2=tf1,[1,0];%积分环节G3=tf100,[1,1,100];%振荡环节ζ=

0.05figure;bodeG1,G2,G3,w;grid on;legend惯性环节,积分环节,振荡环节;图稳定裕度分析Bode稳定裕度的确定稳定裕度的意义从开环频率特性的图可以方便地读取稳稳定裕度反映系统对参数变化的鲁Bode定裕度棒性增益裕度表示开环增益可以:增大的倍数相位裕度表示相位可以,相位穿越频率相频曲线与线交点对ωg:-180°滞后的角度系统仍能保持稳定,应的频率增益裕度:K_g=\frac{1}{|Gj\omega_g|},合理的稳定裕度设计能够以表示为dB20lgKg确保系统在实际工作条件幅值穿越频率幅频曲线与线交点对应ωc:0dB变化时依然稳定可靠的频率相位裕度:\gamma=180°+\angle Gj\omega_c第六章控制系统的校正与设计串联超前校正通过在中频段提供正相移增加相位裕度改善系统快速性传递函数,,:其中G_cs=\frac{1+\alpha Ts}{1+Ts},α1串联滞后校正利用低频段的增益衰减降低幅值穿越频率增大相位裕度改善系统稳态精,,,度传递函数中0α1滞后超前校正-综合滞后和超前校正的优点既改善稳态性能又改善动态性能适用于性能,,要求较高的系统控制器设计与整定PID控制器结构参数整定方法PID法Ziegler-NicholsPID控制器由比例P、积分I、微分D三个环节组成,是工业控制中应用最广泛的控制器

1.临界比例度法:先只用P控制,逐步增大Kp至系统临界振荡

2.记录临界增益Ku和临界周期Tu

3.按经验公式计算PID参数比例环节:快速响应偏差,Kp过大会引起振荡积分环节:消除稳态误差,Ki过大降低稳定性微分环节:预测偏差趋势,改善动态性能现代整定方法还包括继电反馈法、遗传算法优化、模糊自适应整定等先进技术%MATLAB PID设计工具sys=tf1,[1,3,2];%被控对象C=pidtunesys,PID;%自动整定T=feedbackC*sys,1;%闭环系统stepT;grid on;第七章开环与闭环控制系统开环控制系统闭环控制系统复合控制系统输出量对系统控制作用不产生影响控制器按通过反馈检测输出量,与期望值比较后形成偏差将前馈控制与反馈控制相结合,既能快速响应输预定规律对执行器发出控制信号,不检测输出结信号,控制器根据偏差调整控制作用,实现自动修入变化,又能消除干扰影响,实现更优的控制性果正能优点:结构简单、成本低、维护方便优点:精度高、抗干扰能力强、适应性好特点:前馈补偿可测干扰,反馈修正残余偏差缺点:精度低,抗干扰能力差,不能自动修正偏差缺点:结构复杂、成本较高、可能不稳定应用:高精度数控系统、精密伺服系统应用:洗衣机定时控制、交通信号灯、步进电机应用:温度控制、电机调速、飞行器姿态控制开环控制开环与闭环控制实例对比洗衣机开环控制直流电机闭环调速系统通过测速发电机检测电机转速,与给定值比较后调节电枢电压,实现精确调速闭环控制优势自动调节:负载变化时自动调整电压维持转速精度高:稳态误差可控制在1%以内快速响应:通过PID优化实现快速稳定抗干扰:电压波动、温度变化等干扰被自动补偿广泛应用于数控机床主轴、机器人关节、精密定位系统等场合传统洗衣机采用定时器控制,按预设程序运行洗涤、漂洗、脱水等过程工作流程01用户设定洗涤时间和模式02定时器按程序驱动电机和水阀03完成设定时间后自动停止局限性:无法根据衣物实际清洁度调整,不能适应负载变化,洗净效果不稳定第八章非线性控制系统基础非线性系统的特点常见非线性特性实际控制系统普遍存在非线性因素,使得线性系统理饱和特性论不再适用非线性系统具有以下特殊现象:执行器输出受物理限制,超出范围后输出不不满足叠加原理:系统响应与输入幅值非线性相关再增大自激振荡:无外加周期信号时系统产生持续振荡死区特性多平衡点:存在多个稳定工作点输入在一定范围内输出为零,引起稳态误差跳跃与滞环:输出突变或具有记忆特性摩擦特性静摩擦与动摩擦不同,导致爬行和粘滑现象继电器特性双值开关特性,常用于温控和位置控制非线性系统案例分析阀门饱和对系统性能的影响考虑液位控制系统,当偏差较大时控制阀全开或全关,进入饱和区描述函数法分析饱和影响用等效线性化方法,将非线性环节用描述函数NA表示,转化为准线性系统分析•超调量增大,调节时间延长•可能产生极限环振荡•降低系统线性设计的有效性改进措施

1.增大控制阀的线性工作范围

2.采用抗饱和PID控制算法%MATLAB非线性仿真

3.设计非线性控制器滑模、反步法mdl=nonlinear_control_model;open_systemmdl;simmdl;%观察饱和环节对响应的影响仿真结果显示饱和导致超调增加约15%,调节时间延长20%第九章数字控制系统简介数字控制的基本结构采样与保持传感器检测模拟量经转换为数数字控制器按固定周期采样输入,A/D T字信号由计算机单片机信号采样定理要求采样频率,,执行控制算法输出经以避免失真零阶保持/DSP/PLC,fs≥2fmax转换驱动执行器器将离散控制量保持到下一采样时D/A刻离散系统数学模型差分方程描述离散系统变换将其转为代数方程脉冲传递函数是离散系,z Gz统的传递函数形式类似连续系统的,Gs数字控制系统的优势灵活性高、抗干扰能力强、易于实现复杂控制算法、便于在线修改:参数广泛应用于现代工业控制领域数字控制系统应用实例数控机床位置控制数字算法实现PID位置式PID算法:增量式PID算法更常用:%C语言数字PID实现float PID_Controlfloat setpoint,float feedback{float error=setpoint-feedback;integral+=error*dt;float derivative=error-last_error/dt;float output=Kp*error+Ki*integral+Kd*derivative;last_error=error;return output;}数控机床采用数字伺服系统实现刀具精密定位,典型控制流程:轨迹规划速度电流环/CNC系统解释G代码,生成伺服驱动器控制电机转速位置指令和转矩1234位置控制编码器反馈数字PID算法计算速度指高分辨率编码器实时检测令位置第十章自动控制系统的工程应用锅炉汽包液位控制化工反应器控制工业机器人运动控制数控机床精密加工采用三冲量控制方案液位、蒸汽流温度、压力、流量的多变量协调控多关节机器人的位置、速度、力矩多轴联动的轮廓控制,交叉耦合控制量、给水流量克服虚假水位现象制采用前馈反馈复合控制抑制原协调控制采用计算力矩法补偿非减小轮廓误差自适应控制根据切,,-确保锅炉安全运行串级PID控制料波动,比值控制保证配料精度,确线性耦合,轨迹规划实现平滑运动,削力调整进给速度,振动抑制技术提实现快速准确的液位调节保产品质量和生产安全视觉伺服提高作业精度高表面质量工程案例深度解析汽车自动巡航控制系统系统组成与工作原理控制策略设计采用分层控制结构:上层决策根据设定速度和前车状态,确定期望加速度中层控制PID算法计算节气门开度或制动力底层执行驱动器控制执行机构动作自动巡航控制系统ACC通过控制节气门开度或制动系统,使车辆保持驾性能要求驶员设定的速度核心组件•速度稳态误差2km/h•加速度平缓,乘坐舒适车速传感器:实时检测车辆速度•安全距离保持可靠雷达/激光传感器:检测前车距离和相对速度自适应巡航ECU控制器:执行PID控制算法执行机构:电子节气门、制动系统第十一章与在自动控制中的应用MATLAB Simulink基础操作MATLAB1矩阵运算、绘图、数据分析等基本功能控制系统工具箱提供tf、ss、zpk等函数建立系统模型,step、impulse、bode等函数进行时频域分析图形化建模Simulink2拖拽模块快速搭建系统框图,包含连续、离散、非线性等丰富模块库可视化仿真过程,直观观察信号变化,支持多域物理系统联合仿真控制器设计与优化3PID Tuner、Control SystemDesigner等图形化工具辅助设计根轨迹、Bode图交互式调整参数,自动优化算法搜索最优控制器参数代码生成与实时仿真4Simulink Coder自动生成C/C++代码,部署到嵌入式硬件Real-Time Workshop支持硬件在环HIL仿真,加速控制器开发验证仿真实操演示MATLAB完整控制系统设计流程建立系统模型频域设计校正

1.

3.%二阶被控对象%超前校正设计num=100;alpha=10;den=[1,5,100];T=

0.1;G=tfnum,den;Gc=tf[alpha*T,1],[T,1];%查看开环响应G_open=Gc*G;figure1;%绘制校正后Bode图stepG;figure3;title开环阶跃响应;marginG_open;grid on;grid on;根轨迹设计闭环性能验证

2.

4.%绘制根轨迹%构建闭环系统figure2;G_closed=feedbackG_open,1;rlocusG;%阶跃响应sgrid

0.6,0;%ζ=

0.6期望线figure4;%选择合适增益K stepG_closed;[K,poles]=rlocfindG;grid on;%性能指标stepinfoG_closed第十二章自动控制系统的未来发展趋势智能控制机器学习控制模糊控制、神经网络、专家系统等智能方法处理强化学习、深度学习应用于控制策略优化自适应,,复杂不确定性问题环境变化数字孪生鲁棒控制虚拟物理系统实时同步支持仿真优化和预测控制、综合等方法保证系统对参数不,H∞μ,性维护确定性和干扰的鲁棒性网络化控制预测控制物联网、技术支持分布式控制系统实现远程模型预测控制在多变量约束优化控制中广5G,MPC监控和协同控制泛应用未来自动控制将向智能化、网络化、集成化方向发展与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合推动工业和智能制造转型升级,,

4.0思政与职业素养培养钱学森与中国自动控制事业科技强国使命与人才培养钱学森先生是中国自动控制学科的奠基人之一,他将创新精神控制论引入中国,为国防科技和工业自动化发展做出卓越贡献勇于探索未知领域,敢于挑战技术难题,推动理论与技术突破我作为一名中国的科技工作者,活着的目的就是为人民服务如果人民最后对我的一生所做的工作表示满意的话,那才是最高的奖赏工匠精神——钱学森精益求精,追求卓越,将每个控制系统设计打磨他的爱国精神、科学态度和创新思维,激励着一代代到极致控制工程师为国家科技进步而奋斗团队协作现代控制系统复杂庞大,需要多学科团队密切配合责任担当控制系统关乎安全生产和国家安全,工程师要有强烈的责任意识课程总结与知识体系回顾理论基础系统设计数学模型、时域分析、频域分析、根轨迹法构成控掌握PID控制、校正设计方法,能够针对性能指标进制理论的四大支柱行系统综合工程实践工具应用理解工业应用案例,培养将理论转化为实际解决方案熟练使用MATLAB/Simulink进行建模仿真,加速设的能力计验证过程理论与实践结合的重要性持续学习与创新探索自动控制是一门实践性很强的学科扎实的理论基础是创新的前提,丰富的实践经控制理论和技术日新月异,终身学习是工程师的必备素质验是理论的升华•关注学术前沿和技术动态•理论指导实践,避免盲目试错•参与开源项目和技术社区•实践检验理论,发现模型局限•跨学科学习拓展知识边界•通过项目实践深化理论理解•在实践中总结经验,形成自己的方法论•在工程应用中培养系统思维致谢与互动答疑推荐学习资源感谢聆听经典教材•《自动控制原理》胡寿松衷心感谢各位学员的积极参与和专注学习希望本课程能够帮助大家建立自动控制系统的完整知识体系,为今后的工•《现代控制理论》刘豹程实践和科研工作打下坚实基础•Modern ControlEngineering Ogata欢迎提问交流在线课程现在进入互动答疑环节,欢迎大家就课程内容、工程应用、职业发展等方面提出问题,我们一起探讨交流•中国大学MOOC自动控制原理•Coursera ControlSystems•YouTube控制理论讲座进阶方向•鲁棒控制与H∞理论•非线性控制系统•智能控制与机器学习•网络化控制系统联系方式技术交流群。