《控制理論概要》課件

《控制理論概要》ppt課件REPORTING2023WORKSUMMARY目錄CATALOGUE控制理論概述控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)性能分析控制策略與應(yīng)用控制工程案例分析PART01控制理論概述古典控制理論20世紀(jì)40年代至60年代，主要研究單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)60年代末至70年代，研究多輸入多輸出非線性時(shí)變系統(tǒng)的最優(yōu)控制。智能控制理論20世紀(jì)80年代至今，基于人工智能和運(yùn)籌學(xué)的控制理論和方法?？刂评碚摰陌l(fā)展歷程123接收輸入信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值和實(shí)際輸出信號(hào)的差值，產(chǎn)生控制信號(hào)?？刂破鹘邮芸刂菩盘?hào)并產(chǎn)生輸出信號(hào)的裝置或系統(tǒng)。受控對(duì)象將輸出信號(hào)反饋給控制器，形成閉環(huán)控制。反饋裝置控制系統(tǒng)的基本組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)無(wú)反饋環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)直接作用于受控對(duì)象。復(fù)合控制系統(tǒng)同時(shí)包含開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋環(huán)節(jié)，輸出信號(hào)通過(guò)反饋裝置反饋給控制器?？刂葡到y(tǒng)的分類PART02控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型線性時(shí)不變系統(tǒng)是控制理論中最基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型，具有線性特性和時(shí)不變性。線性表示系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系是線性的，即輸出等于輸入的常數(shù)倍。時(shí)不變性表示系統(tǒng)的特性不隨時(shí)間變化，即在不同時(shí)刻系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相同。常見(jiàn)的線性時(shí)不變系統(tǒng)有RC電路、RL電路等。01020304線性時(shí)不變系統(tǒng)傳遞函數(shù)是描述線性時(shí)不變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，表示輸出與輸入之間的函數(shù)關(guān)系。方框圖是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的圖形表示方法，由一系列的方框和箭頭組成，每個(gè)方框表示一個(gè)環(huán)節(jié)，箭頭表示信號(hào)的傳遞方向。通過(guò)方框圖可以直觀地了解系統(tǒng)的組成和信號(hào)的傳遞過(guò)程，便于分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。傳遞函數(shù)與方框圖03通過(guò)狀態(tài)方程和輸出方程可以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，便于進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。01狀態(tài)空間模型是另一種描述控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型，它用狀態(tài)變量和輸入變量描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。02狀態(tài)變量表示系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，輸入變量表示外部對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)。狀態(tài)空間模型PART03控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性定義如果一個(gè)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后能夠回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。平衡狀態(tài)系統(tǒng)在沒(méi)有受到外部作用力或力矩作用下的靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)施加的外力或力矩。穩(wěn)定性定義勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中常用的一種方法。如果系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都位于復(fù)平面的左半部分，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。它通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)，來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果極點(diǎn)位于復(fù)平面的右半部分或等于零，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)它通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)，來(lái)判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果頻率響應(yīng)曲線穿越虛軸或位于復(fù)平面的右半部分，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是通過(guò)分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來(lái)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。如果系統(tǒng)的所有頻率響應(yīng)曲線都在復(fù)平面的左半部分，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。PART04控制系統(tǒng)性能分析描述系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的即時(shí)反應(yīng)，包括上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等。瞬態(tài)響應(yīng)描述系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的輸出，與系統(tǒng)的靜態(tài)誤差有關(guān)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)如階躍響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩次數(shù)等，用于評(píng)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析產(chǎn)生原因系統(tǒng)增益不足、系統(tǒng)類型（如積分、微分、比例等）和輸入信號(hào)頻率等。減小穩(wěn)態(tài)誤差的方法增加系統(tǒng)增益、引入適當(dāng)?shù)目刂撇呗缘?。定義穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸出與參考輸入之間的長(zhǎng)期偏差。穩(wěn)態(tài)誤差分析要求系統(tǒng)能夠快速地響應(yīng)輸入信號(hào)的變化?？焖傩砸笙到y(tǒng)輸出盡可能接近參考輸入，減小穩(wěn)態(tài)誤差。準(zhǔn)確性要求系統(tǒng)在各種工作條件下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行，并具有一定的魯棒性。穩(wěn)定性和可靠性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)PART05控制策略與應(yīng)用PID控制比例-積分-微分控制，通過(guò)調(diào)整三個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。頻率響應(yīng)法通過(guò)分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。根軌跡法通過(guò)繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)典控制策略魯棒控制針對(duì)不確定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方法，提高系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性。自適應(yīng)控制根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化自適應(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制。狀態(tài)空間控制基于系統(tǒng)狀態(tài)方程的控制方法，通過(guò)狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制?，F(xiàn)代控制策略根據(jù)被控對(duì)象的特性和要求，選擇合適的控制策略。適用場(chǎng)景比較各種控制策略的控制精度，選擇最優(yōu)的控制策略?？刂凭仍u(píng)估各種控制策略的穩(wěn)定性，選擇穩(wěn)定可靠的控制策略。穩(wěn)定性考慮控制策略的計(jì)算復(fù)雜度，選擇易于實(shí)現(xiàn)的控制策略。計(jì)算復(fù)雜度控制策略比較與選擇PART06控制工程案例分析總結(jié)詞通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)溫度，控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差來(lái)調(diào)節(jié)加熱器或冷卻器的開(kāi)度，從而控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。用于檢測(cè)溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收溫度傳感器信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)。根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)度，改變溫度。人工設(shè)定的期望溫度值。溫度傳感器加熱器或冷卻器設(shè)定值控制器案例一：溫度控制系統(tǒng)液位傳感器用于檢測(cè)液位高度，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。總結(jié)詞通過(guò)液位傳感器檢測(cè)液位高度，控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差來(lái)調(diào)節(jié)水泵或閥門(mén)，從而控制液位穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)?？刂破鹘邮找何粋鞲衅餍盘?hào)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)。設(shè)定值人工設(shè)定的期望液位值。水泵或閥門(mén)根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，改變液位。案例二：液位控制系統(tǒng)0102總結(jié)詞通過(guò)速度傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓或電流，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速在