自動控制原理

自動控制原理匯報人：xxx20xx-03-19REPORTING2023WORKSUMMARY目錄CATALOGUE自動控制系統(tǒng)基本概念自動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型自動控制系統(tǒng)時域分析法自動控制系統(tǒng)頻域分析法自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)自動控制系統(tǒng)校正與設(shè)計現(xiàn)代自動控制技術(shù)簡介PART01自動控制系統(tǒng)基本概念自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙ο螅ㄈ鐪囟?、壓力、流量等）進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)，它通過對被控對象進(jìn)行測量、比較、處理和執(zhí)行等操作，使被控對象保持在所要求的狀態(tài)或按照一定的規(guī)律變化。定義自動控制系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量元件等組成。其中，控制器是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收測量元件的信號，并根據(jù)控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；執(zhí)行器負(fù)責(zé)接收控制器的控制信號，并驅(qū)動被控對象改變其狀態(tài)；被控對象則是系統(tǒng)所要控制的物理量或過程；測量元件用于將被控對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電信號，以供控制器使用。組成自動控制系統(tǒng)定義與組成分類根據(jù)被控對象的特性和控制要求的不同，自動控制系統(tǒng)可以分為多種類型，如恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。其中，恒值控制系統(tǒng)主要用于保持被控對象在某一恒定值附近；隨動控制系統(tǒng)則要求被控對象能夠跟隨某個給定的參考輸入信號變化；程序控制系統(tǒng)則是按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)Ρ豢貙ο筮M(jìn)行控制。0102應(yīng)用自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航空航天、醫(yī)療等。在工業(yè)領(lǐng)域，自動控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程自動化、機(jī)器人控制、電力系統(tǒng)調(diào)度等方面；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，自動控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于溫室環(huán)境控制、灌溉控制等方面；在交通運輸領(lǐng)域，自動控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于車輛自動駕駛、交通信號控制等方面。自動控制系統(tǒng)分類及應(yīng)用魯棒性魯棒性是指系統(tǒng)在參數(shù)攝動或外部擾動作用下，仍能保持其穩(wěn)定性和性能的能力。魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和可靠性。穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受到外部擾動后，能否恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)或達(dá)到新的平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是自動控制系統(tǒng)最基本的性能指標(biāo)之一?？焖傩钥焖傩允侵赶到y(tǒng)對于輸入信號或擾動信號的響應(yīng)速度。一般來說，希望系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快越好，這樣可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)的輸出量與輸入量或給定值之間的偏差程度。準(zhǔn)確性越高，說明系統(tǒng)的控制精度越高，控制效果越好。自動控制系統(tǒng)性能指標(biāo)PART02自動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型03線性化與非線性微分方程對于非線性系統(tǒng)，需要在線性工作點附近進(jìn)行線性化處理，得到線性微分方程。01根據(jù)物理定律列寫微分方程基于牛頓第二定律、基爾霍夫電壓定律等物理定律，列寫系統(tǒng)各元件的微分方程。02消去中間變量通過代數(shù)變換消去微分方程中的中間變量，得到僅包含輸入、輸出及其各階導(dǎo)數(shù)的微分方程。微分方程建立方法傳遞函數(shù)定義傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，表示為系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的拉普拉斯變換比。傳遞函數(shù)性質(zhì)傳遞函數(shù)具有復(fù)數(shù)域性、因果性、穩(wěn)定性等性質(zhì)，可用于分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性等。傳遞函數(shù)求取方法通過對微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換，并整理得到傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)概念及性質(zhì)信號流圖繪制在結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步用箭頭表示信號的傳遞方向，得到信號流圖。信號流圖便于進(jìn)行系統(tǒng)的等效變換和化簡。結(jié)構(gòu)圖與信號流圖轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖和信號流圖可以相互轉(zhuǎn)換，方便進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計。結(jié)構(gòu)圖繪制根據(jù)系統(tǒng)各元件之間的連接關(guān)系，用規(guī)定的符號繪制出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，直觀表示系統(tǒng)的組成和信號傳遞路徑。結(jié)構(gòu)圖與信號流圖繪制方法PART03自動控制系統(tǒng)時域分析法一階系統(tǒng)的響應(yīng)速度主要取決于系統(tǒng)的時間常數(shù)，時間常數(shù)越小，響應(yīng)速度越快。響應(yīng)速度超調(diào)量穩(wěn)態(tài)誤差一階系統(tǒng)無超調(diào)，其響應(yīng)曲線為單調(diào)上升或下降。一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)類型和輸入信號類型有關(guān)，對于單位階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為零。030201一階系統(tǒng)時域響應(yīng)特點響應(yīng)速度超調(diào)量振蕩次數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差二階系統(tǒng)時域響應(yīng)特點二階系統(tǒng)的響應(yīng)速度取決于系統(tǒng)的阻尼比和自然頻率，阻尼比越小，自然頻率越高，響應(yīng)速度越快。二階系統(tǒng)在欠阻尼狀態(tài)下會產(chǎn)生振蕩，振蕩次數(shù)與阻尼比有關(guān)，阻尼比越小，振蕩次數(shù)越多。二階系統(tǒng)的超調(diào)量主要取決于阻尼比，阻尼比越小，超調(diào)量越大。二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)類型和輸入信號類型有關(guān)，對于單位階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為零。通過忽略高階系統(tǒng)中遠(yuǎn)離虛軸的零點和極點，將高階系統(tǒng)近似為一階或二階系統(tǒng)進(jìn)行分析。主導(dǎo)極點法如果高階系統(tǒng)中有靠近的極點和零點（形成偶極子），則它們對系統(tǒng)響應(yīng)的影響可以相互抵消，從而簡化系統(tǒng)分析。偶極子相消法對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以通過分析開環(huán)傳遞函數(shù)的零點和極點來確定閉環(huán)主導(dǎo)極點，進(jìn)而近似分析高階系統(tǒng)的時域響應(yīng)。閉環(huán)主導(dǎo)極點法通過頻率響應(yīng)曲線（如伯德圖）來近似分析高階系統(tǒng)的時域響應(yīng)特性。這種方法可以直觀地反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。頻率響應(yīng)法高階系統(tǒng)時域響應(yīng)近似分析方法PART04自動控制系統(tǒng)頻域分析法描述系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，即系統(tǒng)輸出與輸入正弦信號幅度比和相位差與輸入信號頻率的關(guān)系。包括幅頻特性、相頻特性和幅相特性曲線，分別表示系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)和幅相響應(yīng)。頻率特性概念及表示方法頻率特性的表示方法頻率特性的定義比例環(huán)節(jié)其頻率特性為常數(shù)，幅頻特性和相頻特性均為水平線。微分環(huán)節(jié)其頻率特性隨頻率的增大而增大，相角超前90度，幅頻特性為斜率為20dB/dec的直線，相頻特性為水平線。積分環(huán)節(jié)其頻率特性隨頻率的增大而減小，相角滯后90度，幅頻特性為斜率為-20dB/dec的直線，相頻特性為水平線。慣性環(huán)節(jié)其頻率特性隨頻率的增大而減小，幅頻特性為漸近線，相頻特性為滯后角隨頻率增大而增大的曲線。典型環(huán)節(jié)頻率特性分析實驗法通過給系統(tǒng)施加不同頻率的正弦信號，測量系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，從而得到系統(tǒng)的頻率特性曲線。解析法根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，利用數(shù)學(xué)工具求解系統(tǒng)的頻率特性表達(dá)式，并繪制出相應(yīng)的曲線。圖解法利用已有的典型環(huán)節(jié)頻率特性曲線，通過串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接等方式組合得到復(fù)雜系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線。其中，Nyquist圖和Bode圖是兩種常用的圖解法。Nyquist圖根據(jù)開環(huán)頻率特性的幅相特性曲線繪制，可以直觀地判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能；Bode圖則分別繪制幅頻特性和相頻特性曲線，便于分析和設(shè)計系統(tǒng)。開環(huán)頻率特性繪制方法PART05自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)概述01勞斯穩(wěn)定判據(jù)是通過構(gòu)造勞斯表，根據(jù)表中元素符號變化來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。它適用于線性定常系統(tǒng)，特別是高階系統(tǒng)。勞斯表構(gòu)造方法02勞斯表是基于系統(tǒng)特征方程的系數(shù)構(gòu)造的，通過逐步計算得到。表中每一行的元素都與前一行有關(guān)，且符號變化規(guī)律與系統(tǒng)穩(wěn)定性直接相關(guān)。勞斯穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用03在實際應(yīng)用中，勞斯穩(wěn)定判據(jù)常用于分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過檢查勞斯表中第一列元素的符號，可以判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。若第一列元素符號相同，則系統(tǒng)穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。勞斯穩(wěn)定判據(jù)及應(yīng)用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)概述奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是一種基于復(fù)平面的圖形判據(jù)方法，通過繪制開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于線性非時變系統(tǒng)，特別是具有復(fù)雜傳遞函數(shù)的系統(tǒng)。奈奎斯特圖繪制方法奈奎斯特圖是根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的頻率特性繪制的。在復(fù)平面上，以實部為橫軸、虛部為縱軸，繪制出開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)在不同頻率下的軌跡。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計和分析中。通過觀察奈奎斯特圖是否包圍復(fù)平面的原點，可以判斷閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。若包圍原點，則系統(tǒng)不穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)穩(wěn)定。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)及應(yīng)用伯德圖是一種表示頻率特性的圖形方法，通過繪制開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性曲線來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于線性非時變系統(tǒng)，特別是需要分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)的情況。伯德圖包括幅頻特性曲線和相頻特性曲線兩部分。幅頻特性曲線表示傳遞函數(shù)幅值隨頻率的變化關(guān)系；相頻特性曲線表示傳遞函數(shù)相位隨頻率的變化關(guān)系。在實際應(yīng)用中，伯德圖常用于分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。通過觀察幅頻特性曲線和相頻特性曲線的交點位置以及斜率變化等信息，可以判斷閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定以及性能如何。若交點在復(fù)平面左半部分且斜率滿足穩(wěn)定條件，則系統(tǒng)穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定或性能不佳。伯德圖穩(wěn)定判據(jù)概述伯德圖繪制方法伯德圖穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用伯德圖穩(wěn)定判據(jù)及應(yīng)用PART06自動控制系統(tǒng)校正與設(shè)計相位滯后校正裝置通過減小系統(tǒng)的高頻增益，增加相位滯后，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。相位滯后-超前校正裝置結(jié)合超前和滯后校正的特點，既能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。相位超前校正裝置通過增加系統(tǒng)的高頻增益，減小相位滯后，提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。校正裝置類型及作用123根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，如穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等，選擇合適的校正裝置類型。根據(jù)性能指標(biāo)確定校正裝置類型根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)和性能指標(biāo)要求，計算校正裝置的參數(shù)，如增益、時間常數(shù)等。確定校正裝置參數(shù)將校正裝置串聯(lián)到系統(tǒng)中，通過仿真或?qū)嶒烌炞C系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否滿足要求。校驗系統(tǒng)性能串聯(lián)校正裝置設(shè)計方法根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求和穩(wěn)定性分析，選擇合適的反饋校正裝置類型，如比例反饋、微分反饋、積分反饋等。確定反饋校正裝置類型根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)和性能指標(biāo)要求，計算反饋校正裝置的參數(shù)，如反饋增益、時間常數(shù)等。確定反饋校正裝置參數(shù)將反饋校正裝置接入系統(tǒng)中，通過仿真或?qū)嶒烌炞C系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否滿足要求，同時觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性是否得到改善。校驗系統(tǒng)性能反饋校正裝置設(shè)計方法PART07現(xiàn)代自動控制技術(shù)簡介從一切可能的控制方案中尋找最優(yōu)解，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。最優(yōu)控制問題的提出建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和性能指標(biāo)泛函，求解使性能指標(biāo)泛函取極值的控制函數(shù)。最優(yōu)控制的基本條件根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)方程和性能指標(biāo)泛函的類型，最優(yōu)控制方法可分為線性最優(yōu)控制、非線性最優(yōu)控制、隨機(jī)最優(yōu)控制等。最優(yōu)控制方法的分類最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)自適應(yīng)控制的概念根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，自動調(diào)整控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)外部環(huán)境的變化，保持優(yōu)良的控制性能。自適應(yīng)控制的基本思想通過在線辨識系統(tǒng)的動態(tài)特性，修正控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制方法的分類根據(jù)辨識和控制的方式不同，自適應(yīng)控制方法可分為模型參考自適應(yīng)控制、自校正控制、直接優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)自適應(yīng)控制等。自適應(yīng)控制思想和方法智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，主要用來解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展