哈工大自動控制原理課件

哈工大自動控制原理本課程介紹自動控制的基本理論和應(yīng)用。涵蓋反饋控制系統(tǒng)、系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、頻率響應(yīng)、PID控制等內(nèi)容?？刂葡到y(tǒng)概述定義自動控制系統(tǒng)是一種能自動地對受控對象進(jìn)行控制的系統(tǒng)，它由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和被控對象組成。作用實(shí)現(xiàn)對過程的控制，保證過程穩(wěn)定運(yùn)行，提高過程效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少人力成本。反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)將輸出信號與參考信號進(jìn)行比較，并利用誤差信號調(diào)整輸入信號，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)通過傳感器測量溫度，并通過加熱或冷卻裝置調(diào)節(jié)溫度，以達(dá)到設(shè)定值。自動駕駛系統(tǒng)自動駕駛系統(tǒng)利用傳感器感知周圍環(huán)境，并通過控制系統(tǒng)調(diào)整車輛速度和方向，實(shí)現(xiàn)安全駕駛?？刂葡到y(tǒng)建模數(shù)學(xué)模型利用數(shù)學(xué)方程式描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。計算機(jī)模型使用計算機(jī)軟件模擬系統(tǒng)的行為。物理模型用實(shí)際的物理器件構(gòu)建系統(tǒng)的簡化版本。微分方程建模1建立系統(tǒng)方程根據(jù)系統(tǒng)的物理特性，描述系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)變量之間的關(guān)系。2確定變量確定系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)變量，并定義其物理意義。3寫出微分方程根據(jù)物理定律和系統(tǒng)特性，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示系統(tǒng)的動態(tài)特性。微分方程建模方法可以描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，為后續(xù)的系統(tǒng)分析和控制設(shè)計奠定基礎(chǔ)。傳遞函數(shù)建模傳遞函數(shù)是描述線性時不變系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，是自動控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的重要工具。1拉普拉斯變換將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程2系統(tǒng)輸入輸出定義系統(tǒng)輸入和輸出信號3傳遞函數(shù)表達(dá)式表達(dá)系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系4極點(diǎn)和零點(diǎn)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)特性通過傳遞函數(shù)模型，可以直觀地了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、頻率響應(yīng)等。狀態(tài)空間建模狀態(tài)變量的選擇選擇能夠完全描述系統(tǒng)動態(tài)特性的變量，例如位置、速度、電流等。它們通常是系統(tǒng)中最重要的物理量，可用于反映系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)方程的建立將狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)用微分方程表示，以描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律。狀態(tài)方程通常是一個一階微分方程組，反映了系統(tǒng)狀態(tài)隨時間演化的動態(tài)特性。輸出方程的建立根據(jù)系統(tǒng)的輸出，將狀態(tài)變量與輸出量聯(lián)系起來，建立輸出方程，描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量之間的關(guān)系。狀態(tài)空間模型將狀態(tài)方程和輸出方程組合起來，形成一個狀態(tài)空間模型，它包含了系統(tǒng)的所有信息，便于分析和控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。時間響應(yīng)分析時間響應(yīng)分析是自動控制理論中的重要研究方向，用于評估控制系統(tǒng)對輸入信號的動態(tài)響應(yīng)特性。通過分析系統(tǒng)對不同類型輸入信號的響應(yīng)，可以了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性和抗擾性等性能指標(biāo)，為控制系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。1階躍響應(yīng)系統(tǒng)對階躍輸入信號的響應(yīng)，用于評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和超調(diào)量。2脈沖響應(yīng)系統(tǒng)對脈沖輸入信號的響應(yīng)，用于評估系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。3正弦響應(yīng)系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，用于評估系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，包括幅頻特性和相頻特性。穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性是指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，系統(tǒng)能否恢復(fù)到平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性分析是控制系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，可以預(yù)測系統(tǒng)在受到擾動時的行為，并幫助設(shè)計人員選擇合適的控制參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定且具有良好的性能。根軌跡法1系統(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)從開環(huán)傳遞函數(shù)中確定系統(tǒng)開環(huán)極點(diǎn)，這些極點(diǎn)在根軌跡圖上以“x”標(biāo)記。2根軌跡分支根軌跡分支從開環(huán)極點(diǎn)開始，并延伸至開環(huán)零點(diǎn)或無窮遠(yuǎn)。3根軌跡方程根軌跡方程描述了滿足一定條件的閉環(huán)極點(diǎn)軌跡，即開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值等于1，相位角為(2k+1)π。4根軌跡分支數(shù)量根軌跡分支的數(shù)量等于開環(huán)極點(diǎn)的數(shù)量減去開環(huán)零點(diǎn)的數(shù)量。5根軌跡漸近線根軌跡分支在無窮遠(yuǎn)處趨近于漸近線，漸近線由漸近線角度和漸近線交點(diǎn)確定。6根軌跡分離點(diǎn)根軌跡分支可能在開環(huán)極點(diǎn)或開環(huán)零點(diǎn)處分離，分離點(diǎn)可以使用根軌跡方程求解。頻率響應(yīng)分析頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)是指系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。幅頻特性幅頻特性是指系統(tǒng)輸出信號幅值隨輸入信號頻率變化的曲線。相頻特性相頻特性是指系統(tǒng)輸出信號相位隨輸入信號頻率變化的曲線。Bode圖Bode圖是繪制頻率響應(yīng)特性的常用工具，分為幅頻特性圖和相頻特性圖。奈奎斯特圖奈奎斯特圖是將頻率響應(yīng)特性繪制在復(fù)平面上，用來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。比例控制器比例控制原理比例控制器根據(jù)偏差的大小進(jìn)行調(diào)整，偏差越大，控制輸出越大。比例增益比例增益決定了控制輸出對偏差的敏感程度，增益越大，控制輸出越強(qiáng)。比例控制特點(diǎn)比例控制簡單易行，適用于大多數(shù)控制系統(tǒng)，但無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制器1消除穩(wěn)態(tài)誤差積分控制作用于系統(tǒng)的誤差信號，并將其累積，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。2改善系統(tǒng)性能積分控制可以提高系統(tǒng)的跟蹤精度，并降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。3應(yīng)用范圍積分控制器廣泛應(yīng)用于過程控制，例如溫度、壓力、流量等控制系統(tǒng)。微分控制器微分控制微分控制是根據(jù)誤差變化率來調(diào)節(jié)控制信號的控制方法。它可以提高系統(tǒng)的快速性，減少超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)中，微分控制主要用于預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)的變化趨勢，及時調(diào)節(jié)控制信號。控制器結(jié)構(gòu)微分控制器通常由一個微分環(huán)節(jié)組成。微分環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號的變化率成正比。微分控制器的輸出信號是誤差信號的變化率的倍數(shù)。應(yīng)用場景微分控制器通常用于改善系統(tǒng)的快速性，減少超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。例如，在電機(jī)控制系統(tǒng)中，微分控制器可以用來抑制電機(jī)的振蕩，提高電機(jī)的控制精度。PID控制器比例控制比例控制根據(jù)偏差大小控制輸出，比例系數(shù)越大，輸出變化越快，但可能導(dǎo)致超調(diào)。積分控制積分控制根據(jù)偏差累積程度控制輸出，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)速度較慢。微分控制微分控制根據(jù)偏差變化率控制輸出，可以提前預(yù)測偏差，提高響應(yīng)速度，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。串級控制系統(tǒng)1級聯(lián)控制串級控制系統(tǒng)，也稱為級聯(lián)控制系統(tǒng)，是指將兩個或多個控制回路串聯(lián)在一起，用于控制一個或多個變量的系統(tǒng)。2主回路主回路控制主要控制變量，例如溫度或壓力。輔回路控制一個或多個影響主要變量的中間變量，例如流速或流量。3優(yōu)點(diǎn)串級控制系統(tǒng)通常比單回路控制系統(tǒng)更精確、更穩(wěn)定，并且對擾動更敏感。4應(yīng)用串級控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程，例如化學(xué)反應(yīng)器、鍋爐和制冷系統(tǒng)。內(nèi)?？刂颇Ｐ推ヅ鋬?nèi)?？刂仆ㄟ^構(gòu)建被控對象的模型，并將其作為控制器的一部分?？刂破魍ㄟ^比較實(shí)際輸出和模型輸出之間的誤差來調(diào)整控制信號。穩(wěn)定性增強(qiáng)內(nèi)模控制可以有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因為它能夠消除系統(tǒng)的不確定性。這種控制方法在處理參數(shù)變化和外部擾動方面非常有效。自適應(yīng)控制適應(yīng)變化自動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，以應(yīng)對系統(tǒng)參數(shù)變化或外部干擾。在線學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)反饋調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)性能。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人控制、過程控制等領(lǐng)域。模糊控制11.模糊集使用模糊集描述控制系統(tǒng)中的變量，例如“溫度高”，“速度快”。22.模糊規(guī)則基于模糊集定義的規(guī)則，例如“如果溫度高，則降低速度”。33.模糊推理根據(jù)模糊規(guī)則和輸入信息，推導(dǎo)出控制輸出，例如“速度減緩至中等”。44.模糊化與反模糊化將輸入和輸出信息轉(zhuǎn)化為模糊集，并將模糊控制輸出轉(zhuǎn)化為實(shí)際控制信號。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制自適應(yīng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況不斷調(diào)整自身參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長處理非線性系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)控制方法在非線性系統(tǒng)中的局限性。復(fù)雜系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)，例如機(jī)器人控制、航空航天控制等領(lǐng)域。魯棒性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對參數(shù)變化和噪聲干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。預(yù)測控制模型預(yù)測預(yù)測控制使用模型預(yù)測系統(tǒng)未來行為，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化控制信號。滾動優(yōu)化預(yù)測控制是一種滾動優(yōu)化方法，每次計算控制信號時，只優(yōu)化有限時間段內(nèi)的控制信號。約束處理預(yù)測控制能夠處理系統(tǒng)約束，例如控制輸入、輸出和狀態(tài)變量的限制。魯棒控制不確定性魯棒控制是指在存在系統(tǒng)參數(shù)不確定性或外部干擾的情況下，仍然能夠保持系統(tǒng)穩(wěn)定和性能要求?？刂破髟O(shè)計魯棒控制的控制器設(shè)計旨在使系統(tǒng)對不確定性和干擾具有較強(qiáng)的抵抗能力，確保系統(tǒng)能夠在不確定性條件下正常工作。隨機(jī)控制不確定性考慮系統(tǒng)參數(shù)或外部干擾的隨機(jī)性。概率模型利用概率分布描述隨機(jī)變量。優(yōu)化設(shè)計設(shè)計控制策略以最小化隨機(jī)性影響。分布參數(shù)系統(tǒng)控制熱量傳遞描述在空間中溫度分布隨時間的變化。例如，爐子加熱金屬板的熱量傳遞。流體流動分析流體在管道或容器中的流動，例如管道中的水流或空氣流動?；瘜W(xué)反應(yīng)器研究化學(xué)反應(yīng)過程，如反應(yīng)物濃度在反應(yīng)器中的空間分布。生物系統(tǒng)用于分析生物系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量傳遞，如細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)擴(kuò)散。非線性控制1非線性系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)包含非線性函數(shù)或關(guān)系。2線性化方法將非線性系統(tǒng)簡化為線性系統(tǒng)，以便于分析和設(shè)計。3非線性控制方法針對非線性系統(tǒng)的特性，使用專門的控制方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和性能優(yōu)化。4應(yīng)用領(lǐng)域非線性控制廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、化學(xué)過程等領(lǐng)域。數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制器數(shù)字控制器使用微處理器或微控制器來實(shí)現(xiàn)控制算法。它們通過傳感器接收輸入信號，并根據(jù)算法計算出控制輸出。數(shù)字化信號數(shù)字控制系統(tǒng)中的信號是離散的，以數(shù)字形式表示。它們通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。離散時間系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)基于離散時間模型，其中控制算法在離散的時間間隔內(nèi)執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)數(shù)字控制系統(tǒng)具有高精度、靈活性、可靠性和可編程性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。離散時間系統(tǒng)采樣與保持離散時間系統(tǒng)通過對連續(xù)信號進(jìn)行采樣和保持，將連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換為離散時間信號。采樣頻率決定了離散時間系統(tǒng)的精度和性能。時域描述離散時間系統(tǒng)可以使用差分方程來描述，它反映了系統(tǒng)輸出與過去輸入和輸出之間的關(guān)系。數(shù)字控制器離散時間系統(tǒng)通常使用數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)，數(shù)字控制器使用微處理器或其他數(shù)字電路來執(zhí)行控制算法。應(yīng)用廣泛離散時間系統(tǒng)在各種應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括數(shù)字信號處理、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。脈沖傳遞函數(shù)定義脈沖傳遞函數(shù)是指離散時間系統(tǒng)對單位脈沖信號的響應(yīng)。它描述了系統(tǒng)在輸入為單位脈沖時，輸出的序列。表達(dá)方式脈沖傳遞函數(shù)通常用Z變換表示，其中Z是單位延遲算子。它可以表示為系統(tǒng)輸入和輸出的Z變換之比。Z變換時域到頻域?qū)㈦x散時間信號從時域轉(zhuǎn)換為頻域，方便分析和處理。數(shù)學(xué)工具利用Z變換公式，可以將離散時間信號表示成復(fù)頻域上的函數(shù)。系統(tǒng)分析Z變換可以用于分析離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性、頻率響應(yīng)和傳遞函數(shù)?？刂破髟O(shè)計Z變換可以用于設(shè)計離散控制器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制目標(biāo)