自動控制理論第1章

自動控制理論第1章目錄contents引言控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)的性能分析控制系統(tǒng)的設(shè)計方法01引言

自動控制理論的發(fā)展歷程早期發(fā)展自工業(yè)革命以來，自動控制理論開始萌芽，主要用于機械和蒸汽機的控制?，F(xiàn)代發(fā)展隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的進(jìn)步，自動控制理論在二戰(zhàn)后得到快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于航空、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。當(dāng)前趨勢隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，自動控制理論正與智能系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)和云計算等前沿技術(shù)融合，推動著自動化和智能化的發(fā)展。自動控制系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如飛行器的穩(wěn)定控制、導(dǎo)航和著陸等。航空航天自動控制理論在工業(yè)自動化領(lǐng)域中實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化和智能化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)自動化自動控制理論在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用包括自動駕駛、交通信號控制和智能車輛等，有助于提高交通效率和安全性。智能交通自動控制理論在機器人技術(shù)領(lǐng)域中實現(xiàn)了機器人的自主運動和智能化作業(yè)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、救援等領(lǐng)域。機器人技術(shù)自動控制理論的應(yīng)用領(lǐng)域控制器受控對象反饋回路干擾因素自動控制系統(tǒng)的基本組成01020304根據(jù)設(shè)定值和反饋值的差異，調(diào)整被控對象的輸入信號，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。指需要控制的設(shè)備或系統(tǒng)，可以是機械、電氣、液壓等不同類型。將受控對象的輸出信號反饋給控制器，以便控制器根據(jù)反饋值調(diào)整輸入信號。指影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的各種外部因素，如溫度、濕度、壓力等。02控制系統(tǒng)的基本概念系統(tǒng)的輸出不反饋到輸入端，系統(tǒng)的控制效果受外部干擾影響較大，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好。開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出反饋到輸入端，通過負(fù)反饋來減小系統(tǒng)誤差，抑制擾動信號的影響，系統(tǒng)動態(tài)性能和抗干擾能力較強。閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性靈敏度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)系統(tǒng)在受到擾動后能夠回到原始平衡狀態(tài)的能力。系統(tǒng)輸出與設(shè)定值的接近程度。系統(tǒng)對設(shè)定值變化的響應(yīng)速度。系統(tǒng)對外部擾動的敏感程度。恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。按輸入信號特征分類線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)、時變控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)等。按系統(tǒng)元件特性分類開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。按控制方式分類控制系統(tǒng)的分類03控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)是用來描述線性時不變系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，它表達(dá)了系統(tǒng)輸出與輸入之間的關(guān)系。定義傳遞函數(shù)通常表示為有理分式的形式，即G(s)=b0+b1s+b2s2+...+bnsn，其中s是復(fù)數(shù)變量，b0,b1,...,bn是系統(tǒng)的參數(shù)。形式通過分析傳遞函數(shù)的極點和零點，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。極點和零點越少，系統(tǒng)越穩(wěn)定。穩(wěn)定性傳遞函數(shù)定義形式能控性和能觀性狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間表達(dá)式是另一種描述線性時不變系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，它包含了系統(tǒng)的所有狀態(tài)變量和輸入、輸出之間的關(guān)系。狀態(tài)空間表達(dá)式通常表示為三個矩陣的聯(lián)立方程組，即x'=Ax+Bu,y=Cx+Du，其中x是狀態(tài)向量，u是輸入向量，y是輸出向量，A、B、C、D是系統(tǒng)的參數(shù)矩陣。通過分析狀態(tài)空間表達(dá)式的能控性和能觀性，可以判斷系統(tǒng)是否易于控制和觀測。根據(jù)實際系統(tǒng)的物理特性和動態(tài)特性，可以建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)模型。常見的建模方法有機理分析法和實驗法。根據(jù)需要，可以將傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間表達(dá)式轉(zhuǎn)換為其他形式的模型，如頻率響應(yīng)函數(shù)、根軌跡圖等，以便于分析和設(shè)計控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)模型的建立與轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換建立04控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析VS如果一個系統(tǒng)在受到擾動后能夠自我恢復(fù)到原始狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性性質(zhì)穩(wěn)定性具有相對性、系統(tǒng)性和動態(tài)性。相對性指穩(wěn)定性是相對于一定的初始狀態(tài)和擾動而言的；系統(tǒng)性指穩(wěn)定性是系統(tǒng)整體的一種特性；動態(tài)性指穩(wěn)定性是隨時間變化的特性。穩(wěn)定性定義穩(wěn)定性定義與性質(zhì)如果一個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的極點全部位于復(fù)平面的左半部分，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。判據(jù)內(nèi)容勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)適用于線性時不變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。應(yīng)用范圍勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判據(jù)內(nèi)容如果一個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線在整個頻率軸上都沒有穿越虛軸，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。應(yīng)用范圍奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)適用于線性時不變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，特別是對于具有開環(huán)傳遞函數(shù)的系統(tǒng)。05控制系統(tǒng)的性能分析穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差是控制系統(tǒng)在輸入信號作用下的輸出響應(yīng)，它反映了控制系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。誤差系數(shù)誤差系數(shù)是用來描述控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號之間的關(guān)系的參數(shù)，它可以通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)或結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行計算。穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù)動態(tài)響應(yīng)是指控制系統(tǒng)在輸入信號作用下，輸出量隨時間變化的響應(yīng)過程。時間常數(shù)是用來描述控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快慢的參數(shù)，它反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能。動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)動態(tài)響應(yīng)與時間常數(shù)通過合理設(shè)計控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以改善控制系統(tǒng)的性能?？刂破髟O(shè)計引入補償器優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在控制系統(tǒng)中引入補償器，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度。通過優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。030201控制系統(tǒng)性能的改善方法06控制系統(tǒng)的設(shè)計方法根軌跡法01根軌跡法是一種通過繪制根軌跡圖來分析和設(shè)計線性時不變控制系統(tǒng)的圖解方法。02根軌跡圖顯示了控制系統(tǒng)開環(huán)極點的位置變化，通過改變系統(tǒng)參數(shù)，可以觀察到系統(tǒng)性能的變化。03根軌跡法適用于具有開環(huán)傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)，特別適用于高階系統(tǒng)的簡化分析。04根軌跡法可以用于確定系統(tǒng)性能指標(biāo)，如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和超調(diào)量等。頻率響應(yīng)法是一種通過分析控制系統(tǒng)頻率特性的方法，用于分析和設(shè)計線性時不變控制系統(tǒng)。頻率響應(yīng)法可以用于確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、帶寬和阻尼比等性能指標(biāo)。頻率響應(yīng)法通過分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，如幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，來評估系統(tǒng)的性能。頻率響應(yīng)法通常使用復(fù)平面分析，包括極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)表示。頻率響應(yīng)法狀態(tài)反饋是一種通過引入狀態(tài)反饋控制器來改善控制系統(tǒng)性能的方法。極點配置設(shè)