自動(dòng)控制原理及應(yīng)用課件

自動(dòng)控制原理及應(yīng)用課件自動(dòng)控制概述自動(dòng)控制基本原理線性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)分析線性離散時(shí)間系統(tǒng)分析非線性系統(tǒng)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例現(xiàn)代控制理論在自動(dòng)控制中應(yīng)用自動(dòng)控制概述01自動(dòng)控制定義自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。發(fā)展歷程自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。自動(dòng)控制定義與發(fā)展自動(dòng)控制系統(tǒng)組成與分類系統(tǒng)組成自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器四個(gè)環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)給定信號(hào)的特點(diǎn)，可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如冶金、化工、機(jī)械制造等行業(yè)的生產(chǎn)流程控制、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控等。工業(yè)領(lǐng)域在航空航天領(lǐng)域，自動(dòng)控制技術(shù)用于飛行器的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，以及空間站的姿態(tài)控制等。航空航天領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用包括鐵路信號(hào)控制、智能交通系統(tǒng)、無人駕駛汽車等。交通運(yùn)輸領(lǐng)域隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)逐漸滲透到家居生活中，如智能照明、智能安防、智能家電等。智能家居領(lǐng)域自動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域自動(dòng)控制基本原理02開環(huán)控制系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，信號(hào)從輸入到輸出是單向傳遞的。閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成閉合回路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。比較開環(huán)控制簡單、成本低，但精度和抗干擾能力差；閉環(huán)控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但設(shè)計(jì)復(fù)雜。開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性的要求，同時(shí)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。根據(jù)被控對象的特性和控制要求，選擇合適的控制規(guī)律（如PID控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等），并進(jìn)行參數(shù)整定。控制器設(shè)計(jì)原則與方法設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)原則03快速性評估考察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，如上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等，以評價(jià)系統(tǒng)對輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。01穩(wěn)定性評估通過系統(tǒng)特征方程的根或頻率響應(yīng)等方法，判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，以及穩(wěn)定的程度。02準(zhǔn)確性評估分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，了解系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)下的輸出精度。穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性評估線性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)分析03傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要數(shù)學(xué)工具，具有復(fù)變量函數(shù)的一般性質(zhì)，如解析性、有界性等。傳遞函數(shù)定義及性質(zhì)方框圖是一種用圖形符號(hào)表示系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間信號(hào)傳遞關(guān)系的圖解表示法。通過方框圖可以直觀地了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信號(hào)流程。方框圖表示法信號(hào)流圖是另一種描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖形表示法，用箭頭表示信號(hào)流向，節(jié)點(diǎn)表示信號(hào)的相加或相乘。信號(hào)流圖傳遞函數(shù)與方框圖表示法時(shí)域響應(yīng)分析通過求解系統(tǒng)微分方程得到時(shí)域響應(yīng)，包括零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。通過分析時(shí)域響應(yīng)可以了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性是系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一。通過時(shí)域分析法可以判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，以及穩(wěn)定的程度。系統(tǒng)性能分析通過分析時(shí)域響應(yīng)的波形、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)，可以評價(jià)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。時(shí)域分析法頻率特性分析頻域分析法是通過研究系統(tǒng)的頻率特性來了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過繪制系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線，可以直觀地了解系統(tǒng)對不同頻率信號(hào)的響應(yīng)情況。頻域穩(wěn)定性分析通過頻域分析法可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及穩(wěn)定的程度。通過分析系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的幅值和相位裕度等指標(biāo)，可以評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)性能分析通過分析系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線，可以評價(jià)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。例如，通過比較不同系統(tǒng)在同一頻率下的幅值大小，可以了解系統(tǒng)的放大能力；通過比較相位差的大小，可以了解系統(tǒng)的相位失真情況。頻域分析法線性離散時(shí)間系統(tǒng)分析04離散時(shí)間系統(tǒng)的描述離散時(shí)間系統(tǒng)可以用差分方程、脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)等方式進(jìn)行描述，其中傳遞函數(shù)是描述系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的重要工具。離散時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定性和因果性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)對有限輸入產(chǎn)生有限輸出的能力，因果性是指系統(tǒng)輸出只與當(dāng)前和過去的輸入有關(guān)。離散時(shí)間信號(hào)的定義和性質(zhì)離散時(shí)間信號(hào)是在離散時(shí)刻上定義的信號(hào)，可以是周期的或非周期的，具有幅度、頻率和相位等特性。離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)描述01通過逐步代入計(jì)算，求解差分方程的解，適用于簡單系統(tǒng)和初步分析。迭代法02通過Z變換將差分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程，進(jìn)而求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)等特性。Z變換法03通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，利用矩陣運(yùn)算求解差分方程，適用于多輸入多輸出系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)分析。狀態(tài)空間法差分方程求解方法Z變換的定義和性質(zhì)Z變換是將離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)平面上的函數(shù)，具有線性性、時(shí)移性、頻移性和卷積性等性質(zhì)。Z變換在求解差分方程中的應(yīng)用通過Z變換將差分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程，可以方便地求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)等特性。Z變換在離散系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用利用Z變換可以分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性、因果性和頻率響應(yīng)等特性，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。同時(shí)，Z變換也可以用于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和分析等應(yīng)用領(lǐng)域。010203Z變換在離散系統(tǒng)中的應(yīng)用非線性系統(tǒng)分析05通過繪制系統(tǒng)的輸入-輸出特性曲線，直觀展示非線性特性。圖形描述法利用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系，便于理論分析和計(jì)算。解析描述法通過列出系統(tǒng)在不同輸入下的輸出值，形成輸入輸出對應(yīng)表，方便查閱和對比。表格描述法非線性特性描述方法相平面的概念在相平面上繪制系統(tǒng)狀態(tài)變量的軌跡，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。極限環(huán)與振蕩研究相平面上可能出現(xiàn)的極限環(huán)及其性質(zhì)，分析系統(tǒng)的振蕩行為。平衡點(diǎn)與穩(wěn)定性通過分析相平面上的平衡點(diǎn)及其性質(zhì)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相平面法分析非線性系統(tǒng)描述函數(shù)的概念用一次諧波分量近似表示非線性環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。描述函數(shù)法的應(yīng)用利用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自振頻率等動(dòng)態(tài)特性。描述函數(shù)的性質(zhì)研究描述函數(shù)的幅值、相位等特性，分析非線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例06溫度傳感器選擇控制算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析人機(jī)界面設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)用場景和精度要求，選擇合適的溫度傳感器，如熱敏電阻、熱電偶等。通過繪制根軌跡圖、頻率特性曲線等方法，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。采用PID控制算法，根據(jù)溫度誤差調(diào)節(jié)加熱或冷卻設(shè)備的功率，實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。設(shè)計(jì)簡潔直觀的人機(jī)界面，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化和進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)負(fù)載特性和速度控制精度要求，選擇合適的電機(jī)類型，如直流電機(jī)、交流電機(jī)等。電機(jī)選型采用速度閉環(huán)控制算法，根據(jù)速度誤差調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出，實(shí)現(xiàn)速度的精確控制?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)通過繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線、頻率特性曲線等，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，確保系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)速度指令。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析設(shè)計(jì)過流、過壓、過熱等保護(hù)電路，確保電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的安全運(yùn)行。安全防護(hù)措施速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制算法設(shè)計(jì)采用位置閉環(huán)控制算法，根據(jù)位置誤差調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，實(shí)現(xiàn)位置的精確控制?？垢蓴_措施設(shè)計(jì)濾波器、隔離電路等抗干擾措施，提高系統(tǒng)對外部干擾的抵抗能力。系統(tǒng)定位精度分析通過繪制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差曲線、動(dòng)態(tài)誤差曲線等，分析系統(tǒng)的定位精度，確保系統(tǒng)能夠滿足定位要求。位置傳感器選擇根據(jù)位置檢測精度和環(huán)境要求，選擇合適的位置傳感器，如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代控制理論在自動(dòng)控制中應(yīng)用07狀態(tài)變量的定義與性質(zhì)狀態(tài)變量是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的最小變量集，具有可觀測性和可控制性。狀態(tài)空間方程的建立通過物理定律和系統(tǒng)約束條件，建立系統(tǒng)狀態(tài)空間方程，描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。狀態(tài)空間法的分析方法包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、狀態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性分析等，用于研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。狀態(tài)空間法描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)030201最優(yōu)控制理論的基本方法包括變分法、最大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等，用于求解最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用如導(dǎo)彈攔截、機(jī)器人路徑規(guī)劃、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度等。最優(yōu)控制問題的提法根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)和約束條件，提出最優(yōu)控制問題，如時(shí)間最優(yōu)、能量最優(yōu)等