哈工大自動控制原理課件

哈工大自動控制原理課件緒論歡迎來到哈工大自動控制原理課件，我們將深入學習自動控制的基本概念、理論和應用?？刂葡到y(tǒng)的概念目標控制系統(tǒng)旨在根據(jù)預設目標，調(diào)整被控對象的運行狀態(tài)。反饋反饋機制通過監(jiān)測被控對象的狀態(tài)，將信息傳遞給控制器，以進行調(diào)整。自動控制自動控制系統(tǒng)利用控制器的自動調(diào)節(jié)功能，無需人工干預，實現(xiàn)對被控對象的控制?？刂葡到y(tǒng)的分類開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋回路，控制器的輸出直接作用于被控對象，不考慮被控對象的狀態(tài)變化。例如：簡單的定時器，自動售貨機。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋回路，被控對象的輸出信號反饋到控制器，用來修正控制器的輸出，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況進行調(diào)整。例如：自動駕駛汽車，恒溫器。控制系統(tǒng)的基本組成部分控制器根據(jù)系統(tǒng)的期望性能，發(fā)出控制信號，以改變被控對象的運行狀態(tài)。被控對象控制系統(tǒng)要控制的設備或過程，例如電機、溫度、壓力等。傳感器測量被控對象的狀態(tài)，并將測量結果轉換為信號反饋給控制器。執(zhí)行機構根據(jù)控制器的指令，改變被控對象的運行狀態(tài)，例如電機轉速、閥門開度等。信號及其描述定義信號是隨時間變化的物理量，例如電壓、電流、溫度、壓力等。類型信號可以是連續(xù)的或離散的，確定性的或隨機的，周期性的或非周期性的。描述信號可以用數(shù)學函數(shù)、圖表或波形來描述。線性時不變系統(tǒng)模型微分方程描述系統(tǒng)輸入與輸出之間關系傳遞函數(shù)系統(tǒng)輸入與輸出的拉普拉斯變換之比狀態(tài)空間用狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動態(tài)特性微分方程法1建立模型利用物理定律和系統(tǒng)參數(shù)，建立系統(tǒng)的微分方程模型。2求解方程利用數(shù)學方法求解微分方程，得到系統(tǒng)的輸出響應。3分析響應分析系統(tǒng)的響應特性，例如穩(wěn)定性、響應時間和超調(diào)量等。傳遞函數(shù)法1定義傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系2拉普拉斯變換將微分方程轉化為代數(shù)方程3應用分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、頻率響應狀態(tài)空間法1狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動態(tài)特性的最小數(shù)量的變量2狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間的變化3輸出方程將系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量聯(lián)系起來穩(wěn)定性定義及分類穩(wěn)定性定義系統(tǒng)在受到擾動后，能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，并最終恢復到平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性分類漸近穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法1根軌跡法根軌跡法是一種圖形化方法，用于分析反饋控制系統(tǒng)在參數(shù)變化時的穩(wěn)定性。2頻域分析法頻域分析法通過分析系統(tǒng)的頻率響應來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3李雅普諾夫穩(wěn)定性理論李雅普諾夫穩(wěn)定性理論提供了一種數(shù)學方法，用于判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根軌跡法1繪制根軌跡根軌跡是系統(tǒng)開環(huán)極點隨增益變化的軌跡，用于分析閉環(huán)極點的位置和系統(tǒng)穩(wěn)定性。2確定根軌跡的起始點和終止點根軌跡從開環(huán)極點開始，并延伸至開環(huán)零點或無窮遠處。3利用根軌跡法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性通過觀察根軌跡在s平面上的位置，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)響應的特性。頻域分析法1頻率響應系統(tǒng)對不同頻率輸入的響應特性2伯德圖系統(tǒng)頻率響應的圖形表示3奈奎斯特圖系統(tǒng)開環(huán)頻率響應的極坐標圖伯德圖與奈奎斯特圖伯德圖和奈奎斯特圖是系統(tǒng)頻率響應的圖形表示，用于分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。伯德圖由兩個圖組成：幅頻特性圖和相頻特性圖，分別以頻率為橫坐標，幅度和相位為縱坐標。奈奎斯特圖以復平面表示系統(tǒng)的頻率響應，橫坐標為實部，縱坐標為虛部。系統(tǒng)性能指標快速性系統(tǒng)對輸入信號的響應速度。準確性系統(tǒng)輸出信號與期望輸出信號之間的偏差程度。穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到干擾或擾動后恢復到平衡狀態(tài)的能力。校正網(wǎng)絡比例控制器通過改變增益來調(diào)整系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導致系統(tǒng)響應變慢。微分控制器提高系統(tǒng)響應速度，并抑制振蕩。比例控制器基本原理比例控制器的輸出信號與誤差信號成比例關系，比例系數(shù)Kp決定了控制器的靈敏度。優(yōu)點結構簡單，易于實現(xiàn)，響應速度快，成本低。缺點無法消除穩(wěn)態(tài)誤差，存在超調(diào)和振蕩，對系統(tǒng)參數(shù)變化敏感。積分控制器作用積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)精度。原理積分控制器的輸出與輸入誤差的積分成正比。當誤差存在時，積分器輸出持續(xù)增加，直到誤差消除。特點積分控制器對輸入誤差有記憶功能，可以累積誤差，提高系統(tǒng)精度，但可能導致系統(tǒng)超調(diào)。比例-積分控制器比例控制比例控制根據(jù)偏差的大小進行控制，偏差越大，控制量越大。比例控制可以快速響應，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制積分控制根據(jù)偏差的累積量進行控制，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但響應速度較慢。比例-積分控制比例-積分控制結合了比例控制和積分控制的優(yōu)點，既能快速響應又能消除穩(wěn)態(tài)誤差，是常用的控制方式。微分控制器快速響應微分控制器的作用是預測未來誤差，并在誤差出現(xiàn)之前就采取措施，從而使系統(tǒng)更快地響應變化。抑制振蕩微分控制器可以抑制系統(tǒng)的振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提高精度微分控制器可以提高系統(tǒng)的精度，使其更準確地跟蹤目標值。比例-積分-微分控制器比例控制比例控制根據(jù)偏差的大小來調(diào)整控制量，偏差越大，控制量越大。積分控制積分控制根據(jù)偏差的積累來調(diào)整控制量，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制微分控制根據(jù)偏差的變化速率來調(diào)整控制量，可以提高系統(tǒng)的響應速度。離散系統(tǒng)分析采樣與量化離散系統(tǒng)將連續(xù)信號轉化為離散信號，通過采樣和量化來實現(xiàn)。Z變換Z變換是將離散時間信號轉化為復頻域信號，用于分析離散系統(tǒng)的頻率特性。離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析離散系統(tǒng)是否穩(wěn)定，可以通過分析極點的位置來判斷。數(shù)字控制器設計設計數(shù)字控制器，需要考慮離散系統(tǒng)的特性，并選擇合適的算法來實現(xiàn)控制目標。Z變換法1離散時間信號將連續(xù)時間信號離散化2Z變換將離散時間信號轉換為復頻域3系統(tǒng)分析分析離散時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性、頻率響應等特性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性定義離散系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動后，輸出是否會隨著時間推移而趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定性判別方法常用的穩(wěn)定性判別方法包括：極點判據(jù)、頻率判據(jù)、李雅普諾夫方法等。穩(wěn)定性意義穩(wěn)定性是離散系統(tǒng)正常運行的必要條件，確保系統(tǒng)輸出不會隨著時間推移而無限增長。數(shù)字控制器設計1設計目標滿足系統(tǒng)性能指標2設計方法根軌跡法，頻率響應法等3實現(xiàn)方式數(shù)字信號處理器（DSP）數(shù)字控制器設計是將控制算法轉化為可執(zhí)行的數(shù)字代碼的過程。設計目標是滿足系統(tǒng)性能指標，如穩(wěn)定性、快速性、精度等。常用的設計方法包括根軌跡法、頻率響應法等。數(shù)字控制器通常由數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)。系統(tǒng)辨識1模型建立系統(tǒng)辨識旨在建立一個數(shù)學模型來描述系統(tǒng)行為。2數(shù)據(jù)采集通過實驗或觀測收集系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)。3參數(shù)估計利用數(shù)據(jù)估計模型參數(shù)，使模型盡可能接近真實系統(tǒng)。自適應控制環(huán)境變化自適應控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)整控制參數(shù)。未知參數(shù)自適應控制系統(tǒng)不需要預先知道系統(tǒng)參數(shù)，可以通過在線學習的方式來估計參數(shù)。魯棒性自適應控制系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾具有很強的魯棒性。模糊控制1語言變量模糊控制使用語言變量來描述不確定性，例如“低”、“中等”、“高”。2隸屬度函數(shù)隸屬度函數(shù)用于將語言變量映射到數(shù)值范圍，例如“低”可以對應于0-0.5的范圍。3模糊規(guī)則模糊規(guī)則使用邏輯運算符來組合語言變量，例如“如果速度低，則輸出高”。神經(jīng)網(wǎng)絡控制自適應學習神經(jīng)網(wǎng)絡能夠學習和適應不斷變化的環(huán)境，從而提高控制系統(tǒng)的