哈工大自動(dòng)控制原理課件緒論歡迎來(lái)到哈工大自動(dòng)控制原理課件，我們將深入學(xué)習(xí)自動(dòng)控制的基本概念、理論和應(yīng)用。控制系統(tǒng)的概念目標(biāo)控制系統(tǒng)旨在根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)，調(diào)整被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。反饋反饋機(jī)制通過(guò)監(jiān)測(cè)被控對(duì)象的狀態(tài)，將信息傳遞給控制器，以進(jìn)行調(diào)整。自動(dòng)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)利用控制器的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。控制系統(tǒng)的分類開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有反饋回路，控制器的輸出直接作用于被控對(duì)象，不考慮被控對(duì)象的狀態(tài)變化。例如：簡(jiǎn)單的定時(shí)器，自動(dòng)售貨機(jī)。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(duì)象的輸出信號(hào)反饋到控制器，用來(lái)修正控制器的輸出，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。例如：自動(dòng)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(hào)，以改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。被控對(duì)象控制系統(tǒng)要控制的設(shè)備或過(guò)程，例如電機(jī)、溫度、壓力等。傳感器測(cè)量被控對(duì)象的狀態(tài)，并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為信號(hào)反饋給控制器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器的指令，改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，例如電機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門開(kāi)度等。信號(hào)及其描述定義信號(hào)是隨時(shí)間變化的物理量，例如電壓、電流、溫度、壓力等。類型信號(hào)可以是連續(xù)的或離散的，確定性的或隨機(jī)的，周期性的或非周期性的。描述信號(hào)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)、圖表或波形來(lái)描述。線性時(shí)不變系統(tǒng)模型微分方程描述系統(tǒng)輸入與輸出之間關(guān)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(dòng)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(xué)方法求解微分方程，得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。3分析響應(yīng)分析系統(tǒng)的響應(yīng)特性，例如穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)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(guān)系2拉普拉斯變換將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程3應(yīng)用分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、頻率響應(yīng)狀態(tài)空間法1狀態(tài)變量描述系統(tǒng)動(dòng)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(shí)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(lái)穩(wěn)定性定義及分類穩(wěn)定性定義系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，并最終恢復(fù)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(shí)的穩(wěn)定性。2頻域分析法頻域分析法通過(guò)分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來(lái)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(xué)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(kāi)環(huán)極點(diǎn)隨增益變化的軌跡，用于分析閉環(huán)極點(diǎn)的位置和系統(tǒng)穩(wěn)定性。2確定根軌跡的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)根軌跡從開(kāi)環(huán)極點(diǎn)開(kāi)始，并延伸至開(kāi)環(huán)零點(diǎn)或無(wú)窮遠(yuǎn)處。3利用根軌跡法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性通過(guò)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(yīng)的特性。頻域分析法1頻率響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同頻率輸入的響應(yīng)特性2伯德圖系統(tǒng)頻率響應(yīng)的圖形表示3奈奎斯特圖系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)的極坐標(biāo)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(yīng)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(gè)圖組成：幅頻特性圖和相頻特性圖，分別以頻率為橫坐標(biāo)，幅度和相位為縱坐標(biāo)。奈奎斯特圖以復(fù)平面表示系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，橫坐標(biāo)為實(shí)部，縱坐標(biāo)為虛部。系統(tǒng)性能指標(biāo)快速性系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。準(zhǔn)確性系統(tǒng)輸出信號(hào)與期望輸出信號(hào)之間的偏差程度。穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到干擾或擾動(dòng)后恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。校正網(wǎng)絡(luò)比例控制器通過(guò)改變?cè)鲆鎭?lái)調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)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(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢。微分控制器提高系統(tǒng)響應(yīng)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(hào)與誤差信號(hào)成比例關(guān)系，比例系數(shù)Kp決定了控制器的靈敏度。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，成本低。缺點(diǎn)無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差，存在超調(diào)和振蕩，對(duì)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(dāng)誤差存在時(shí)，積分器輸出持續(xù)增加，直到誤差消除。特點(diǎn)積分控制器對(duì)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(dǎo)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(jìn)行控制，偏差越大，控制量越大。比例控制可以快速響應(yīng)，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(jìn)行控制，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)速度較慢。比例-積分控制比例-積分控制結(jié)合了比例控制和積分控制的優(yōu)點(diǎn)，既能快速響應(yīng)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(yīng)微分控制器的作用是預(yù)測(cè)未來(lái)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(yīng)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(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)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(lái)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(lái)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(lái)調(diào)整控制量，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，通過(guò)采樣和量化來(lái)實(shí)現(xiàn)。Z變換Z變換是將離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為復(fù)頻域信號(hào)，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(guò)分析極點(diǎn)的位置來(lái)判斷。數(shù)字控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。Z變換法1離散時(shí)間信號(hào)將連續(xù)時(shí)間信號(hào)離散化2Z變換將離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域3系統(tǒng)分析分析離散時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定性、頻率響應(yīng)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(dòng)后，輸出是否會(huì)隨著時(shí)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(diǎn)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(yùn)行的必要條件，確保系統(tǒng)輸出不會(huì)隨著時(shí)間推移而無(wú)限增長(zhǎng)。數(shù)字控制器設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)目標(biāo)滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)2設(shè)計(jì)方法根軌跡法，頻率響應(yīng)法等3實(shí)現(xiàn)方式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）數(shù)字控制器設(shè)計(jì)是將控制算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的數(shù)字代碼的過(guò)程。設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)，如穩(wěn)定性、快速性、精度等。常用的設(shè)計(jì)方法包括根軌跡法、頻率響應(yīng)法等。數(shù)字控制器通常由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)辨識(shí)1模型建立系統(tǒng)辨識(shí)旨在建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述系統(tǒng)行為。2數(shù)據(jù)采集通過(guò)實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)收集系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)。3參數(shù)估計(jì)利用數(shù)據(jù)估計(jì)模型參數(shù)，使模型盡可能接近真實(shí)系統(tǒng)。自適應(yīng)控制環(huán)境變化自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。未知參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)不需要預(yù)先知道系統(tǒng)參數(shù)，可以通過(guò)在線學(xué)習(xí)的方式來(lái)估計(jì)參數(shù)。魯棒性自適應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾具有很強(qiáng)的魯棒性。模糊控制1語(yǔ)言變量模糊控制使用語(yǔ)言變量來(lái)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(yǔ)言變量映射到數(shù)值范圍，例如“低”可以對(duì)應(yīng)于0-0.5的范圍。3模糊規(guī)則模糊規(guī)則使用邏輯運(yùn)算符來(lái)組合語(yǔ)言變量，例如“如果速度低，則輸出高”。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制自適應(yīng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，從而提高控制系統(tǒng)的