自動(dòng)控制原理說(shuō)課演講人：日期：目錄01緒論02系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型03系統(tǒng)的時(shí)域分析04線性系統(tǒng)的根軌跡分析法05控制系統(tǒng)的頻率法分析06控制系統(tǒng)的校正01緒論自動(dòng)控制的意義提高生產(chǎn)效率、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件等定義自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行自動(dòng)控制的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事等領(lǐng)域，如無(wú)人駕駛、自動(dòng)化生產(chǎn)線、溫度控制等自動(dòng)控制的基本概念瓦特發(fā)明離心調(diào)速器，標(biāo)志著自動(dòng)控制理論的萌芽初級(jí)階段以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，建立了以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，解決了單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題經(jīng)典控制理論階段以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，解決了多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題，并引入了計(jì)算機(jī)控制、智能控制等新技術(shù)現(xiàn)代控制理論階段自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成、數(shù)學(xué)模型、分析方法、設(shè)計(jì)原理等課程內(nèi)容使學(xué)生掌握自動(dòng)控制原理的基本概念和基本原理，具備分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程和從事自動(dòng)控制領(lǐng)域的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)課程目標(biāo)自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容與目標(biāo)02系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型微分方程的定義與性質(zhì)微分方程描述了系統(tǒng)輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的數(shù)學(xué)工具。微分方程的建立根據(jù)系統(tǒng)的物理特性或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，利用物理定律或數(shù)學(xué)方法建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的微分方程。微分方程的求解通過(guò)數(shù)學(xué)方法求解微分方程，得到系統(tǒng)輸入與輸出之間的解析關(guān)系，為系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)的微分方程描述傳遞函數(shù)的定義與性質(zhì)傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，它表示系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳遞關(guān)系。傳遞函數(shù)的求解通過(guò)系統(tǒng)的微分方程或結(jié)構(gòu)圖，利用數(shù)學(xué)方法求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或微分方程，繪制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，直觀地展示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和組成。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖01典型環(huán)節(jié)的分類(lèi)典型環(huán)節(jié)是組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本單元，包括放大環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)等。典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)02典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)典型環(huán)節(jié)的輸入輸出特性和物理特性，建立其數(shù)學(xué)模型。03典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)模型求解典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，為系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際物理特性和控制要求，建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化在保證系統(tǒng)主要?jiǎng)討B(tài)特性不變的前提下，對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用將簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)，為自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究提供理論支持。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與簡(jiǎn)化03系統(tǒng)的時(shí)域分析系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)上升時(shí)間指系統(tǒng)從輸入信號(hào)開(kāi)始到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的某一百分比所需的時(shí)間。超調(diào)量指系統(tǒng)輸出超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，通常以百分比表示。調(diào)節(jié)時(shí)間指系統(tǒng)從輸入信號(hào)開(kāi)始到達(dá)穩(wěn)態(tài)值附近某一誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。穩(wěn)態(tài)誤差指系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出量與輸入量之間的偏差。一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)指一階系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)過(guò)程，表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出的變化。一階系統(tǒng)的時(shí)域分析典型一階系統(tǒng)如慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間響應(yīng)特性表現(xiàn)為輸出量隨時(shí)間緩慢變化，逐漸逼近穩(wěn)態(tài)值。一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)性能指標(biāo)主要包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等。指二階系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)過(guò)程，表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出的振蕩和衰減特性。二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)影響二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的重要參數(shù)，決定了系統(tǒng)振蕩的劇烈程度和衰減速度。阻尼比主要包括上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等。二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)性能指標(biāo)二階系統(tǒng)的時(shí)域分析高階系統(tǒng)的時(shí)域分析高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)指高階系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)過(guò)程，表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出的復(fù)雜變化。高階系統(tǒng)的特性高階系統(tǒng)具有多個(gè)極點(diǎn)，其時(shí)間響應(yīng)可能包含多個(gè)振蕩模態(tài)，且振蕩的劇烈程度和衰減速度各不相同。高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)性能指標(biāo)主要包括上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等，但分析起來(lái)更加復(fù)雜。04線性系統(tǒng)的根軌跡分析法根軌跡是系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)在復(fù)平面上的軌跡。根軌跡定義包括根軌跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)、漸近線、分離點(diǎn)、會(huì)合點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)的確定方法。繪制基本法則通過(guò)根軌跡可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。根軌跡與系統(tǒng)性能關(guān)系根軌跡的基本概念與繪制法則010203繪制步驟利用對(duì)稱(chēng)性和分段近似等方法簡(jiǎn)化繪制過(guò)程。根軌跡的簡(jiǎn)化繪制閉環(huán)零點(diǎn)的影響分析閉環(huán)零點(diǎn)對(duì)根軌跡形狀和系統(tǒng)性能的影響。確定系統(tǒng)特征方程、找出關(guān)鍵點(diǎn)、繪制根軌跡。常規(guī)根軌跡的繪制方法廣義根軌跡的繪制方法010203參數(shù)根軌跡當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，根軌跡如何變化以及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。零度根軌跡用于分析系統(tǒng)在某些特定條件下的穩(wěn)定性和性能。根軌跡的靈敏度分析系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)根軌跡形狀和位置的敏感度。根據(jù)根軌跡確定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并進(jìn)行調(diào)整。穩(wěn)態(tài)性能分析利用根軌跡法評(píng)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等，并進(jìn)行優(yōu)化。動(dòng)態(tài)性能分析通過(guò)根軌跡判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并采取措施改善。穩(wěn)定性分析系統(tǒng)性能的分析與改善05控制系統(tǒng)的頻率法分析頻率特性是描述系統(tǒng)對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的重要指標(biāo)。頻率特性定義頻率特性曲線，包括幅頻特性曲線和相頻特性曲線。頻率特性的表示方法通過(guò)分析系統(tǒng)的頻率特性，可以了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、抗干擾能力等。頻率特性的重要性頻率特性的基本概念與表示方法比例環(huán)節(jié)放大倍數(shù)K與頻率無(wú)關(guān)，不改變信號(hào)的相位。典型環(huán)節(jié)的頻率特性分析01積分環(huán)節(jié)低頻增益大，高頻增益小，相位滯后90°。02微分環(huán)節(jié)高頻增益大，低頻增益小，相位超前90°。03慣性環(huán)節(jié)對(duì)高頻信號(hào)有衰減和相位滯后作用，其頻率特性與一階系統(tǒng)類(lèi)似。04繪制方法通過(guò)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，將各環(huán)節(jié)頻率特性進(jìn)行疊加，得到系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線。頻率特性的修正系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的繪制與分析通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)校正裝置，改變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。0102閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)諧振峰值Mr、諧振頻率ωr、帶寬ωb、相位裕度φm等。頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系Mr反映系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力，ωr決定系統(tǒng)響應(yīng)速度，ωb決定系統(tǒng)抗高頻噪聲能力，φm反映系統(tǒng)穩(wěn)定性。頻域性能指標(biāo)的優(yōu)化通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)或校正裝置，使閉環(huán)系統(tǒng)頻域性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。閉環(huán)系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)及其與時(shí)域性能指標(biāo)的關(guān)系06控制系統(tǒng)的校正定義系統(tǒng)校正是對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整或引入附加裝置，以改變系統(tǒng)性能，使其滿(mǎn)足特定要求的過(guò)程。方法分類(lèi)根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式，可分為串聯(lián)校正、并聯(lián)校正和反饋校正。控制系統(tǒng)校正的基本概念與方法分類(lèi)串聯(lián)校正是在系統(tǒng)前向通路中串聯(lián)一個(gè)校正裝置，通過(guò)調(diào)整其參數(shù)以改變系統(tǒng)性能。原理確定系統(tǒng)性能指標(biāo)，選擇合適的校正裝置類(lèi)型，根據(jù)系統(tǒng)特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，最后對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。設(shè)計(jì)方法超前校正器、滯后校正器、滯后-超前校正器等。常用裝置串聯(lián)校正的原理與設(shè)計(jì)方法原理并聯(lián)校正是在系統(tǒng)前向通路中并聯(lián)一個(gè)校正裝置，通過(guò)調(diào)整其參數(shù)以改變系統(tǒng)性能。常用裝置反饋校正器、并聯(lián)超前校正器等。設(shè)計(jì)方法根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，選擇合適的并聯(lián)校正裝置類(lèi)型，確定裝置參數(shù)，并對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。特點(diǎn)并聯(lián)校正裝置通常具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，但可能會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。01030204并聯(lián)校正的原理與設(shè)計(jì)方法原理反饋校正是將系統(tǒng)輸出信號(hào)反饋到輸入端，與系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行比