自控原理教學(xué)課件

自控原理目錄自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)01自動(dòng)控制系統(tǒng)概述Chapter定義自動(dòng)控制系統(tǒng)是指在無(wú)人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控對(duì)象的某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、速度、角度等）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的系統(tǒng)。組成自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、測(cè)量變送器等環(huán)節(jié)組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)的定義與組成可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)?？煞譃楹阒悼刂葡到y(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？煞譃殚_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)?？煞譃榫€性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。按給定信號(hào)分類按控制原理分類按系統(tǒng)參數(shù)分類按系統(tǒng)特性分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，其輸出能夠自動(dòng)地返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)或者趨近于新的平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，其輸出量從原來(lái)的平衡狀態(tài)過(guò)渡到新的平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，其輸出量與給定輸入量之間的偏差大小。030201自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)02自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Chapter03系統(tǒng)穩(wěn)定性分析通過(guò)微分方程模型，可分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，判斷系統(tǒng)在不同條件下的表現(xiàn)。01描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為微分方程模型通過(guò)數(shù)學(xué)方程描述系統(tǒng)輸入、輸出及內(nèi)部狀態(tài)之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為。02線性與非線性系統(tǒng)微分方程模型適用于線性和非線性系統(tǒng)，可通過(guò)方程求解分析系統(tǒng)性能。微分方程模型傳遞函數(shù)模型是頻域分析方法的基礎(chǔ)，可描述系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)特性。頻域分析方法通過(guò)傳遞函數(shù)模型，可評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如幅頻特性、相頻特性等。系統(tǒng)性能評(píng)估傳遞函數(shù)模型可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正，改善系統(tǒng)性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正傳遞函數(shù)模型時(shí)域分析方法狀態(tài)空間模型采用時(shí)域分析方法，描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。系統(tǒng)可控性與可觀性狀態(tài)空間模型可分析系統(tǒng)的可控性和可觀性，判斷系統(tǒng)是否能夠通過(guò)控制輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)期狀態(tài)。最優(yōu)控制設(shè)計(jì)基于狀態(tài)空間模型，可進(jìn)行最優(yōu)控制設(shè)計(jì)，如線性二次型最優(yōu)控制等。狀態(tài)空間模型03自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析Chapter響應(yīng)從0開(kāi)始到達(dá)其穩(wěn)態(tài)值50%所需的時(shí)間。響應(yīng)達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。響應(yīng)到達(dá)并保持在穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）內(nèi)所需的最短時(shí)間。響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間。響應(yīng)的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之差的百分比。延遲時(shí)間td上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp超調(diào)量σ%調(diào)節(jié)時(shí)間ts時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)呈指數(shù)形式，其時(shí)間常數(shù)T決定了響應(yīng)的速度。當(dāng)T較小時(shí)，響應(yīng)速度較快，反之則較慢。一階系統(tǒng)的穩(wěn)定性由其特征方程的根的位置決定，當(dāng)根位于復(fù)平面的左半平面時(shí)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一階系統(tǒng)時(shí)域分析二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)可能呈現(xiàn)過(guò)阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過(guò)阻尼情況下，響應(yīng)無(wú)振蕩，平穩(wěn)上升至穩(wěn)態(tài)值；臨界阻尼時(shí)，響應(yīng)以最快速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；欠阻尼時(shí)，響應(yīng)出現(xiàn)振蕩，超調(diào)量較大。二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于其阻尼比ζ和自然頻率ωn。當(dāng)ζ>1時(shí)，系統(tǒng)為過(guò)阻尼；ζ=1時(shí)，為臨界阻尼；0≤ζ<1時(shí)，為欠阻尼。同時(shí)，ωn的大小決定了振蕩的頻率。二階系統(tǒng)時(shí)域分析04自動(dòng)控制系統(tǒng)的頻域分析Chapter123系統(tǒng)對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)。頻率響應(yīng)描述系統(tǒng)或元件的頻率響應(yīng)與頻率關(guān)系的特性。頻率特性分別表示系統(tǒng)或元件對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)的幅度和相位與頻率之間的關(guān)系。幅頻特性和相頻特性頻率特性基本概念積分環(huán)節(jié)輸出與輸入的積分成正比，幅頻特性隨頻率的增大而減小，相頻特性為-90°。比例環(huán)節(jié)輸出與輸入成正比，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性為零。微分環(huán)節(jié)輸出與輸入的微分成正比，幅頻特性隨頻率的增大而增大，相頻特性為+90°。振蕩環(huán)節(jié)具有二階振蕩特性，幅頻特性在某個(gè)特定頻率處達(dá)到峰值，相頻特性從0°逐漸減小到-180°。慣性環(huán)節(jié)具有一階滯后特性，幅頻特性隨頻率的增大而減小，相頻特性從0°逐漸減小到-90°。典型環(huán)節(jié)頻率特性對(duì)數(shù)幅頻曲線以頻率為橫坐標(biāo)，以對(duì)數(shù)幅值為縱坐標(biāo)繪制的曲線。該曲線可以更方便地表示系統(tǒng)在不同頻率下的幅值響應(yīng)，并便于進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。幅相曲線以頻率為橫坐標(biāo)，以幅值和相位為縱坐標(biāo)繪制的曲線。通過(guò)該曲線可以直觀地了解系統(tǒng)在不同頻率下的幅值和相位響應(yīng)。對(duì)數(shù)相頻曲線以頻率為橫坐標(biāo)，以對(duì)數(shù)相位為縱坐標(biāo)繪制的曲線。該曲線可以更方便地表示系統(tǒng)在不同頻率下的相位響應(yīng)，并便于進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線的繪制05自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析Chapter穩(wěn)定性的分類根據(jù)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的表現(xiàn)，可分為靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性與系統(tǒng)性能的關(guān)系穩(wěn)定性是自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作的前提，不穩(wěn)定的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)。穩(wěn)定性定義自動(dòng)控制系統(tǒng)在受到外部擾動(dòng)后，能夠恢復(fù)到原平衡狀態(tài)或達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的基本概念勞斯判據(jù)是一種代數(shù)判據(jù)，用于判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勞斯判據(jù)的定義根據(jù)系統(tǒng)特征方程的系數(shù)，構(gòu)造勞斯表。勞斯表的構(gòu)造通過(guò)檢查勞斯表中第一列元素的符號(hào)變化，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若第一列元素符號(hào)變化次數(shù)等于系統(tǒng)特征方程的次數(shù)，則系統(tǒng)穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。勞斯判據(jù)的應(yīng)用勞斯判據(jù)奈奎斯特判據(jù)的定義奈奎斯特判據(jù)是一種基于頻率響應(yīng)的圖形判據(jù)，用于判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性。奈奎斯特圖的繪制在復(fù)平面上繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)的軌跡。奈奎斯特判據(jù)的應(yīng)用通過(guò)觀察奈奎斯特圖是否包圍復(fù)平面的原點(diǎn)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若奈奎斯特圖不包圍原點(diǎn)，則系統(tǒng)穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，奈奎斯特圖還可以提供系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度等信息。奈奎斯特判據(jù)06自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)Chapter

系統(tǒng)性能指標(biāo)與校正方式靜態(tài)性能指標(biāo)主要包括穩(wěn)態(tài)誤差，用于衡量系統(tǒng)輸出與期望輸出之間的差異。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間等，用于描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的特性。校正方式根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，選擇合適的校正方式，如超前校正、滯后校正、滯后-超前校正等。如電阻、電容、電感等，通過(guò)改變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)校正。無(wú)源校正裝置如運(yùn)算放大器、比較器等，通過(guò)引入附加的放大環(huán)節(jié)來(lái)改善系統(tǒng)性能。有源校正裝置如數(shù)字控制器、數(shù)字濾波器等，通過(guò)數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的校正。數(shù)字校正裝置常用