《控制系统的》课件.ppt

*******************控制系统概述控制系统是一种自动化系统,利用反馈机制来调节系统的输出,使之达到预期的目标。它广泛应用于工业生产、交通运输、生活服务等各个领域,是实现现代化的关键技术之一。课程介绍掌握控制理论基础知识通过本课程学习，学生可以全面了解控制系统的定义、分类、性能指标及各种分析方法。学习经典控制技术课程涵盖时域分析、频域分析、稳定性判据、根轨迹法等控制系统分析和设计的关键技术。掌握数字控制与自适应控制课程还将介绍离散控制系统、状态空间法、智能控制等前沿控制理论和应用。控制系统的定义和基本结构控制系统的定义控制系统是一种通过输入、处理和输出信号来实现特定功能的自动化系统。它包括感测、比较、放大和执行等基本元素。控制系统的基本结构控制系统由输入、过程、反馈和输出四个基本部分组成。输入将系统的期望值传递到过程部分,过程根据反馈信号自动调整输出。反馈控制系统反馈控制系统通过将实际输出与期望输出进行比较并调整输入,实现自动调节。这种闭环结构可增强系统稳定性和精确性。反馈控制系统的分类开环控制系统不包含反馈环路,输出只取决于输入,无法自动调节以保持期望输出。适用于简单稳定的过程。闭环反馈控制系统包含反馈环路,通过测量输出并与设定值比较来调整输入,以达到期望输出。可自动调节,适用于复杂动态过程。时间离散控制系统以离散时间点采样输入输出,使用数字处理器进行控制,适用于数字化系统。连续时间控制系统输入输出连续变化,使用模拟电路实现控制,适用于模拟系统。控制系统的性能指标控制系统的性能指标衡量了系统的响应能力和稳定性。主要包括响应时间、稳态误差、稳定性、灵敏度和鲁棒性等方面。这些指标可以描述系统的动态行为,并为设计和优化控制系统提供依据。控制系统时域分析建模首先需要建立控制系统的数学模型,描述系统的动态特性。常用的方法有传递函数法和状态空间法。时域响应分析分析系统在时域上的响应特性,如稳态值、瞬态响应和过渡过程等。这有助于评估系统性能和设计控制器。性能指标通过系统响应曲线计算出性能指标,如上升时间、峰值时间、超调量和稳定时间等,为控制系统设计提供依据。一阶系统的时域分析1系统响应分析研究一阶系统的瞬态响应特性2时间常数决定系统的响应速度3稳态误差分析系统达到稳态时的误差一阶系统的时域分析主要关注系统的瞬态响应特性,如时间常数、过冲量等。通过研究这些指标,可以评估系统的性能,为后续的控制器设计提供依据。同时,还需要分析系统的稳态误差,以确保控制目标的实现。二阶系统的时域分析1过渡响应二阶系统通常呈现出振荡和衰减的过渡响应2振荡频率系统的振荡频率取决于系统参数3阻尼比决定响应的衰减速度和振荡幅度4稳定性阻尼比不同会导致系统稳定性不同二阶系统的时域特性主要由系统的振荡频率和阻尼比决定。不同的阻尼比会造成系统在过渡过程中呈现出不同程度的振荡和衰减。这些性能指标直接影响着系统的稳定性和响应速度。合理选择系统参数是确保二阶系统良好性能的关键。控制系统频域分析1频域分析方法利用傅立叶变换将时域信号转换到频域进行分析,从而更好地理解系统的频率特性。2频响函数频响函数能反映系统对不同频率输入的幅值和相位响应,是频域分析的基础。3伯德图与奈奎斯特图通过绘制伯德图和奈奎斯特图可以直观地观察系统的频率特性和稳定性。频域分析方法1傅里叶变换将时域信号转化为频域信号,分析系统频率特性,如增益和相位。2伯德图法通过绘制系统的幅频和相频特性,直观展示系统性能。3奈奎斯特稳定性判据基于系统的开环频率特性,判断系统是否稳定。4根轨迹法从系统特征方程角度分析系统稳定性和动态性能。稳定性分析评估系统稳定性控制系统的稳定性是关键性能指标之一，可以评估系统对干扰和参数变化的抗干扰能力。Routh稳定性判据通过分析特征方程的根轨迹,可以确定系统的稳定性,Routh判据是一种常用的方法。Nyquist稳定性判据基于Nyquist图分析系统的稳定性,判断系统是否有不稳定的极点。限制循环分析非线性系统存在限制循环振荡,影响系统稳定性,需要进行分析和预防。稳定性判据1拉斯-哈伯定理利用特征方程的系数判断系统是否稳定。只要特征方程的系数都大于0，则系统就是稳定的。2鲁斯-霍维茨判据通过构造一个多项式的Hurwitz行列式来判断系统的稳定性。只要Hurwitz行列式大于0，则系统就是稳定的。3米尔斯-斯瑞德定理对于二阶系统来说，通过检查系统的阻尼比就可以判断系统的稳定性。4勃德-谢文诺夫判据通过判断系统特征方程根的位置来判断系统稳定性。