第二十三讲反馈控制系统设计(四) - 国防科技大学.ppt
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反馈控制系统课程设计
反馈控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解反馈控制系统的基本概念，掌握其工作原理和数学模型；2. 使学生掌握反馈控制系统稳定性、准确性和鲁棒性的分析方法；3. 帮助学生了解反馈控制系统在实际工程中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用数学工具分析和解决反馈控制系统中问题的能力；2. 培养学生设计简单反馈控制系统的能力，提高其动手实践能力；3. 提高学生利用现代信息技术查找资料、自主学习的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对待科学技术的正确态度，提高其创新意识和团队合作精神；2. 激发学生对自动化领域的兴趣，引导其关注我国自动化技术的发展；3. 培养学生具备良好的工程伦理素养，使其在未来的工作中能够遵循职业道德，为社会做出贡献。
课程性质分析：本课程为自动化专业核心课程，旨在帮助学生建立反馈控制系统的基本理论体系，为后续专业课程打下坚实基础。
学生特点分析：学生具备一定的数学基础和电路基础知识，对自动化领域有一定的了解，但缺乏实际工程经验。
教学要求：1. 注重理论联系实际，提高学生的实际应用能力；2. 鼓励学生积极参与课堂讨论，培养其独立思考能力；3. 结合现代教育技术，提高课堂教学效果。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 反馈控制系统基本概念：介绍反馈控制系统的定义、分类及基本组成部分，分析开环控制系统与闭环控制系统的区别与联系。
2. 反馈控制系统的数学模型：讲解线性系统、非线性系统及离散时间系统的数学模型，分析不同模型的适用场合。
3. 反馈控制系统的性能分析：探讨稳定性、准确性和鲁棒性等性能指标，介绍相应的分析方法。
4. 反馈控制器设计：介绍PID控制器、状态反馈控制器、观测器设计等常见控制器的设计方法，分析各自优缺点。
5. 反馈控制系统的应用：结合实际案例，讲解反馈控制系统在工业、交通、生物医学等领域的应用。
6. 反馈控制系统仿真与实验：介绍MATLAB/Simulink等仿真软件在反馈控制系统中的应用，组织学生进行相关实验，提高实际操作能力。
中科大版--现代控制系统(最新版)精品电子教案第四章反馈控制系统特性
自动控制原理
中国科学技术大学 工业自动化研究所
第四章
反馈控制系统特性
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 引论 误差信号分析 控制系统对参数变化的灵敏度 反馈控制系统中的扰动信号 瞬态响应的控制 稳态误差 反馈的代价 设计实例 应用控制设计软件分析控制系统特性 系列设计案例：磁盘驱动器读取系统 总结
4.2 误差信号分析
4.2 误差信号分析 E s R s Y s G s 1 R s Td s 1 Gc s G s 1 Gc s G s Gc s G s N s 1 Gc s G s 定义回路增益loop gain：L s Gc s G s
4.2 误差信号分析
GcG 1 G E R Td N 1 GcG 1 GcG 1 GcG 1 G L R Td N 1 L 1 L 1 L 1、为减弱扰动Td s 对跟踪误差E s 的影响，在扰动频带内 L j Gc j G j 1 当G s 给定时，要求设计控制器使 Gc j 1 2、为抑制噪声N s 对跟踪误差E s 的影响，在噪声频带内 L j Gc j G j 1 当G s 给定时，要求设计控制器使 Gc j 1
4.3 控制系统对参数变化的灵敏度
被控过程G(s) 受到环境变化、元部件老化、 过程参数真实值未知或时变等因素的影响 开环系统中，这些误差和变化直接导致输出 变化、无法精确跟踪 闭环系统能感知由于过程变化引起的输出变 化，并试图修正控制器输出的控制量，从而 改变系统的输出量 控制系统对于参数变化的灵敏度非常重要 闭环反馈控制系统的主要优点是，它能够降 低系统对被控过程的参数变化的灵敏度
中国科学技术大学 工业自动化研究所
第四章
反馈控制系统特性
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 引论 误差信号分析 控制系统对参数变化的灵敏度 反馈控制系统中的扰动信号 瞬态响应的控制 稳态误差 反馈的代价 设计实例 应用控制设计软件分析控制系统特性 系列设计案例：磁盘驱动器读取系统 总结
4.2 误差信号分析
4.2 误差信号分析 E s R s Y s G s 1 R s Td s 1 Gc s G s 1 Gc s G s Gc s G s N s 1 Gc s G s 定义回路增益loop gain：L s Gc s G s
4.2 误差信号分析
GcG 1 G E R Td N 1 GcG 1 GcG 1 GcG 1 G L R Td N 1 L 1 L 1 L 1、为减弱扰动Td s 对跟踪误差E s 的影响，在扰动频带内 L j Gc j G j 1 当G s 给定时，要求设计控制器使 Gc j 1 2、为抑制噪声N s 对跟踪误差E s 的影响，在噪声频带内 L j Gc j G j 1 当G s 给定时，要求设计控制器使 Gc j 1
4.3 控制系统对参数变化的灵敏度
被控过程G(s) 受到环境变化、元部件老化、 过程参数真实值未知或时变等因素的影响 开环系统中，这些误差和变化直接导致输出 变化、无法精确跟踪 闭环系统能感知由于过程变化引起的输出变 化，并试图修正控制器输出的控制量，从而 改变系统的输出量 控制系统对于参数变化的灵敏度非常重要 闭环反馈控制系统的主要优点是，它能够降 低系统对被控过程的参数变化的灵敏度
反馈控制系统设计
ωd = ωn 1−ξ2
β = arccosξ
j
ωn
β
−ξωn
ωd = ωn 1−ξ 2
0
C、动态性能指标调节分析
ωn 固定 ，ξ
则： ↑ （阻尼增强，闭环积分效应）
ωd
↓ （振荡变弱） ts ， ↓ （逼近变快，与 tr t不同步！） τ ，p σ% ↓ （逼近变好） δ ↑ （衰减变快） β ↓ （极点左移，稳定性增强）
= Z ⋅P
ωm
ω
1/T 10/aT
ϕ (ω )
90 45
ϕ (ω ) = tg −1aTω − tg −1Tω
ϕm
0
ωm
dϕ (ω ) =0 dω
率 1aT和1T 的几 何中心，此时 有最大超前相 角。
a −1 ϕm = tg 2 a
−1
ω m正好处在频
w
2、无源滞后网络（积分型） 、无源滞后网络（积分型）
0.1/T 1/T
L(ω) = 20lg 1+ b2T 2ω2 − 20lg 1+ T 2ω 2
1/bT 20lgb 10/bT
ω
20lgb
-20db 0
ϕ (ω )
-45 -90
ϕ
ϕ (ω ) = tg −1bTω − tg −1Tω
ω
3、无源滞后—超前网络 、无源滞后—
(1+ aTas)(1+ bTbs) Gc (s) = a >1, b <1 (1+Ta s)(1+Tbs)
0
∞
问题: 问题
Kp=? Kv=? Ka=?
B、稳态性能指标调节分析 由开环参数来调节闭环系统指标！
《反馈控制原理》课件
系统复杂性与可维护性
总结词
随着反馈控制系统变得越来越复杂，系统的可维护性和可靠性成为亟待解决的问题。
详细描述
随着系统规模的扩大和组件的增多，反馈控制系统的复杂性也随之增加，这给系统的维护和故障排查 带来了挑战。为了提高系统的可靠性和稳定性，需要加强系统的可维护性和故障预防措施，同时优化 系统架构和组件之间的交互方式。
STEP 02
STEP 01
稳定性的分类
稳定性的定义
如果一个系统受到扰动后 能够回到原来的平衡状态 ，则称该系统是稳定的。
STEP 03
稳定性判据
常用的稳定性判据有劳斯 判据、赫尔维茨判据和奈 奎斯特判据等。
根据系统响应的不同，稳 定性可以分为线性稳定性 和非线性稳定性。
动态响应分析
动态响应的定义
系统在输入信号的作用下，从初始状态变化到最终状 态的过程称为动态响应。
动态响应的分类
根据系统响应的快慢，动态响应可以分为瞬态响应和 稳态响应。
动态响应的性能指标
常用的性能指标有超调量、调节时间和稳态误差等。
误差分析
01
02
03
误差的定义
实际输出与期望输出之间 的差值称为误差。
误差的分类
根据误差的性质，误差可 以分为随机误差和系统误 差。
反馈控制概念
反馈控制原理的核心在于通过不断获取系统的状态信息，与期望状态进行比较，并采取 相应的调整措施，以实现系统的稳定和性能优化。
反馈控制的重要性
提高系统稳定性
通过反馈控制，系统能够 及时发现并纠正偏差，提 高系统的稳定性和可靠性 。
优化系统性能
通过反馈控制，系统能够 不断调整自身状态，以适 应外部环境变化，提高系 统性能和效率。
自动控制原理线性定常系统的反馈结构及状态观测器教学PPT
现代控制理论：利用状态反馈、输出反馈来配置极点，需要解决 两个问题：（1）极点可配置的条件；（2）确定极点配置时的反 馈矩阵。
状态反馈在形成最优控制、克服和抑制扰动作用、实现系统解耦 控制等方面具有很多的应用。
１、极点可配置的条件 １）利用状态反馈的极点可配置条件
定理5：用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件：受控系统可控 证明： （1）充分性
u v Kx
通过反馈构成的闭环系统
x (A- BK)x Bv
是渐近稳定的，即（A-BK）的特征值均有负实部，则称系统 实现了状态反馈镇定。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
证明：由于系统 {A, B} 不完全可控，则有可控性结构分解
vu
B
_
xI x S
A
F
y
C
x (A- BK)x Bv
如果 FC K 输出反馈等价于状态反馈
2、反馈结构对系统性能的影响
x (A- BK)x Bv
x (A- HC)x Bu
x (A- BFC)x Bv
状态反馈、输出反馈都会改变系统的系数矩阵，会影响系统的可 控性、可观测性、稳定性、响应特性等。
0 0 1 P 0 1 12
1 18 144
0 1 0 0
x 0 0
1
x
0u
0 72 18 1
0 0 0 1
x 1 6
0
x
0u
0 1 -12 0
系统的特征多项式 det[sI A] s3 18s2 72 s
希望特征多项式 a *(s) (s 1)(s 2 )(s 3 ) s3 4s2 6s 4
状态反馈在形成最优控制、克服和抑制扰动作用、实现系统解耦 控制等方面具有很多的应用。
１、极点可配置的条件 １）利用状态反馈的极点可配置条件
定理5：用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件：受控系统可控 证明： （1）充分性
u v Kx
通过反馈构成的闭环系统
x (A- BK)x Bv
是渐近稳定的，即（A-BK）的特征值均有负实部，则称系统 实现了状态反馈镇定。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
证明：由于系统 {A, B} 不完全可控，则有可控性结构分解
vu
B
_
xI x S
A
F
y
C
x (A- BK)x Bv
如果 FC K 输出反馈等价于状态反馈
2、反馈结构对系统性能的影响
x (A- BK)x Bv
x (A- HC)x Bu
x (A- BFC)x Bv
状态反馈、输出反馈都会改变系统的系数矩阵，会影响系统的可 控性、可观测性、稳定性、响应特性等。
0 0 1 P 0 1 12
1 18 144
0 1 0 0
x 0 0
1
x
0u
0 72 18 1
0 0 0 1
x 1 6
0
x
0u
0 1 -12 0
系统的特征多项式 det[sI A] s3 18s2 72 s
希望特征多项式 a *(s) (s 1)(s 2 )(s 3 ) s3 4s2 6s 4
国防科技大学信号与系统分析课件
如：ε(t)是功率信号； tε(t)、 e t为非功率非能量信号;
δ(t)是无定义的非功率非能量信号。
5．一维信号和多维信号
一维信号： 只由一个自变量描述的信号，如语音信号。
多维信号： 由多个自变量描述的信号，如图像信号。 还有其他分类，如：
实信号与复信号 左边信号与右边信号 因果信号和反因果信号
离散信号的功率和能量
离散信号，也有能量信号、功率信号之分。
若满足 E | f (k)|2 的离散信号，称为能量信号。
k
若满足 P lim 1
N /2
|
f
(k)
|2
的离散信号，称为功率信号。
N N kN / 2
一般规律 ※
一般周期信号为功率信号。 时限信号(仅在有限时间区间不为零的非周期信号) 为能量信号。 还有一些非周期信号，也是非能量信号。
2,
f1( k
)
f2( k )
6 , 8,
4 ,
0 ,
k 1 k0 k1 k2
k其他
9 , k0
f1( k )
f
2
(
k
)
12
,
k1
0 , k其他
二、信号的时间变换
1.信号的反转； 2.信号的平移； 3.信号的展缩（尺度变换）；. 4.混合运算举例。
1. 信号反转
将 f (t) → f (– t) ， f (k) → f (– k) 称为对信号f (·) 的反转或反折。
2,
0,
1，
0，
k 1 k0 k 1 k2 k3 k4 其他 k
f(k)= {…，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，…} ↑
k=0 对应某序号k的序列值称为第k个样点的“样值”。
δ(t)是无定义的非功率非能量信号。
5．一维信号和多维信号
一维信号： 只由一个自变量描述的信号，如语音信号。
多维信号： 由多个自变量描述的信号，如图像信号。 还有其他分类，如：
实信号与复信号 左边信号与右边信号 因果信号和反因果信号
离散信号的功率和能量
离散信号，也有能量信号、功率信号之分。
若满足 E | f (k)|2 的离散信号，称为能量信号。
k
若满足 P lim 1
N /2
|
f
(k)
|2
的离散信号，称为功率信号。
N N kN / 2
一般规律 ※
一般周期信号为功率信号。 时限信号(仅在有限时间区间不为零的非周期信号) 为能量信号。 还有一些非周期信号，也是非能量信号。
2,
f1( k
)
f2( k )
6 , 8,
4 ,
0 ,
k 1 k0 k1 k2
k其他
9 , k0
f1( k )
f
2
(
k
)
12
,
k1
0 , k其他
二、信号的时间变换
1.信号的反转； 2.信号的平移； 3.信号的展缩（尺度变换）；. 4.混合运算举例。
1. 信号反转
将 f (t) → f (– t) ， f (k) → f (– k) 称为对信号f (·) 的反转或反折。
2,
0,
1，
0，
k 1 k0 k 1 k2 k3 k4 其他 k
f(k)= {…，0，1，2，-1.5，2，0，1，0，…} ↑
k=0 对应某序号k的序列值称为第k个样点的“样值”。
《反馈控制系统概念》课件
详细描述
误差消除原理是指通过负反馈不断调整系统的输入信号，使得系统的输出逐渐接 近期望值。随着时间的推移，误差信号逐渐减小，直到达到可接受的范围或完全 消除。
系统稳定性原理
总结词
系统稳定性原理是反馈控制系统的重要特性，它确保系统在 受到干扰后能够恢复稳定状态。
详细描述
系统稳定性原理是指系统在受到外部干扰后，通过负反馈机 制调整系统的输入信号，使系统重新回到稳定状态。系统稳 定性是衡量反馈控制系统性能的重要指标之一。
自适应控制技术
总结词
自适应控制技术是未来反馈控制系统的重要发展方向 之一，它能够实现自适应调节、自适应优化，提高系 统的适应性和性能。
详细描述
自适应控制技术是指利用自适应算法和优化算法，使 控制系统能够根据工况和环境的变化，自动调整参数 和策略，实现最优的控制效果。通过自适应控制技术 ，反馈控制系统可以实现自适应调节、自适应优化等 功能，提高系统的适应性和性能。
特点
具有自动调节、快速响应、高精 度控制等优点，广泛应用于各种 工业控制和自动化领域。
反馈控制系统的基本组成
控制器
接收输入信号和反馈信号，根 据一定的控制算法输出控制信
号。
执行器
接收控制信号，驱动被控对象 进行动作。
传感器
检测被控对象的输出信号，转 化为反馈信号传输给控制器。
被控对象
受到执行器驱动和控制的对象 。
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
REPORTING
网络化控制技术
总结词
网络化控制技术是未来反馈控制系统的重要发展方向之 一，它能够实现远程控制、实时监测和数据共享，提高 系统的灵活性和可扩展性。
详细描述
误差消除原理是指通过负反馈不断调整系统的输入信号，使得系统的输出逐渐接 近期望值。随着时间的推移，误差信号逐渐减小，直到达到可接受的范围或完全 消除。
系统稳定性原理
总结词
系统稳定性原理是反馈控制系统的重要特性，它确保系统在 受到干扰后能够恢复稳定状态。
详细描述
系统稳定性原理是指系统在受到外部干扰后，通过负反馈机 制调整系统的输入信号，使系统重新回到稳定状态。系统稳 定性是衡量反馈控制系统性能的重要指标之一。
自适应控制技术
总结词
自适应控制技术是未来反馈控制系统的重要发展方向 之一，它能够实现自适应调节、自适应优化，提高系 统的适应性和性能。
详细描述
自适应控制技术是指利用自适应算法和优化算法，使 控制系统能够根据工况和环境的变化，自动调整参数 和策略，实现最优的控制效果。通过自适应控制技术 ，反馈控制系统可以实现自适应调节、自适应优化等 功能，提高系统的适应性和性能。
特点
具有自动调节、快速响应、高精 度控制等优点，广泛应用于各种 工业控制和自动化领域。
反馈控制系统的基本组成
控制器
接收输入信号和反馈信号，根 据一定的控制算法输出控制信
号。
执行器
接收控制信号，驱动被控对象 进行动作。
传感器
检测被控对象的输出信号，转 化为反馈信号传输给控制器。
被控对象
受到执行器驱动和控制的对象 。
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
REPORTING
网络化控制技术
总结词
网络化控制技术是未来反馈控制系统的重要发展方向之 一，它能够实现远程控制、实时监测和数据共享，提高 系统的灵活性和可扩展性。
详细描述
《反馈控制系统设计》课件
机器人控制系统
总结词
机器人控制系统是实现机器人自主运动和精 确操作的关键技术，通过反馈控制原理实现 对机器人各关节运动的精确控制。
详细描述
机器人控制系统通过传感器检测机器人各关 节的位置、速度等参数，控制器根据机器人 运动学和动力学模型与实际状态的偏差进行 计算，输出控制指令驱动机器人各关节的电 机进行调节，以实现机器人的精确轨迹跟踪 和操作。
01
云计算为反馈控制系统提供了强大的计算和存储能力，可以处 理大规模数据和复杂算法。
02
通过云计算，可以实现多地协同工作，方便远程协作和数据共
享。
云计算还可以降低反馈控制系统的硬件成本和维护成本，提高
03
系统的可扩展性和灵活性。
05
结论与展望
反馈控制系统的重要性和优势
稳定性
反馈控制系统能够自动调 节系统输出，使其保持稳 定，减少外部干扰的影响 。
可视化发展
随着可视化技术的不断发展，反 馈控制系统的可视化程度将得到 提高，方便用户更好地理解和监 控系统运行状态。
THANKS
智能家居控制系统
总结词
智能家居控制系统利用反馈控制原理， 实现对家庭设备的自动化控制和智能化 管理，提高居住的舒适性和便捷性。
VS
详细描述
智能家居控制系统通过传感器检测家庭环 境参数，如温度、湿度、光照等，控制器 根据用户设定的舒适条件与实际条件的偏 差进行计算，输出控制指令驱动执行机构 进行调节，如调节空调温度、窗帘开关等 。
控制系统优化
根据仿真结果，对控制系统进行优化，提高 系统性能和稳定性。
控制系统仿真与优化的工具
MATLAB/Simulink、Systems Workbench 等。