自动控制系统性能分析共92页文档
基于GUI的自动控制系统基本性能分析
毕业设计（论文）设计(论文)题目基于GUI的自动控制系统基本性能分析目录摘要 (3)一、绪论 (5)（一）、课题研究的目的和意义 (5)（二）、自动控制系统概述 (5)（三）、MATLAB简介及GUI图形用户界面的应用概述 (5)二、基于GUI的自动控制系统分析设计原则 (6)（一）、GUI的设计原则 (6)（二）、GUI的创建 (6)2.1 建立GUI的主要方式 (6)2.2 通过GUIDE设计GUI的三个主要阶段 (6)2.3 控件及其常用属性设置 (6)三、基于GUI的线性控制系统基本性能分析设计实现 (8)（一）、线性控制系统基本性能分析的主界面设计 (8)1.1、在GUI的主界面创建打开图片文件菜单 (8)1.2、对线性系统三个模块的调用 (10)1.3、主窗口退出的实现 (10)（二）、线性系统的时域分析设计及MATLAB实现 (11)1.1、时域分析介绍： (11)1.2、控制系统的时域动态性能指标分析及MATLAB实现 .. 111.3、线性系统的时域稳态性能分析及MATLAB实现 (14)（三）、线性系统的频域分析及MATLAB实现 (17)1.1、传递函数的定义及模型的建立 (17)1.2、系统的频域分析介绍 (18)1.3、频率特性的基本概念： (18)1.4、频率分析法主要包括3种方法： (19)（四）、控制系统的状态空间分析及MATLAB实现 (22)1.1、状态空间分析介绍 (22)1.2、状态空间模型的建立 (23)1.3、控制系统的可控性与可观性 (24)1.4、李雅普诺夫稳定性分析 (25)四、总结 (27)参考文献 (29)附录 (29)谢辞 (36)摘要自动控制系统就是在无人直接操作或干预的条件下，通过控制装置使控制对象自动的按照给定的规律运行，使被控量按照给定的规律去变化的系统。
在现代工业生产中，自动控制系统已经遍布每一个角落，对于线性时不变系统，可以通过时域、频域分析法来分析系统的性能，但是对于多输入多输出的控制系统，时域、频域分析已经无能为力，鉴于这样的控制系统，可以通过线性系统的状态空间分析法来分析。
自动化系统性能分析
自动化系统性能分析随着科技的进步和发展，自动化系统被广泛应用于各个领域，提高了工作效率和生产能力。
然而，在使用自动化系统时，我们需要对其性能进行分析，以确保其正常运行并达到预期的效果。
本文将介绍自动化系统性能分析的重要性，分析方法和具体步骤。
一、自动化系统性能分析的重要性1. 保障系统正常运行：通过对自动化系统的性能分析，我们可以发现和解决潜在的问题，从而保障系统的正常运行。
及时发现问题并采取对策可以减少系统故障的风险，保障生产线的连续不间断运行，避免造成重大的经济损失。
2. 提高工作效率：性能分析可以帮助我们发现系统运行过程中的瓶颈和不足之处，进行改进和优化。
通过改进系统设计和优化资源分配，可以提高系统的响应速度和工作效率，减少人力投入，从而提高整体生产效率。
3. 降低成本：通过对自动化系统性能的全面分析，可以发现系统资源的浪费和不合理的使用。
通过优化资源分配和提高设备的利用率，可以降低运营成本，提高经济效益。
二、自动化系统性能分析的方法1. 数据收集：收集系统运行过程中的关键数据，包括系统负载、响应时间、吞吐量等。
可以使用性能监测工具和传感器等设备来实时收集数据，也可以通过采样和抽样的方式进行离线数据收集。
2. 数据预处理：对收集到的原始数据进行预处理，包括数据清洗、去噪、数据格式转换等。
确保数据的准确性和一致性，为后续的性能分析做好准备。
3. 性能指标选择：根据自动化系统的特点和需求，选择适合的性能指标进行分析。
常用的性能指标包括系统资源利用率、系统响应时间、吞吐量、错误率等。
4. 数据可视化：将经过处理的数据进行可视化展示，以图表或图形的形式展现系统性能的变化趋势。
通过数据可视化可以更直观地了解系统性能的变化情况，发现问题和改进的潜力。
5. 性能分析和优化：通过对收集到的数据进行分析，找出系统性能的瓶颈和不足之处，并制定相应的优化策略。
可以采用系统建模、仿真等方法，对系统进行评估和优化。
自动控制系统性能分析
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7.1 自动控制系统的稳 b)稳定系统
造成自动控制系统不稳定的物理原因
自动控制系统的相对稳定性 相对稳定性好 b)相对稳定性差
系统稳定的充要条件
系统稳定区域 系统稳定区域
给定误差的传递函数 如图所示，当只考虑系统在给定的参考输入下的给定误差传递函数时，则其定义为偏差信号的拉氏变换和输入信号拉氏变换之比，即：
其中：又因为
所以代入给定误差传递函数表达式，并整理得：
由于由扰动输入 引起的系统输出本身就是误差，所以当只考虑系统在扰动信号作用下的误差（如图所示），有： 扰动误差的传递函数
对数频率稳定性判据
奈氏图上以原点为圆心的单位圆对应于伯德图上的0dB线。
奈氏图上的负实轴对应于伯德图上的-180度的相频 曲线。
频率稳定判据在极坐标图和对数坐标图上的对照 奈氏判据 b)对数频率判据 若系统开环是稳定的，则闭环系统稳定的充要条件是：当 线过0dB线时， 在 线上方( >0)。
从另方面来看，由于自动控制系统稳态误差是指在给稳定系统加入期望的参考输入后，经过足够长的过渡时间后（即其暂态响应已经衰减到微不足道时），系统稳态响应——即系统最终所反映出来的实际结果（实际值）与期望参考输入值之间的差值。所以稳态误差又是一个与系统的某些特定参考输入（期望值）相关的一个性能指标。
误差传递函数
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
7.2 自动控制系统的稳态性能分析
自动控制原理课件：第二章 控制系统动态性能分析
例： 考虑系统的响应 C1 Vi(t) ± 应用电路理论: i(t) C2 V0(t)
1 t 1 vi = idt + iR + ∫ c1 − ∞ c2 1 t v0 = iR + idt ∫ c2 − ∞
∫
t
−∞
idt
dv0 dvi 1 c1 + c2 + + v0 = vi dt Rc1c2 dt Rc2
如果系统的特征根相等，系统的响应：
k1 k2 Ynat ( s ) = Yzero − state ( s ) = + s − s1 ( s − s1 ) 2
ynat (t ) = y zero − state (t ) = k1e + k 2te
s1t
s1t
欠阻尼响应 如果系统的特征根是复数根，s1 , s2
二阶系统的响应
dr d 2r dy d2y b b a a y + + = + + b0 r 1 0 2 1 2 2 dt dt dt dt
上式的拉氏变换：
s 2 y ( s) − sy (0 − ) − y ' (0 − ) + a1sy ( s) − a1 y (0 − ) + a0 y ( s) = b2 s R( s) − b2 sr (0 ) − b2 r ' (0 ) + b1sR( s) − b1r (0 ) + b0 R( s)
s1 , s2 = − a1 ±
2 a1 − 4 a0 2
现考虑如下的二阶系统
dr dy d2y + a1 + a0 y = b1 + b0 r 2 dt dt dt
最新2019-自动控制原理与系统第三章控制系统性能分析-PPT课件
a n1 3 an
0
a n3 an 2 an 1
an 5 an 4 an 3
赫尔维茨行列式
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3．推论
在特征方程式各项系数全为正的条件下，若所有奇次Hurwritz 行列式为正，则所有偶次Hurwritz行列式必为正，反之亦然。 例3-1 设系统的特征方程式为 2s4+s3+3s2+5s+10=0 试判断系统的稳定性. 解：（1）各项系数为正，且不为零，满足稳定的必要条件。
二、二阶系统的动态性能分析
1、二阶系统的单位阶跃响应
典型二阶系统开环传递函数： G(s)S(S2n2) n
ωn──无阻尼振荡频率
ζ──阻尼比
R(S)
E(S)
ωn2 S(S+2ζωn )
C(S)
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闭环传递函数为：
G (C ( s s))
2 n
1
R (s) S 2 2n S n 2 T 2 S 2T 1 S
n
n 1
10
称为系统的闭环特征方程。
如果特征方程有l个实根、r个共轭复根，l+2r=n
则有
D ( s ) la n ( s s i ) rs (k j k ) 0
i 1
k 1
si为特征方程的实根 σk±jωk为特征方程的共轭复根 ∵r（t）=δ（t） ∴R（s）=1
则
c(s)(s)R(s)(s)
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(1)临界阻尼状态单位阶跃响应分析
1
s1,2
n
1
GR(s)s22 n n 2sn 21 ss n 2n21 s
• 由拉氏反变换可得：
cr(t)11nte nt t 0
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自控原理课件第6章-自动控制系统的性能分析
自动控制系统的性能分析对于实现优质控制至关重要。本章介绍内部模型控 制、PID控制器、先进控制方法、控制系统的稳优质控制至关重要。本章内容将探讨不同 方法和指标来评估自动控制系统的性能。
内部模型控制
内部模型控制是一种基于系统数学模型的控制方法，通过建立准确的模型来 实现系统的良好性能。 本章将介绍内部模型控制的原理、方法以及针对不同系统的性能指标。
控制系统的稳定性分析
控制系统的稳定性是保证系统功能正常运行的关键。本章将介绍稳定性判据 和求解方法，以及通过实例分析电机调速系统的稳定性。
总结与展望
将会回顾本章内容及其在实际应用中的重要性。我们还将展望控制系统性能 分析研究的未来发展方向和潜力。
PID控制器
PID控制器是最常用的控制器之一，它通过不断调整比例、积分和微分参数来实现系统的稳定性和响应 速度。 本章将介绍PID控制器的基本原理、参数调节方法以及级联PID和串级PID控制器的应用。
先进控制方法
除了PID控制器，还有许多先进的控制方法可以提升系统的性能和稳定性。本 章将介绍模型预测控制、模糊控制和非线性控制等方法。 我们还将通过以轨道交通系统为例，展示这些先进控制方法的实际应用。
分析自动控制系统性能的常用方法
这正是系统频率特性在复数平面内的一种典型表示方 法，这种表示方法我们称之为直角坐标表示法。
根据复函数理论，我们可以分别求 V ( ) 出上式中的幅值与相位，即： 幅值： M ( ) U ( ) V ( )
2 2
+j
( )
U ( )
+1
1 T 1 2 2 [ ] [ ] 2 2 ( RC ) 1 ( RC ) 1 ( RC ) 2 1
M ( ) 为该一阶RC电路的幅频特性，它是指输出正 则： 弦响应信号的最大值与输入正弦激励信号最大值之间 的比值；称 ( )为该一阶电路的相频特性，它是指 输出正弦信号的初相位与输入正弦信号初相位之差 （相位差）。
( ) c ( ) i ( ) arctan(T )
第4章 分析自动控制系统性能的常 用方法
建立自动控制系统数学模型的目的，就是为了 对自动控制系统进行分析。在经典控制理论中， 对系统的分析方法主要有两种： 时域分析法(由时域响应及传递函数出发去进行分 析) 频率特性法(由频域响应及传递函数出发去进行分 析)
4.2 频率特性法
频率特性法的基本概念 频率特性的图形表示方法 典型环节的对数频率特性 系统开环对数频率特性
从以上定义中，我们不难发现，所谓频率响应， 本质上讨论的就是我们在《电路基础》中学过的 正弦交流电路中三要素中的两个要素而已。所不 同之处在于《电路基础》中，我们研究的是在给 定某一正弦信号频率的情况下，电路所对应的某 一确定的正弦输出稳态响应信号幅值大小与初相 位的改变。而在自动控制原理与系统中，我们所 研究的是当输入正弦激励信号的角频率从0→∞变 化过程中，其输出的正弦稳态响应信号的幅值与 初相位随输入正弦周期信号频率的改变而随之变 化的函数关系。 对于本例，当我们取R=1Ω，C=0.1F 的实验电路 参数时，其随频率变化的响应曲线如下：
自控原理课件第6章-自动控制系统的性能分析
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小 结 自动控制系统性能的分析主要包括稳态性能 分析和动态性能分析。系统的稳态无误差 ess标 志着系统最终可能达到的控制精度，它包括跟 随稳态误差essr和扰动稳态误差essd。跟随误差与 系统的前向通路的积分环节个数 v 、开环增益 K 有关。 v 愈多； K 愈大，则系统的稳态精度愈高 。扰动稳态误差与扰动量作用点前的前向道路 的积分环节个数vl和增益Kl有关，vl 愈多，Kl愈 大，则系统的稳态精度愈高。对于随动控制系 统，主要考虑跟随稳态误差；而对于恒值控制 系统，主要考虑扰动稳态误差。
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此时，系统的稳定性和快速性都比较好。在工程上常 称取ξ=0.707的系统为“二阶最佳系统”。 以上的分析虽然是对二阶系统的，但对高阶系统，如 果能以系统的主导极点 ( 共扼极点 ) 来估算系统的性能，即 只要能将它近似成一个二阶系统，就可以用二阶系统的分 析方法和有关结论对三阶及三阶以上的高阶系统进行性能 分析。
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调整时间是从给定量作用于系统开始，到输 出量进入并保持在允许的误差带 ( 误差带是指离稳 态值c(∞)偏离 δ c (∞) 的区域)内所经历的时间。 δ 通常分为5％(要求较低)和2％ (要求较高)两种。 由于输出量c(t)通常为阻尼振荡曲线，c(t)进入 误差带的情况比较复杂，所以通常以输 出量的包络线b(t) 进入误差带来近似求取调整时间 ts。
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6.1.4 系统稳态性能综述 (1) 系统的稳态误差由跟随稳态误差和扰动稳态 误差两部分组成，它们不仅和系统的结 构、参数 有关，而且还和作用量(输入量和扰动量)的大小、 变化规律和作用点有关。 跟随稳态误差essr：系统开环传递函数中所含积 分环节个数(v)愈多，开环增益K愈大， 则系统的稳态性能愈好。 扰动稳态误差 essd ：扰动作用点前，前向通路所 含的积分环节个数 vl 愈多，作用点前的增益 Kl 愈 大．则系统抗扰稳态性能愈好。 (2) 作用量随时间变化得愈快，作用量产生的误 差也愈大。