自動控制技術(shù)原理概述日期:演講人：目錄01基本概念解析02系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)03控制類型分類04數(shù)學(xué)模型構(gòu)建05性能評估指標(biāo)06典型應(yīng)用場景基本概念解析01自動控制定義與特征指在沒有人工直接參與的情況下，利用控制裝置和能源使生產(chǎn)過程、設(shè)備或系統(tǒng)保持某種工作狀態(tài)或按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的技術(shù)。自動控制定義具有自動檢測、自動決策、自動執(zhí)行和自動校正等基本功能，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、軍事等領(lǐng)域的自動化和智能化。自動控制特征閉環(huán)與開環(huán)控制區(qū)分01閉環(huán)控制指系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)與輸入量進(jìn)行比較，并根據(jù)偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動、提高控制精度的優(yōu)點(diǎn)。02開環(huán)控制指系統(tǒng)輸出量不與輸入量進(jìn)行比較，直接按照預(yù)定程序進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但控制精度和抗干擾能力較差。核心控制目標(biāo)概述指系統(tǒng)輸出量與設(shè)定值之間的偏差，是衡量控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一?？刂凭瓤焖傩越?jīng)濟(jì)性指系統(tǒng)受到擾動后能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力，是自動控制系統(tǒng)的基本要求之一。指系統(tǒng)對輸入信號或擾動信號的響應(yīng)速度，要求系統(tǒng)能夠快速跟蹤設(shè)定值或抑制擾動。指在滿足控制要求的前提下，系統(tǒng)所消耗的能量和成本最低，是自動控制系統(tǒng)優(yōu)化追求的目標(biāo)之一。控制穩(wěn)定性系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)02控制器功能模塊信號處理單元負(fù)責(zé)接收傳感器或其他設(shè)備采集的信號，并進(jìn)行濾波、放大等處理。決策單元根據(jù)處理后的信號和設(shè)定的控制策略，確定控制輸出。功率放大單元將決策單元的控制信號放大，以驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行工作。自適應(yīng)控制單元根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況自動調(diào)整控制器參數(shù)，提高控制性能。執(zhí)行器與傳感器作用執(zhí)行器氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器根據(jù)控制器的指令執(zhí)行具體操作，如電機(jī)、閥門等。通過電力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的工作，具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過氣壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的工作，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)。傳感器溫度傳感器用于檢測被控對象的物理量或化學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制器。測量物體的溫度，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。壓力傳感器測量氣體或液體的壓力，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。反饋機(jī)制設(shè)計(jì)邏輯反饋信號獲取通過傳感器獲取被控對象的實(shí)際輸出量，作為反饋信號。01反饋信號處理對反饋信號進(jìn)行濾波、放大等處理，以便與設(shè)定值進(jìn)行比較。02誤差計(jì)算與調(diào)節(jié)將設(shè)定值與反饋信號進(jìn)行比較，得到誤差信號，并根據(jù)誤差信號調(diào)節(jié)控制器的輸出，使被控對象達(dá)到期望的狀態(tài)。03穩(wěn)定性與魯棒性考慮在設(shè)計(jì)反饋機(jī)制時，需要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，避免由于參數(shù)變化或外部干擾導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)或性能下降。04控制類型分類03連續(xù)與離散控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的狀態(tài)和控制信號都是連續(xù)變化的，如液位、溫度和壓力等連續(xù)變化的物理量。離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)的狀態(tài)和控制信號都是離散的，以脈沖或數(shù)字形式進(jìn)行傳輸和處理，如數(shù)字控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng)系統(tǒng)輸入與輸出之間存在線性關(guān)系，滿足疊加原理，易于分析和設(shè)計(jì)。非線性系統(tǒng)系統(tǒng)輸入與輸出之間不存在線性關(guān)系，不滿足疊加原理，分析和設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。線性與非線性系統(tǒng)特性自適應(yīng)與智能控制技術(shù)系統(tǒng)能夠根據(jù)被控對象或環(huán)境的變化自動調(diào)整控制器參數(shù)，以保證系統(tǒng)性能。自適應(yīng)控制利用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織能力。智能控制數(shù)學(xué)模型構(gòu)建04微分方程描述方法線性微分方程描述系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)方法求解系統(tǒng)的動態(tài)特性。01非線性微分方程描述復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)特性，需要考慮系統(tǒng)的非線性因素。02微分方程階數(shù)根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)特性的復(fù)雜程度，確定微分方程階數(shù)，即未知函數(shù)的最高階導(dǎo)數(shù)。03傳遞函數(shù)表達(dá)形式傳遞函數(shù)定義在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比。傳遞函數(shù)性質(zhì)反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，如穩(wěn)定性、增益等，可以通過傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分析得到。傳遞函數(shù)與微分方程的關(guān)系傳遞函數(shù)是微分方程在零初始條件下的另一種表達(dá)形式。狀態(tài)空間分析框架狀態(tài)空間定義以狀態(tài)變量為坐標(biāo)構(gòu)成的空間，反映系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的演變規(guī)律。02040301輸出方程描述系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量之間的關(guān)系，通過輸出方程可以了解系統(tǒng)輸出隨狀態(tài)變量的變化情況。狀態(tài)方程描述系統(tǒng)狀態(tài)變量之間關(guān)系的方程，可以揭示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律。狀態(tài)空間表達(dá)式的優(yōu)點(diǎn)可以處理多輸入多輸出系統(tǒng)，且能夠直接揭示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律。性能評估指標(biāo)05根據(jù)系統(tǒng)特征方程的系數(shù)構(gòu)造勞斯表，通過判斷勞斯表中各元素的符號來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勞斯判據(jù)利用系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖，通過判斷圖形是否圍繞原點(diǎn)環(huán)繞來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。奈奎斯特判據(jù)利用系統(tǒng)特征方程的系數(shù)構(gòu)造赫爾維茨矩陣，通過判斷矩陣的行列式是否均為正數(shù)來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。赫爾維茨判據(jù)010302穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)相位裕度是指系統(tǒng)增益為1時的相位差與-180°之差，增益裕度是指相位為0時的增益值倒數(shù)，它們反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。相位裕度與增益裕度04動態(tài)響應(yīng)速度要求指系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到最大值所需的時間，它反映了系統(tǒng)超調(diào)量的大小。峰值時間調(diào)節(jié)時間超調(diào)量指系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的某個百分比所需的時間，反映了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。指系統(tǒng)從初始狀態(tài)達(dá)到并保持在穩(wěn)態(tài)值附近的時間，反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。指系統(tǒng)響應(yīng)超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，它反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能。上升時間穩(wěn)態(tài)誤差控制原則靜態(tài)誤差系數(shù)靜態(tài)誤差系數(shù)反映了系統(tǒng)對輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)可以減小靜態(tài)誤差。01擾動引起的誤差當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，會產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差，需要通過設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來減小誤差。02穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)定性在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)定性是相互矛盾的，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。03擾動抑制能力除了考慮穩(wěn)態(tài)誤差外，還需要關(guān)注系統(tǒng)對擾動的抑制能力，以確保系統(tǒng)在各種擾動下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。04典型應(yīng)用場景06工業(yè)過程控制領(lǐng)域石油煉制通過自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)煉油過程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)的精確控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。冶金工業(yè)通過自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)冶煉過程中的加料、出鋼、澆鑄等環(huán)節(jié)的自動化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量?；どa(chǎn)利用自動控制技術(shù)監(jiān)控反應(yīng)釜、儲罐等設(shè)備的壓力、溫度、液位等參數(shù)，確保生產(chǎn)安全。智能機(jī)器人控制技術(shù)探索機(jī)器人利用自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在危險(xiǎn)環(huán)境或未知領(lǐng)域的自主探索和作業(yè)。03通過自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的語音識別、圖像識別等功能，提供智能家居、醫(yī)療護(hù)理等服務(wù)。02服務(wù)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人利用自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動作控制和路徑規(guī)劃，完成生產(chǎn)線上的裝配、焊接、搬運(yùn)等任務(wù)。