控制工程基础总复习课件

通过分析非线性控制系统的平衡状态 和局部行为，利用李雅普诺夫第二方 法构造合适的李雅普诺夫函数来判断 系统的稳定性。
05 控制系统性能评 估与优化
控制系统性能评估方法
阶跃响应法
脉冲响应法
通过分析系统的阶跃响应曲线，评估系统 的稳定性和性能。阶跃响应曲线可以反映 系统的动态特性和稳态误差。
通过分析系统的脉冲响应曲线，评估系统 的动态特性和稳态误差。脉冲响应曲线可 以反映系统对单位脉冲输入的响应过程。
根据系统性能指标和控制器要求，对校正装置的参数进行设计，以 达到最优的控制效果。
校正装置稳定性分析
对校正装置进行稳定性分析，确保校正装置在各种工况下都能保持 稳定。
04 控制系统稳定性 分析
李雅普诺夫稳定性理论
定义
如果一个动态系统在初始条 件扰动下，其状态变量或输 出变量在无限时间范围内趋 于零或保持有限值，则称该
02 根据系统性能指标和被控对象特性，对控制器的参数
进行整定，以达到最优的控制效果。
控制器稳定性分析
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对控制器进行稳定性分析，确保控制器在各种工况下
都能保持稳定。
校正装置设计
确定校正装置类型
根据系统性能指标和控制器要求，选择合适的校正装置类型，如 反馈控制器、超前校正器、滞后校正器等。
设计校正装置参数
系统是稳定的。
类型
根据初始条件扰动的大小， 李雅普诺夫将稳定性分为小
扰动稳定和大扰动稳定。
方法
李雅普诺夫第一方法和第二 方法，分别通过构造李雅普 诺夫函数来证明系统的稳定 性。
线性系统的稳定性分析
定义
线性控制系统是指系统的动态方程可表示为线性微分 方程或差分方程的形式。
类型
根据线性控制系统的特点，系统的稳定性可以分为平 凡稳定、指数稳定和非平凡稳定。
系统设计
频域分析法也可用于系统设计。通过调整系统的频率特性 ，可以优化系统的性能指标，如减小稳态误差、缩短调节 时间等。
根轨迹分析法
根轨迹图
根轨迹分析法利用根轨迹图来描述系统的性能。根轨迹图是系统特 征方程的根在复平面上的轨迹，可以反映系统的稳定性和性能。
稳定性分析
根轨迹分析法可用于稳定性分析。通过观察根轨迹图，可以判断系 统的稳定性，并确定系统的临界增益和相位裕度。
控制工程基础总复习课件
目 录

• 控制工程基础概述 • 控制系统分析 • 控制系统设计 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统性能评估与优化 • 典型控制系统案例分析 • 控制工程发展趋势与前沿技术
01 控制工程基础概 述
控制系统的定义与分类
控制系统定义
一个闭环反馈系统，由控制器、受控对象、执行器、测量元件、比较元件等组成，用于实现某一特定的输出量跟 随参考输入量的变化。
控制系统分类
开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统。
控制系统的基本组成
受控对象
接受控制器的控制作用，并按 照控制作用进行相应的变化。
测量元件
测量受控对象的输出量，并将 测量结果转换为比较元件可以 接受的信号。
控制器
根据设定值和实际输出值的偏 差进行计算，输出控制量，使 实际输出值与设定值相等。
执行器
频率响应法
根轨迹法
通过分析系统的频率响应曲线，评估系统 的频率特性。频率响应曲线可以反映系统 在不同频率下的幅值和相位变化。
通过绘制系统的根轨迹图，评估系统的稳 定性。根轨迹图可以反映系统在不同频率 下的增益和相位变化。
控制系统性能优化方法
控制器设计优化
通过优化控制器的设计参数，提 高控制系统的性能。例如，采用 PID控制器、模糊控制器、神经
07 控制工程发展趋 势与前沿技术
控制工程发展趋势
自动化与智能化 信息化与数字化 绿色与可持续发展 人机交互与协同
控制工程领域正朝着自动化和智能化方向发展，其中以工业机 器人、智能制造和智能家居等方向为代表。
控制工程不断与信息化和数字化技术融合，如嵌入式系统、物 联网和云计算等，以提高效率和精度。
网络控制器等。
控制器算法优化
通过改进控制器的算法，提高控 制系统的性能。例如，采用预测 控制、自适应控制、鲁棒控制等
算法。
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控制策略优化
通过优化控制策略，提高控制系 统的性能。例如，采用最优控制 、滑模控制、反馈线性化等策略 。
系统参数优化
通过调整系统的参数，提高控制 系统的性能。例如，调整系统的 增益、相位裕度、阻尼比等参数 。
预测控制与优化
预测控制与优化技术可实现更精确和高效 的控制系统设计，是控制工程的前沿技术
之一。
物联网与边缘计算
物联网和边缘计算技术的发展为控制工程 提供了新的解决方案，可实现更高效和实 时的控制。
故障诊断与容错控制
随着工业自动化程度的提高，故障诊断和 容错控制技术变得越来越重要，是控制工 程的前沿技术之一。
方法
利用线性控制系统的特征值和特征向量来判断系统的 稳定性。
非线性系统的稳定性分析
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定义
类型
非线性控制系统是指系统的动态方程 不能表示为线性微分方程或差分方程 的形式。
非线性控制系统的稳定性分析比线性 控制系统要复杂得多，常用的方法包 括相平面法、李雅普诺夫第二方法和 局部分析法等。
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方法
根据控制器的输出量对受控对 象进行控制，改变受控对象的 输出。
比较元件
将设定值与测量元件的输出信 号进行比较，得到偏差信号。
控制系统的性能要求
稳定性
控制系统在受到外界干扰后能够恢复到原始 状态的能力。
快速性
控制系统跟随参考输入量的变化并达到稳定 状态的时间长短。
准确性
控制系统的输出量与设定值之间的误差大小 。
06 典型控制系统案 例分析
温度控制系统
要点一
总结词
温度控制系统是最常见的控制系统之一，广泛应用于工业 、商业和家庭领域。
要点二
详细描述
温度控制系统是通过温度传感器检测温度，并将该信号转 换为电信号传递给控制器。控制器根据设定值和实际值的 差异，控制加热或冷却设备，以调节温度至设定值。在温 度控制系统中，常用的设备包括温度传感器（如热电偶、 热电阻等）、控制器（如PID控制器）、加热或冷却设备 （如加热器、冷却器）等。
02 控制系统分析
时域分析法
描述系统响应
时域分析法通过建立系统的数学模型，分析系统在输入信号作用下的时间响应。这种分析方法可以准确地描述系统的 稳定性和性能，以及系统对不同类型输入信号的响应。
计算性能指标
时域分析法可用于计算系统的性能指标，如稳态误差、调节时间、超调量等。这些指标可以用来评估系统的性能，并 指导系统设计。
THANKS
感谢观看
随着环保意识的提高，控制工程正朝着绿色和可持续发展的方 向努力，如节能减排、循环经济等。
随着人工智能技术的发展，控制工程越来越注重人机交互和协 同，以实现更高效和智能的工作。
控制工程前沿技术
深度学习与强化学习
随着人工智能技术的发展，深度学习和强 化学习已成为控制工程的前沿技术，可应 用于许多领域，如自动驾驶、机器人等。
电机控制系统
总结词
电机控制系统是实现各种运动控制的关键组 成部分。
详细描述
电机控制系统通过电机控制器控制电机的旋 转速度和旋转方向。在电机控制系统中，常 用的设备包括电机控制器（如变频器、伺服 控制器等）、电机（如交流电机、直流电机 等）、编码器（用于反馈电机的位置和速度 信息）等。电机控制系统广泛应用于各种领
系统设计
根轨迹分析法也可用于系统设计。通过调整系统的根轨迹图，可以优 化系统的性能指标，如增加相位裕度、减小稳态误差等。
03 控制系统设计
控制系统设计步骤
确定控制系统的性能指标
根据系统要求，确定系统的性能指标， 如稳定性、快速性、准确性等。
设计校正装置
根据系统性能指标和控制器要求，设 计合适的校正装置，如反馈控制器、
域，如工业自动化、机器人、汽车等。
液压控制系统
总结词
液压控制系统是一种通过液体压力传递动力和控制的系 统。
详细描述
液压控制系统由液压泵提供动力，通过管道和阀门的控 制，将液体压力传递到执行机构（如液压缸、液压马达 等），实现各种动作。在液压控制系统中，常用的设备 包括液压泵、液压缸、液压马达、液压阀等。液压控制 系统具有传递动力大、控制精度高等优点，广泛应用于 工程机械、航空航天等领域。
超前校正器等。
选择合适的控制器
根据系统类型和性能指标，选择合适 的控制器，如PID控制器、模糊控制 器等。
控制系统调试与优化
对控制系统进行调试和优化，确保系 统性能达到要求。
控制器设计
确定控制规律
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根据系统要求和被控对象的特性，选择合适的控制规
律，如比例控制、积分控制、微分控制等。
控制器参数整定
适用范围
时域分析法适用于分析线性时不变系统，特别是对于具有明显时间变量的系统，如温度控制系统、液压 控制系统等。
频域分析法
频率特性
频域分析法通过分析系统的频率特性来描述系统的性能。 频率特性是系统对不同频率输入信号的响应，可以反映系 统的稳定性和性能。
稳定性分析
频域分析法可用于稳定性分析。通过绘制系统的奈奎斯特 图或伯德图，可以判断系统的稳定性，并确定系统的临界 频率和带宽频率。