哈工大计算机控制理论PPT教学课件

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哈工大自动控制原理课件-第一章

1.2自动控制系统的组成及原理
（4）反馈信号：是被控变量经由传感器等元件变换并返回到输入端的信号，它要与输入信号进行比较(相减)以便产生偏差信号，反馈信号一般与被控变量成正比。（5）扰动(信号)是加于系统上的不希望的外来信号，它对被控变量产生不利影响，又称干扰或“噪声”。
(6)反馈量（Feedback Variable）：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同的信号。
1.1自动控制的基本概念
近年来由于计算机与信息技术的迅速发展，控制工程无论从深度上还是从广度上都在向其他学科不断延伸与扩展，逐渐发展到以控制论、信息论、仿生学为基础，以智能机为核心的智能控制阶段。
本课程重点讲述经典控制理论，即本书的前6章。
1.2自动控制系统的组成及原理
1.2自动控制系统的组成及原理
作业10% 作业共计5次试验10% 一到两次试验大作业10% 两次期末考试70%
第1章自动控制系统概述
本章主要内容：
自动控制的概念自动控制系统的组成自动控制系统的分类对自动控制系统的基本要求及典型输入信号自动控制理论的发展史
1.1自动控制的基本概念
自动控制作为重要的技术手段，在工业、农业、国防、科学技术领域得到了广泛的应用。自动控制：是指在无人干预的情况下，利用控制装置(或控制器)使被控对象(如机器设备或生产过程)的一个或多个物理量(如电压、速度、流量、液位等)在一定精度范围内自动地按照给定的规律变化并达到要求的指标。例如，电网电压和频率自动地维持不变；数控机床按照预定的程序自动地切削工件；火炮根据雷达传来的信号自动地跟踪目标；人造卫星按预定的轨道运行并始终保持正确的姿态等。这些都是自动控制的结果。自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。

计算机控制理论基础课件

线性系统的性质
线性系统具有齐次性和可加性，即系统的输出与输入的倍数关系保持不变。
线性系统的建模
通过数学模型描述线性系统的动态行为，常用的数学模型有微分方程、传递函数等。
状态空间分析法
状态空间的概念
状态空间是用来描述动态系统内部状态变化的一种方法，通过状态变量和输入、输出变量来描述系统的动态行为。
状态方程的建立
根据系统的数学模型，可以建立状态方程和输出方程，描述系统的动态行为。
状态空间分析法的应用
通过状态空间分析法，可以对系统进行稳定性分析、最优控制等。
稳定性分析
稳定性的定义
01
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。
稳定性分析的方法
02
常用的稳定性分析方法有劳斯判据、赫尔维茨判据等。
控制理论基本概念
控制系统的定义
控制系统的目的是通过调节输入信号，使被控对象达到期望的状态。
控制系统的组成
控制系统通常由控制器、被控对象和反馈回路组成。
控制系统的分类
根据不同的分类标准，可以将控制系统分为开环和闭环、连续和离散等类型。
线性系统理论
01
02
03
线性系统的定义
线性系统是指系统的输出与输入成正比，即满足叠加性和均匀性的系统。
微型化
随着微电子技术的进步，计算机控制系统正朝着微型化方向发展，能够实现设备的紧凑和轻便，满足各种应用场景的需求。
技术挑战
实时性
计算机控制系统需要具备实时性，能够快速响应外部变化，保证系统的稳定性和安
全性。
安全性
计算机控制系统需要具备安全性，能够防止外部攻击和数据泄露，保护系统的机密

哈工大控制原理专业课

: 0
斜率为
k 20 lg G( j2 ) 20 lg G( j1） dB/dec lg 2 lg 1
2）相频特性纵轴是角度
（3）奈奎斯特稳定判据。
1）奈奎斯特图
• Z-闭环正极点数，P-开环正极点数， R-逆时针包围圈数。Z=0闭环系统稳定
•
Z=P-R
2）伯德图 N-在0dB以上的频段内，相频特性对-180°正负穿越次数之差。 Z=0闭环系统稳定。
开环增益K
• 2005-5. 系统A,B,C的幅频特性见图 • 单位阶跃信号，比较稳态误差的大小 • 比较开环增益的大小。 • 比较超调量 • 比较调整时间
• 2005-6. 开环频率特性见图，求 • 系统的开环增益。 • 系统的相位裕度和幅值裕度。 • 系统的开环增益增大到原来的10倍时
的相位裕度和幅值裕度。
• 幅值裕度 Kg 20 dB 的开环增益K • 在原系统中串联一个
滞后环节 e0.1s ，求相位裕度和幅值裕度
• 2004-4 系统的开环传递函数为
G(s)
50
s(s 5)(s 1)
• 试用奈氏判据判断系统的稳定性。
• 2004-5 控制系统如图所示。为使系统的
相角裕量等于 50 ，试确定K值。
• 写出三种校正装置的传递函数
• 哪一种校正装置使系统的相角裕度最大，其值为多少？
• 校正后的系统在单位速度信号作用下的稳态误差分别是多少？
• 2007-4. 系统的 • 开环传递函数为
G(s) K e s s(s 1)
• 其中K=10。为保证闭环稳定，求τ的取值范围。
• 2006-4 系统见图，n为正整数。Gc (s) K
40 30

机电系统计算机控制哈工大课件

1.4 计算机控制系统的一般要求稳定性精确性快速性
1.4 计算机控制系统的一般要求
性能指标（performance specification）
（1）被控对象的最高运行加速度（2）被控对象的最高运行速度（3）最低平滑速度
T N .m Pw nrad / s
9.55
Pw nrpm
稳定判据之三：双线性变换 bode图
稳定裕度（幅值裕度，相位裕度）
0
w0
w
-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0，即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s)
U 0 (s) 1, 系统的输出为收敛的。 U i ( s)
1.4 计算机控制系统的一般要求
2 信号采样与Z变换
•计算机控制系统的信号形式 •信号采样与保持采样信号、采样定理、量化与量化误差、孔径时间、零阶采样保持器 • Z变换 Z变换与差分方程、Z变换定义、性质、常用定理、方法、 Z反变换的方法、求解差分方程
课程内容
3 计算机控制系统分析
•脉冲传递函数开环系统脉冲传递函数、闭环系统脉冲传递函数 • 计算机控制系统性能分析稳定性分析、稳态误差分析、动态响应分析
机电系统的计算机控制
（28学时学位课）
主讲：陈维山，董惠娟
教材：机电系统计算机控制陈维山赵杰编著哈尔滨工业大学出版社
课程基础
1.机电系统参数及动力学基础
performance-dependent mechanical factors: 驱动力、驱动力矩、负载、摩擦力、摩擦力矩、间隙、刚性、惯性、共振频率、传动比对控制系统的影响，如摩擦对系统的稳态误差的影响、对系统的稳定性、快速性等动态性能的影响。

哈工大现代控制理论-CHP1-1-PPT文档资料37页

x1a11x1a12x2a1nxnb11u1b12u2b1rur x2a21x1a22x2a2nxnb21u1b22u2b2rur
xnan1x1an2x2annxnbn1u1bn2u2bnurr
16
1-1-7 状态空间表达式（续）
33
1-3-2从系统的机理出发建立状态空间表达式
例5
电网络如下图所示，输入量为电流源，并指定以电容C1 和C2的电压作为输出，求此网络的状态空间表达式
+ C2
-
uc2
l3
a
i1
b
i2
c
i3 L1
u +
L2
c1
i4
i
R1
l1
-
C1
l2
R2
34
例5
uC1` x1,uC2` x2 i1 x3,i2 x4
CT [1 0]
13
1-1-6 状态空间表达式
状态方程和输出合起来，构成对一个系统完整的动态描述，称为系统的状态空间表达式。
设单输入--单输出定常系统，其状态变量为x1, x2, … , xn, 则状态方程的一般形式为：
x1 a11x1 a12x2 a1nxn b1u x2 a21x1 a22x2 a2nxn b2u
C1CL,b0L1
xAxbu
12
1-1-5 输出方程
在指定系统输出的情况下，该输出与状态变量之间的函数关系式，称为系统的输出方程
令 x1 uc 作为输出，则有
R
y uc 或 y x1
+i -
C
uc
L
y [1
0]xx12

或
y CT x

计算机控制第5章1_New

1 z 1 s T
U ( z ) z 1U ( z ) TE ( z )
D( z ) U ( z ) / E ( z ) T /(1 z 1 )
§5.1 模拟控制器的离散化
三、一阶后向差分法
几何意义
D( z ) D( s )
u (kT ) u[(k 1)T ] Te(kT )
s域0 频段压缩到 z域0 s中
低域段中： 2 DT A D T 2
高频段中：
D 接近s / 2时, 畸变严重, 失真大
主要应用于低通环节的离散化，不宜用于高通环节的离散化
§5.1 模拟控制器的离散化
五、双线性变换法
特性：
(3) 稳态增益不变 D(s) s 0 D( z ) z 1 (4) 双线性变换后D(z)的阶次不变，且分子分母阶次相同。如果D(s)中分子比分母阶次低p次，D(z)分子中必有(z+1)p,即在z=-1处有p重零点。
计算机控制系统
Computer Control System
哈尔滨工业大学（威海）控制科学与工程系
第五章计算机控制系统的模拟设计法
§5.1 模拟控制器的离散化 §5.2 数字PID控制器 §5.3 Smith预估控制
第五章计算机控制系统的模拟设计法
§5.1 模拟控制器的离散化 §5.2 数字PID控制器 §5.3 Smith预估控制
1 0
2 2
1
2 2
§5.1 模拟控制器的离散化
五、双线性变换法
特性：(1) s-z平面映射关系
D( z ) D( s )
s
2 z 1 T z 1
2 2 1
s平面虚轴映射为 z平面的单位圆周 s左半平面映射到 z平面单位圆内若D(s)稳定，则D(z)一定稳定

自动控制理论PPT4(哈工大)

第四章根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
规则六
复平面上根轨迹的分离点必须满足方程
上述条件只是确定分离点的必要条件，不是充分条件。
G ( s ) = K1
dK1 =0 ds
N ( s) D( s )
∏ (s − z ) ∏ (s − p )
i i =1 j =1 n j
τ zj
1
( j = 1,2, ⋯ , m) —开环零点
τ pi
(i = 1,2, ⋯ , n)
—开环极点
10 自动控制理论
第四章根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
K1可以叫根迹增益或根轨迹放大倍数，K叫做系统的开环增益。将零极点形式用于绘制根轨迹比较方便。将其代到幅值条件和相角条件中可以得到
第四章根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本章重点
1.根轨迹的定义、根轨迹方程、幅值条件和相角条件； 2. 常规根轨迹的绘制； 3. 增加开环零极点对根轨迹和系统性能的影响； 4. 利用根轨迹分析系统性能的方法。
1 自动控制理论
第四章根轨迹法
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
9 根轨迹的出射角和入射角
出射角—指起始于开环极点的根轨迹在起点处的切线与正实轴的夹角。入射角—指终止于开环零点的根轨迹在终点处的切线与正实轴的夹角。
规则七
在开环复数极点处根轨迹的出射角为
ϕ p = ∓180 + ϕ
在开环零点处根轨迹的入射角为
ϕ z = ±180 + ϕ ϕ = ∑θ z − ∑θ p

哈工大—现代控制理论课件

则线性化系统方程为：
Δx =结论： i = 1,2, , n ，则非线性 ① 若 Re(λi ) < 0 系统在 xe 处是渐近稳定的，与 g (x) 无关。 ,n ② 若 Re(λi ) > 0 Re(λ j ) < 0 i ≠ j = 1, 则不稳定。 ③ 若 Re(λ ) = 0 ，稳定性与 g (x ) 有关 i
第4章
系统的运动稳定性
例7：一个弹簧－质量－阻尼器系统，系统的运动方程如下
m x + f x + kx = 0
令 m =1
x + f x + kx = 0
列写系统的状态方程并判定稳定性。
第4章
系统的运动稳定性
实际表明，很多情况下李亚普诺夫函数可取为二次型，因此二次型及其定号性，是该理论的一个数学基础
要取决于高阶项系统的运动稳定性本章主要知识点42lyapunov意义下的稳定性稳定性定义各种稳定性之间的关系43lyapunov稳定性理论使用李氏第一法判定系统的稳定性二次型正定性李氏第二法的主要定理44线性系统的稳定性分析线性时变系统和线性定常系统的稳定性判定方法利用李雅普诺夫函数求解参数最优化问题45线性系统的有界输入有界输出稳定定义判定方法46非线性系统的稳定性分析克拉索夫斯基法
它是 x 的各元素
x1 , x2 ,
, xn 和时间 t 的函数。
9
第4章
系统的运动稳定性
自治系统非自治系统
x = f ( x (t ))
基本区别：自治系统的状态轨线不依赖于初始时刻平衡状态（平衡点）：对于所有t，满足 xe = f ( xe , t ) = 0 的状态 xe 称为平衡状态. 平衡状态即为系统方程的常数解，或系统的一种静止的运动。线性系统,非线性系统的平衡点个数?()①

哈工大自动控制原理课件-第二章

2.1.2 非线性运动方程的线性化
例如，将具有两个自变量x、y的非线性函数在预定工作点(x0， y0)的邻域展开成泰勒级数：
z F（x, y） F（x 0 , y 0）（ F F ） x0 x （） x0 y x x x y y0 y y y0
1 2F 2F 2 （ 2 ） x0 (x) （ [ 2 ） x0 xy （ 2 ） x0 (y)2 ] x x x 2 x y y0 ！ xy y y0 y y y0
当系统中的变量对时间的导数不可忽略时，称系统处于动态，相应的系统称为动态系统或动力学系统，对于动态系统，为了确定输出量和其他变量，仅仅知道输入量是不够的，还必须知道一组变量的初始值。控制理论研究的是动态系统，动态系统数学模型的基础是微分方程，又称为动态力程或运动方程。
第2章控制系统的数学模型
数学模型有很多种形式，它们各有特点和最适用的场所，本章介绍微分方程、传送函数和动态框图。
建立系统数学模型的方法有分析法(又称理论建模)和实验法(系统辨识)。分析法是根据系统中各元件所遵循的客观(物理、化学、生物等)规律和运行机理，列出微分方程式。实验法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型去逼近。
增量，方程为一个线性增量方程。它是将非线性函数在预定工作点邻域进行线性化所使用的基本关系式。分析控制系统中的非线性特性时大都是根据小偏差线性化的概念进行的。
2.1.2 非线性运动方程的线性化
几何意义：以过平衡点（工作点）的切线代替工作点附近的曲线 y
y0＋y y0 A x y＝f (x) y
0 1(t ) 1
t 0 t 0
由拉氏变换的定义得1(t)的象函数为：

哈工大自控课件第一章

• 1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法。
偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。
误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。
自动控制原理
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
• 《自动控制原理》是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。
现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！
自动控制原理
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
第一章自动控制理论概述
§1-2 自动控制理论和自动控制系统的基本概念
举例：
杠杆
第一章自动控制理论概述
§1-4 自动控制理论概要
一、自动控制理论主要研究的问题
•
系统分析
在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。
•
系统设计
在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一
第一章
四、自动控制系统的概念和特征
自动控制理论概述
自动控制：
在没有人直接参与的情况下，通过控制器（控制装置）使被控制对象或过程自动地在一定的精度范围内按照预定的
规律运行。
系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达
到一定目的的、具有一定功能的整体。
反馈：
将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。

《计算机控制》课件

《计算机控制》PPT课件
本课件旨在介绍《计算机控制》课程的重要概念和应用。通过结合图像和案例分析，使学生更好地理解计算机控制的原理和方法。
课程简介
该课程为学生提供了关于计算机控制理论和应用的基本知识。学生将学习控制系统的设计和分析，以及如何使用计算机技术实现自动化控制。
课程目标
1 掌握控制理论
重点知识点
控制系统建模
• 传递函数与状态空间模型 • 反馈控制与前馈控制
PID控制器
• 基本原理与参数选择 • 稳态误差与系统稳定性
计算机控制系统
• 硬件平台与接
自动化生产线
通过计算机控制实现生产线的自动化操
智能家居系统
2
作，提高生产效率和产品质量。
利用计算机控制技术实现对家居设备的
学生将了解控制系统的基本原理和常用控制算法，以及它们在计算机控制中的应用。
2 掌握控制系统设计
学生将学习如何设计和优化控制系统，以满足特定需求和指标。
3 应用计算机技术进行控制
学生将了解计算机控制系统的组成和工作原理，并学会使用编程语言和控制软件进行控制系统的设计和实现。
课程内容
控制理论基础
控制系统的基本概念、数学建模和传递函数分析。
智能控制，提供更便捷和舒适的生活体
3
自动驾驶车辆
验。
探索计算机控制在汽车行业的应用，提
高驾驶安全性和驾驶体验。
总结
通过本课程的学习，学生将获得理论与实践相结合的计算机控制知识，为未来的工程和研究提供坚实的基础。
控制系统设计
PID控制器设计和调节、校正和稳定性分析。
计算机控制技术
计算机硬件和软件在控制系统中的应用、系统仿真和实时控制。

哈工程计算机控制系统PPT

基本结构：一、电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上。
2 PLC
应用受限制复杂算法复杂算法复杂算法复杂算法简单算法简单算法复杂算法复杂算法复杂算法复杂算法适应性适应性好好嵌入式嵌入式较快较快专用指令专用指令通用通用dspdsp中等中等嵌入式嵌入式快快硬件硬件专用指令专用指令专用专用dspdsp较好较好嵌入式嵌入式慢慢汇编语言汇编语言编程编程单片机单片机中等中等非嵌入式非嵌入式快快硬件硬件专用指令专用指令pcpc机高速处理速处理较好较好非嵌入式非嵌入式中等中等高级语言高级语言编程编程pcpc机机性价比性价比应用场合应用场合速度速度实现方法实现方法11信号处理信号处理22图像处理图像处理33仪器仪器44声音声音语言语言55控制控制66军事应用军事应用77电信电信88无线电无线电片内具有快速ram通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问支持流水线操作使取指译码和执行操作可以重叠执行dspdsp优点
2 PLC
功能特点： 1.使用方便，编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 2.功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

计算机控制理论基础课件

PART 02
控制理论基础
开环与闭环控制系统
开环控制系统
开环控制系统是指系统的输出只受输入信号的控制，而不受其他反馈信号影响的系统。开环控制系统的结构相对简单，控制精度和稳定性较低。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中存在反馈回路，系统输出信号会反馈回输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整系统输出的系统。闭环控制系统具有较高的控制精度和稳定性。
执行器根据控制器的输出信号驱动被控对象，常见的执行器有电机、气缸等；传感器则负责采集被控对象的各种参数，如温度、压力、流量等。
人机界面是操作员与计算机控制系统进行交互的设备，常见的有人机界面（HMI）和可编程控制器（PLC）编程软件。
软件实现
控制算法
数据处理
控制算法是计算机控制系统的核心，常见的控制算法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
输入输出接口
执行器与传感器
人机界面
作为计算机控制系统的核心，控制器负责接收输入信号，根据控制算法计算输出信号，并输出到被控对象。常见的控制器有可编程逻辑控制器（PLC）和数字信号处理器（DSP）。
输入输出接口负责接收和发送信号，实现控制器与被控对象之间的数据交换。常见的输入输出接口有模拟量输入输出和数字量输入输出。
计算机控制理论基础课件
• 计算机控制系统概述 • 控制理论基础 • 计算机控制系统设计 • 计算机控制系统实现 • 计算机控制系统应用
目录
PART 01
计算机控制系统概述
定义与特点
定义
计算机控制系统是指利用计算机实现生产过程的自动控制，即利用计算机技术对工业生产过程中的各种参数进行检测、处理、控制，并驱动执行机构进行工作的一种系统。

计算机控制第4章1_New

k
k
A p
i 1 i
n
k i
0
lim Ai p 0
k k i
Ai 0
| pi | 1
§4.2 稳定性分析二、特征根判别稳定性
线性离散系统的特征根是否在Z平面的单位圆内，若都在则稳定，否则不稳定
5 1 例1：已知T 1s, G(s) , e 0.368, 判稳 s(s 1)
§4.1 z平面
一、s平面和z平面的基本映射关系
s平面与z平面映射关系 sT s
ze
e
jT jjTFra bibliotekz e
( j )T
e e
T
e T
j (T 2 k )
T
cos T j sin T 是2的周期函数
T
jT
z e e
e e
1
不稳定
§4.2 稳定性分析二、特征根判别稳定性
例2：离散系统特征方程如下, 判稳 (z) z 1.2 z 0.07 z 0.3z 0.08 0
4 3 2
解： c=[1,-1.2, 0.07, 0.3, -0.08]; r=roots(c)
1. s平面实轴平行线（即等频率线）的映射
R z e
T
z T
§4.1 z平面
二、s平面上等值线在z平面的映射
2. s平面虚轴平行线（即等衰减率线）的映射
R z e
T
z T
§4.1 z平面
二、s平面上等值线在z平面的映射
3. s平面上等阻尼比轨迹的映射
cos s j cot j
线性离散系统稳定设系统的脉冲传函