现代控制理论_东北大学_第一章_绪论.pptxVIP

现代控制理论概述现代控制理论是研究复杂动态系统行为和控制的一门重要学科。它涉及系统建模、分析和设计,广泛应用于工程技术、经济管理等领域。这门课程将系统地介绍现代控制理论的基本概念、分析方法和设计技术,为学生未来的学习和工作奠定基础。rhbyrh

控制系统的定义和特点控制系统定义控制系统是通过对被控对象进行测量和反馈控制,使之按照预期的目标运行的装置。控制目标控制系统的目标是使被控对象按照预期的要求运行,达到所需的性能指标。反馈特性控制系统通过测量被控对象的输出并与设定值进行比较,实现闭环反馈控制。

控制系统的组成1输入端控制系统的输入端包括各种传感器、开关、控制指令等,用于采集和输入系统运行所需的信息。2处理单元处理单元是控制系统的核心,负责对输入信息进行分析处理,制定相应的控制策略。通常包括微处理器或计算机。3执行机构执行机构接收处理单元的输出信号,执行相应的动作,实现对系统的控制。包括电机、阀门、气缸等。4反馈环节反馈环节将系统的输出状态信息反馈给处理单元,形成闭环控制,提高系统的稳定性和精确性。

控制系统的分类系统结构分类根据系统的组成结构,控制系统可分为开环系统和闭环系统。开环系统没有反馈,而闭环系统有反馈机制,可以自动调节。控制方式分类按照控制方式的不同,控制系统可分为手动控制、自动控制、半自动控制等。自动控制是无人干预的智能调节过程。系统性质分类根据系统性质的不同,控制系统又可分为连续时间系统和离散时间系统。连续时间系统是模拟量控制,离散时间系统是数字控制。

控制系统的历史发展早期的机械式控制最早的控制系统采用机械装置如齿轮、杠杆等进行反馈和调节,应用于蒸汽机调速、运动控制等领域。电子自动控制的兴起20世纪初,随着电力技术的发展,电子自动控制逐渐取代了机械控制,应用范围迅速扩大。计算机控制的出现20世纪中期,随着计算机技术的突破,数字计算机开始应用于控制系统,为控制理论和技术的发展奠定了基础。现代控制理论的发展20世纪50年代开始,现代控制理论迅速发展,为各类复杂控制系统的分析和设计提供了有力工具。

控制理论的研究方法数学分析法通过数学分析建立控制系统的数学模型,利用微分方程、传递函数、状态空间表示等方法研究系统的性能指标、稳定性、响应特性等。频域分析法基于控制系统的频率响应特性,利用频域分析工具如Bode图、Nyquist图等,分析系统的稳定性和性能。时域分析法通过研究系统在时域的响应特性,利用过渡过程分析、根轨迹法等方法,评估系统的性能和稳定性。计算机仿真利用计算机软件对控制系统进行建模和仿真,可以快速分析系统性能,为控制系统设计提供重要依据。

控制系统的数学建模微分方程建模利用微分方程描述控制系统的动态特性,通过微分方程可以表达系统输入输出之间的数学关系。这种建模方式可以深入分析系统的传递过程和响应特性。传递函数建模使用传递函数表示系统动态特性,传递函数定义了系统输入输出之间的比率关系。这种建模方式直观简单,方便进行系统分析和设计。状态空间建模通过状态变量描述系统内部状态的动态变化,可以更全面地刻画系统的内部结构和特性。状态空间建模适用于多输入多输出的复杂系统。

微分方程在控制系统中的应用系统建模利用微分方程可以对控制系统的动态特性进行建模和描述,为后续的分析和设计提供基础。数学分析通过求解控制系统的微分方程,可以得出系统的传递函数、状态方程等重要特性。性能评估利用微分方程可以预测控制系统的时域和频域特性,为性能指标的分析和调整提供依据。

传递函数在控制系统中的应用传递函数概述传递函数是描述输入与输出之间关系的重要数学工具。它可以表示系统的动态特性和响应过程。控制系统建模利用传递函数可以建立控制系统的数学模型,并分析系统的稳定性和性能指标。频域分析传递函数在频域分析中应用广泛,可以计算系统的频响特性,设计滤波器和补偿网络。

状态空间表示法在控制系统中的应用状态空间法状态空间表示法是现代控制理论中一种重要的数学建模方法。它通过描述系统的内部状态来分析和设计控制系统。优势相比传统的微分方程和传递函数表示,状态空间法可以更好地描述复杂的多变量系统,适用于非线性和时变系统。应用场景状态空间法广泛应用于工程控制、航天航空、电力系统、化工过程等领域,为控制系统的设计和分析提供有力工具。发展趋势随着计算机技术的进步,状态空间法在数字控制系统、自适应控制和智能控制等前沿领域得到了更深入的应用。

控制系统的性能指标1响应速度控制系统对目标变化的响应能力,反映了系统的敏捷性和时间性能。快速响应可以提高系统效率。2稳定性控制系统的能力,在受到干扰或负载变化时,能够维持系统稳定运行,避免出现振荡或失控。3精度控制系统能够准确跟踪目标变化的能力,反映了系统的测量和控制精度。高精度有助于提高系统性能。4鲁棒性控制系统在参数变