第四章控制系统
4.1 控制系统的组成及其作用
控制系统的组成（5部分）
（1）数字控制装置
作用：程序译码执行；状态信号输入采集处理，产生输出控制信号和状态显示信息
（2）输入装置
作用：接受现场状态信息和操作命令，（专为可识别的信息格式）（3）输出装置（输出设备）
作用：接受来自数字控制装置的控制命令，转化并执行相应命令信息，
产生调解、改变系统工作状态的操作和动作
（4）输入输出接口
作用：连接数字控制装置和输入输出设备的信息桥梁，完成I/O信号的电平转换，隔离，信号方式转换，滤波，锁存和缓冲等功能（5）功率放大电路
作用：将输出接口的输出控制信号进行功率放大，以足够的功率驱动输出执行设备（输出装置），完成系统的运行
控制系统的组成实例1：
控制系统的组成实例2：
作业：
1．简述机电一体化控制系统的构成
2．简述机电一体化控制系统各功能部件的作用
第四章控制系统 4.2 控制系统的设计要求
控制系统的设计要求包括10个部分：
（1）功能实用性：指功能，性能，精度，应用范围及特点等技术指标概况
（2）系统可靠性：指系统在给定条件，预定时间内能够正常工作的概率（评价：无故障工作时间和故障的排出时间（含永久性和偶发性故障））
（3）运行稳定性：系统的输入量变化或受到外界干扰时，输出量被迫离开原来的稳定值过渡到另一个新的稳定状态的过程中，输出量发生超出规定限度或
发生非收敛性变化的概率（包括超调，振荡，滞后，静态误差等）（4）操作宜人性：人机工程概念内容，有助于提高效率，速度，质量和可靠性（5）人机安全性：监测，自动保护，报警，显示，急停，极限保护等
（6）环境保护水平：不产生环境污染
（7）技术经济性：包括机电一体化设备制造的性价比和运行的性价比
（8）结构工艺性：设计应满足加工，装配，检测，包装，安装，维护的最佳工艺性（9）造型艺术性：系统外形，比率，形体结构，色彩符合工业设计要求和时代美感（10）成果规范性：设计遵从相关法规，符合相关技术标准和技术规范
附：
※对工业控制计算机系统的基本要求
具有完善的过程输入/输出功能
具有实时控制功能
具有可靠性
具有较强的环境适应性和抗干扰能力
具有丰富的软件
※工业控制计算机分类及特点
1.可编程控制器
特点：
程序可变，柔性好。
可靠性强，适于工业环境。
编程简单，使用方便。
功能完善。
体积小，重量轻，易于装入机器内部。
2.总线型工业控制计算机
特点：
提高设计效率，缩短设计和制造周期。
提高系统可靠性。
便于调试和维修。
能适应技术发展的需要。
3.单片机
单板机
特点：
受集成度的限制，片内存储器容量较小。
可靠性高。
易扩展。
控制功能强。
一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。组成：
(1) 传感器它将贮槽液位高低的信息转换为一种特定的信号(如电压、电流等)，并传送到控制器，相当于人工控制时的眼睛。
(2) 控制器它接受变送器送来的信号，与生产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。
(3) 执行器在这里就是控制阀，它可以根据控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。
作业：
1．简述机电一体化控制系统设计的10个评价标准
2．简述机电一体化控制系统设计的稳定性评价指标的内容
教学过程及时间分配：
※控制系统输入装置的主要作用
将控制命令信息和状态信息送入数字控制系统
※控制系统输入装置的主要种类
键盘开关接口电路
※
（1）输入接口
的形式的确定
（2）防抖动措
施的确定
（3）开关电平
的确定方法
（4）工作方式
的确定：
①无条
件方式的输入
②查询
方式的输入
③中断方式的输
入
※输入键盘的种类
⑴通用标准编码键盘
特点：软件定义各个键的功能，充分利用微型计算机的现有软硬件资源，简化了系统设计和制作工作量，体积，总量，成本，防尘较欠理想
⑵专用的非编码矩阵键盘
特点：采用较少的硬件电路资源和专门设计的扫描软件组成
①功能单一，结构简单，体积小，重量轻，装配紧凑合理
②功能单一的扫描软件，执行速度快，系统运行效率高
③根据控制功能的需要设计键的数量和功能分配，基本无冗余，功能键
的位置组合根据需要设计，操作简单快捷且人性化
④具有较高的性价比
⑤研制工作量较大
非编码矩阵键盘
1. 组成原理
⑴本例为8行8列的矩阵键盘
⑵输出口为锁存器74LS377，口地址为7FFFH
⑶输入口为缓冲器74LS244，口地址为7FFFH
⑷由控制信号区分I/O接口
⑸键盘采用中断方式联络CPU
⑹8行8列64键的键号为0～63
⑺初始Q0～Q7=00H
⑻有键按下与门输出0，请求中断
控制系统的数码管显示概述
（1）应用意义：简单，经济，在信息量较少的控制系统中应用具有较高的性价比 （2）LED 数码管类型 ① 七段LED 数码管 （按显示段数） ② 八段LED 数码管 ③ 十六段LED 数码 （3） LED 数码管类型 ① 共阴极LED 数码管 （按共极性） ② 共阳极LED 数码管 控制系统的数码管显示
（1）LED 数码管的内部结构原理：按数字图案排列的8个LED 发光二极管
（2）LED 数码管的显示原理：按所需要的字符图案点亮相应的LED ，完成相应
字符和图案的显示效果
LED 数码管的引脚示意图
控制系统的数码管显示编码——共阴极LED数码管
LED数码管显示静态显示接口电
1.
亮度高，无闪烁，软件设计简单
电路硬件成本高，位数少适用
2.电路组成
使用多功能并行接口8255直接驱动3位LED数码管
3.软件设计
内存开设显示缓冲区，存放待显示字符的二进制码，由显示输出子程序调用刷新4.动态显示电路的特点：
亮度较低，存在扫描闪烁，软件设计复杂，CPU利用率下降，
电路硬件成本低，位数较多的显示电路适用
基本原理：按位依次从显示缓冲区取出显示码并送入字形码锁存器，再根据该字符
所在位将位编码送入位锁存器仅让该位LED显示该字形码字符，经适当延时，再改为下一位的点亮显示，到最后一位点亮延时后，再从头开始，由于人的视觉暂留效应，感觉效果依然是连续显示
作业：
1．简述LED显示器的两类显示方式的特点
2．简述LED显示器的动态显示方式的原理和特点
第四章控制系统 4.5 控制系统的信息输入输出
两种I/O方式
①信号的并行输入输出方式
②信号的串行输入输出方式
4.5.1并行输入输出
（1）并行I/O方式的特点
①传输速度快，传输信号线多，使用于近距离传送
②机电一体化系统中的方式选择，位置，压力等开关量信号适合并行传送
③控制系统中的非编码矩阵键盘适合并行输入输出
④一般可同时完成电平转换，隔离，锁存，缓冲，功放等技术处理
（2）常用的接口芯片
①简单的输入接口：可使用TTL 8-缓冲器74LS244等芯片
②简单的输出接口：可使用TTL锁存器74LS377，74LS277，74LS373 等
芯片
③ 使用通用多功能并行接口：例如 8255，8155等
④ 直接使用单片微型机的片内并行接口，例80C31， 80C51， 87C51的 P0，P1，P2，P3准双向8位并行接口，既可 8位并行I/O 传送，又可位控操作
并行I/O 中的光电隔离电路 1.光电隔离的主要意义
⑴ 系统内外电路的电器隔离，避免抢点系统对微机系统的影响 ⑵ 电平转换
2. 常见的3种光电隔离电路类型
同相输出 反相输出 开关量输入
4.5.1并行输入输出应用例
步进电机环形分配器控制
作业：
1．简述三种常见的光电耦合器的应用形式的工作原理
2．简述YB013接口电路的工作原理
1.十进制——二进制的数制的转换处理
ASCII码的概念和基本内容
BCD码的概念和基本内容
2. 二进制——十进制的数制的转换处理
数字滤波技术
数字滤波相对模拟滤波的技术特点
(1)软件滤波技术
(2)可靠,无阻抗匹配问题
(3)可对极低频率的信号进行滤波处理(BC滤波器则因R或C的值太大无法实现1.程序判断滤波
(1)根据经验或工艺分析确定两次采样之间可能出现的最大偏差Δx
(2)采样后发现偏差大于Δx，则是干扰而放弃
（3）采样后发现偏差小于Δx，则是不是干扰而输入
（4）具有限幅滤波和限速滤波两大类
（5）适用：变化缓慢的信号（温度、液位等）
2.算术平均滤波
（1）方法：取n次采样值的平均值作为本次采样值
（2）适用：适用于压力，流量等周期脉动信号的平滑处理信号输入
3.加权平均滤波
（1）原理：基本同算术平均滤波，但不同时刻的采样值赋予不同的加权因子（例1/N采样值），从而提高采样精度）
（2）使用：系统信号值滞后时间较大，采样时间较短的情况
4.中值滤波
（1）n次采样后去除极限之后再平均n-2次
（2）减少偶然干扰影响
作业：
1．简述二进制码，BCD码，ASCII码的主要应用意义
2．简述十进制码转化为二进制码的基本方法
3. 简述数字滤波相对模拟滤波波的主要技术特点
第四章控制系统 4.1 控制系统的组成及其作用 控制系统的组成（5部分） （1）数字控制装置 作用：程序译码执行；状态信号输入采集处理，产生输出控制信号和状态显示信息 （2）输入装置 作用：接受现场状态信息和操作命令，（专为可识别的信息格式）（3）输出装置（输出设备） 作用：接受来自数字控制装置的控制命令，转化并执行相应命令信息， 产生调解、改变系统工作状态的操作和动作 （4）输入输出接口 作用：连接数字控制装置和输入输出设备的信息桥梁，完成I/O信号的电平转换，隔离，信号方式转换，滤波，锁存和缓冲等功能（5）功率放大电路 作用：将输出接口的输出控制信号进行功率放大，以足够的功率驱动输出执行设备（输出装置），完成系统的运行
控制系统的组成实例1： 控制系统的组成实例2：
作业： 1．简述机电一体化控制系统的构成 2．简述机电一体化控制系统各功能部件的作用 第四章控制系统 4.2 控制系统的设计要求 控制系统的设计要求包括10个部分： （1）功能实用性：指功能，性能，精度，应用范围及特点等技术指标概况 （2）系统可靠性：指系统在给定条件，预定时间内能够正常工作的概率（评价：无故障工作时间和故障的排出时间（含永久性和偶发性故障）） （3）运行稳定性：系统的输入量变化或受到外界干扰时，输出量被迫离开原来的稳定值过渡到另一个新的稳定状态的过程中，输出量发生超出规定限度或 发生非收敛性变化的概率（包括超调，振荡，滞后，静态误差等）（4）操作宜人性：人机工程概念内容，有助于提高效率，速度，质量和可靠性（5）人机安全性：监测，自动保护，报警，显示，急停，极限保护等 （6）环境保护水平：不产生环境污染 （7）技术经济性：包括机电一体化设备制造的性价比和运行的性价比 （8）结构工艺性：设计应满足加工，装配，检测，包装，安装，维护的最佳工艺性（9）造型艺术性：系统外形，比率，形体结构，色彩符合工业设计要求和时代美感（10）成果规范性：设计遵从相关法规，符合相关技术标准和技术规范 附： ※对工业控制计算机系统的基本要求
电子控制系统的组成和工作过程 一、教学分析 1．教材分析 本课是第一章第二节“电子控制系统的组成和工作过程”。从对比分析两种路灯控制系统的基本组成入手，再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，来学习电子控制系统的基本组成和工作过程，从而为学生学习后面各章提供了一把钥匙。 2．学情分析 学生在通用技术必修2的学习中，已学过关于控制系统的一些概念，例如输入、控制、输出，以及功能模拟方法的含义，但对电子控制系统内部电子元件，例如发光二极管、光敏电阻、三极管等的工作原理不太了解，教师可用通俗的语言补充解释其作用，以利于学生的学习。 二、教学目标 1．知识与技能目标 （1）知道电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．过程与方法目标 （1）通过对两种路灯控制系统方框图的对照，知道电子控制系统的基本组成。 （2）通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，加深对电子控制系统组成的理解。 3．情感态度和价值观目标 （1）激发学生动手尝试的兴趣和热爱技术的情感。 （2）提高学生比较及分析电子控制系统的能力。 三、教学重难点 1．重点 （1）电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．难点 电子控制系统内部常见电子元件的工作原理。 四、教学策略 本节课程以多媒体技术为辅助教学手段，通过观察、基本知识讲授、小组探究、分析表达、技术试验、能力展示等教学方法和策略，在教师指导下，通过学生自主探究建构知识和技能。 五、教学准备 通用技术专用教室、多媒体、课件、路灯自动控制模型。 六、课时安排 共1课时 七、教学过程 （一）新课导入 教师展示：路灯自动控制模型 板书：第一章电子控制系统概述 第二节电子控制系统的组成和工作过程
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
主要教学内容及步骤教学过程师生活动设计意图 等 复习回顾： 回顾燃油供给系的组成，及主要电控原件的作用新课导入： 看电控发动机的电路示教板，分类器元件，归纳。新课讲授： 电子控制系统主要部件结构及工作原理 一、传感器概述 1、灵敏度。 2、分辨率 3、测量范围和量程 4、线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差和满量程输出值的百分 比，称为线性度或非线性误差。 5、迟滞 6、重复性 7、零漂和温漂 二、车用计算机 车用计算机一般装在金属盒子内，硬件上由大量的集成电路（芯片）、印刷电路板和其他电子元件组成。从功能上可分为微处理器（ECU）、存储器和输入/输出电路（I/O）。学习汽车微型计算机的基本知识，有利于掌握电控系统的工作原理及进行故障分析。 1、电信号 （1）模拟电压信号 模拟电压信号是一种在一定范围内连续变化的信号。（2）数字电压信号 数字电压信号不是高电压就是低电压。换句话说，电压信号不是5V就是0V，这类电压信号就叫做数字信号，数字信号也可以叫做方波信号。 （3）二进制码 逢2进1的计数方法是二进制。数字信号低值和高值两种信号，低值数字信号可用0代表，高值数字信号用1及时复习回顾这就是完整的汽车电子控制系统
代表，二进制一词意味着只有0和1两个数字。在车用计算机中，将物理的、化学的、电学的状态、数值都用一串串的0和1表示，即信息都以二进制码进行交换。 2、输入信号处理 （1）放大器 放大器是将输入信号放大到计算机可准确识别的程度。（2）模数（A/D）转换器 模数转换器的作用是将模拟信号转换成数字信号。 三、微处理器 1、构造 微处理器（MPU或CPU）是计算机中的计算和决策的芯片。使用较多的是一种叫单片机的微处理器，它内部有成千上万个微型三极管和二极管，这些晶体管用作电子开关。 2、程序 程序是微处理器执行的一组指令。 3、信息存储 4、信息检索 四、存储器 存储器一般分为三种，只能读出的存储器叫只读存 储器，简称ROM；能读出也能写入的存储器叫随机存储器，简称RAM；能写入也能擦除的存储器叫可保持存储器，简称KAM。 1、只读存储器 只读存储器包括ROM、PROM、EPROM、EEPROM，当切断存储器电源时，这四种存储器的信息资料都不会丢失。 2、随机存储器RAM 五、汽车电脑的特点 1、汽车需要在不同的道路和气候条件下行驶，汽车电脑的工作环境较差，经常需要承受振动以及温度和湿度的变化。汽车电脑的电源电压变化较大，而且还受到车内外电磁波的干扰，因此汽车电脑需要很高的可靠性和对环境的耐久性。 2、汽车电脑必须具有足够的智能化，具有自诊断参照视教板上的原理图进行讲解，更加直观明了。
4.2控制系统的组成和描述习题 一、判断题 （1）控制器肯定是控制系统中最先动作的构件。（）（2）执行器是能直接对被控对象起控制作用的装置。（）（3）被控对象是连动过程中最后动作的构件。（）（4）存在比较器的控制系统一定是闭环控制系统。（）二、判断下列关于楼道灯声控开关电路的说法是否正确。（1）它是一个闭环控制系统。（） （2）它能自动纠正控制误差。（） （3）灯是被控对象。（） （4）控制量是控制灯的亮灭。（） 二、选择题 1.下列控制系统中，属于开环控制系统的是（） A 电冰箱的温度控制 B 计算机的CPU上的风扇的转速控制 C 现代化农业温室的温度控制 D 家用缝纫机的缝纫速度控制 2 .下面控制系统中，属于闭环控制的有（） A 电风扇机械定时开关控制系统 B 电子门铃控制系统 C 电磁炉温度自动控制系统 D 自行车制动系统 3．下列控制现象属于自动控制的是（）
A 电风扇 B 洗衣机 C 红绿灯定时转换 D 电子词典 4．下列属于闭环控制系统的是（） A 楼道里的防盗报警控制系统 B 火灾自动报警系统 C 公园音乐喷泉自动控制系统 D 电冰箱的温度控制系统 5．下列各项中，属于开环控制系统的是（） A 家用电风扇的转速调节系统 B 电冰箱温度控制系统 C 汽车自动档位控制系统 D 抽水马桶水位的控制系统 6.“皮影戏”是我国的传统的民间艺术，演员只要在屏幕和灯光之间抖动如栓在“小兔”身上的细线，屏幕上就能出现生动活泼的小兔形象，这是一种控制现象，其控制对象是（） A 细线 B “小兔” C 屏幕 D 灯光 7．普通高压锅使用过程中，当锅内压力达到一定值时，压力阀会浮起并放气，使锅内压力维持在预定值水平。该压力控制系统是( ) ①人工系统②自然系统③人工（手动）控制④自动控制 A ①③ B ①④ C ②③ D ②④ 8.闭环控制系统由下列各个环节组成（） ①控制器②执行器③被控对象④检测装置 A ①②③ B ①③④
汽车电子控制系统主要由传感器，控制单元和执行器三部分组成。根据控制功能不同，汽车电子控制系统可为动力性，经济与排放性，安全性，舒适性，操纵性，通过性和信息控制系统七种类型。根据汽车总体结构，汽车电子控制系统可分为发动机电子控制系统，底盘电子控制系统，车身电子控制系统和综合控制系统四大类。（1）汽车发动机电子控制系统。它主要包括；电子控制发动机燃油喷射系统（EFI）,空燃比反馈控制系统（AFC）, 怠速控制 系统（ISC）,断油控制系统，燃油蒸汽回收控制系统，排气再循环控制系统，加速踏板控制系统（EAF）,微机控制点火系统（MCI）, 发动机爆震控制系统（EDC），进气控制系统，增压控制系统和汽车巡航控制系统（CCS）第二代车载故障诊断系统（OBD-11）等。（2）汽车底盘电子控制系统。它主要包括；电子控制自动变速系统（ECT ,防抱死控制系统（ABS）,电子控制制动力分配系统（EBD，电子控制制动辅助系统（EBA,动态稳定控制系统（DSC，驱动防滑控制系统（ASR , 电子控制动力转向系统（EPS,电子控制悬架系
统（ECS ,轮胎气压控制系统（TPC , 等。 3）汽车车身电子控制系统。它主要包括；辅助防护安全气nan系统（SRS，安全带张紧控制系统（STTS，车辆保安系统（VESS, 中央门锁控制系统（CLCS，前照灯控制与清洗系统（HAW），刮水器与清洗器控制系统（WWCS），座椅调节系统（SAMS）。 （4）汽车综合控制系统。它主要包括；维修周期显示系统（LSID），液面与磨损监控系统（FWMS），车载计算机（OBC），车载电话（CPH），交通控制与通信系统（TCIS，信息显示系统（IDS），控制器区域网络系统（CAN），自动空调系统（ACS，雷达车距控制系统，倒车防撞报警系统（PWS,等。
1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。 图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Q i(或流出量Q0) 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。 ①检测用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ②运算、命令大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 ③执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。 若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动 下面结合图1-2的例子介绍几个常 用术语。 ①被控对象需要实现控制的 简称对象，如图1-2中的液体贮槽。 ②被控变量对象内要求保
自动控制系统主要有哪些环节组 成 1?自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？ a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b 控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2?被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。 给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3?自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~ （控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不 发生影响的系统），复合~ 4?按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件
快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。 提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7?自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间 变化的过程称为~ 形式：非周期衰减过程，衰减振荡过程， 等幅振荡过程，发散振荡过程 8.衰减振荡过渡过程的性能指标 衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。 调节时间：从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K :数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。意义：若有一定的输入变化量Q i通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T:当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需
自动控制系统的基本组成与分类 自动控制系统的基本组成 如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成， 根 据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。图1．12是一个典型的自 动控制 系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。 1．被控对象 如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程 出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。 2．阁量元件 测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。如果输出量与输入量的物 理 单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并 转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。 3．给定元件 根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以 r(‘)表示)，作为系统的控制依据。例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给 定元件。 4．比较元件 比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号
中的电压比较电路。通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。 5．放大元件 放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。 6．执行元件 执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对 象，使其被控量按照设定的要求变化。通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。7．校正元件 校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系 统中。 在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系 统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通 路构 成的回路称为主反馈回路，简称主回路。除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈 回路 等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。 1．4．2 自动控制系统的分类 如前所述，自动控制系统的组成千差万别，所完成的控制任务也不尽相同，但可以 按 不同的分类方法，将其分为各种不同的类别。例如，按控制方式可分为开环控制系统、闭 环控制系统和复合控制系TI代理统；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系
《自动控制原理》综合复习资料 、简答题 1常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点？ 2、 自动控制原理中，对线性控制系统进行分析的方法有哪些？ 3、 给出梅逊公式，及其中各参数意义。 4、 举例说明什么是闭环系统？它具有什么特点？ 5、 系统的性能指标有哪些？ 6、 幅值裕度，相位裕度各是如何定义的？ 7、 画出自动控制系统基本组成方框结构图？ &减小稳态误差的措施主要有？ 9、 闭环控制系统由哪几个基本单元组成？ 10、 增加开环零、极点对根轨迹有什么影响？ 二、计算题 1已知系统输入为U i ，输出为U o ，求出传递函数 G(s) U °(s)/U i (s)。 o ------- ------------------- ------ o R L U i c 丄 U o 2、试简化下图所示系统方框图求其传递函数: 3、已知某二阶系统的单位阶跃响应为 ct 1 0.2e 60t 1.2e 10t ， (2)确定系统阻尼比 、无阻尼振荡频率 试求：(1)系统传递函数 c -s R s （5 分）
7、已知系统的结构图如所示: 当K f 0、K a 10时，试确定系统的阻尼比 、固有频率 n 和单位斜坡输 入时系统的稳态误差； 8、已知系统如下图所示，求系统的单位阶跃响应，并判断系统的稳定性。 9、RC 无源网络电路图如下图所示，试列写该系统的微分方程，并求传递函数Uc(s)/Uc(s) 4、设某系统的特征方程式为 s 6 2s 5 8s 4 12s 3 20 s 2 16s 16 判断闭环系统的稳定性，若不稳定求其不稳定特征根个数。 (利用劳斯判据) 5、RC 无源网络电路图如下图所示 ，试列写该系统的微分方程 ，并求传递函数Uc(s)/Ui(s) O U i o R i o U c 6、试简化下图所示系统方框图求其传递函数 : X r
一、电控系统组成： ①电子控制单元（ECU）:ECU的功能：接收来自各种传感器的信息，经过快速地处理，运 算，分析和判断后，适时地输出控制指令，控制执行动作，借以控制发动机（主要由输入回路，A/D装换器，微型计算机和输出回路四部分组成） 基本功能：A给传感器提供标准电压，并接受传感器信号 B储存车型特征参数和运算中所需信息 C分析确定故障信息 D 向执行元件发出指令或输出故障信号 E自我修复 ②传感器 常见传感器及功用 1空气流量传感器测进气量 2进气管绝对压力传感器测气压 3曲轴位置和凸轮轴位置传感器点火正时控制 4冷却液温度传感器测冷却液温度 5 进气温度传感器给ECU提供进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时控制的修正，调节信号 6节气门位置传感器提供进气量信号，控制喷量 7氧传感器提供氧含量信号 8爆震传感器检测发动机有无爆燃发生 ③执行器是发动机电控系统的执行元件，作用是接受电脑指令。完成某项功能，主要分为；电磁阀，继电器，进电器，功率晶体管，显示装置 二、发动机电控系统 1（EF）I电控燃油喷射系统 组成进气系统，燃油系统电控系统 功用在各种工况下对空燃比进行最优化控制 优点 A 精确控制喷油量，动力性，经济性，排放性 B进气阻力小，不需进气预热，充气效率高 C 多点喷射使各缸混合气分配均匀，排放降低。 D 喷油雾化，冷起动性好。 E 电子控制系统响应迅速，加减速灵敏性好 F 对空燃比反馈控制,排放更低。 2（ESA）电控点火系统组成主要由传感器，电脑ECU和点火执行器。 功能控制点火提前角，点火提前角点火时刻开始，活塞运动到上止点为止，曲轴转速和角度（10度左右） 点火提前角的控制：A 起动时将点火时刻固定在设定的初始点火提前角 B 怠速时根据DL信号，NE信号，A/C信号确定基本点火提前角 C 其他工况根据转速信号和负荷信号确定基本点火提前角增大
1.电子控制系统一般可分为输入部分、控制（处理）部分、输出部分三个基本组成部分。P8 2.电子控制系统的输入部分相当于人的感官，它能将采集的非电量（信息）变化转变为电量（电信号）变化。控制（处理）部分的作用相当于人的大脑，它能将对送入的电信号进行分析、比较和处理，并发出指令。输出部分由电磁继电器、晶闸管等多种执行机构组成，相当于人的手足，它的作用是执行控制（处理）部分的指令，进行某种操作，实现某种功能。P9、P21 3.如图所示为某同学用电吹风改装的简易烘手器的系统示意图。关于该简易烘手器的电子控制系统，下列说法不正确的是（A） A.输入部分是使用者的手 B.输出部分是继电器模块 C.被控对象是电吹风 D.控制部分是控制电路 4.探测到可燃气体的浓 度超过2500PPM，就会语音报警，同时关闭 C） A.燃气探测器 B.微控制器控制电路 C.电磁阀 D.燃气管道 5.检测到水位低于低水位时，电源，水泵开始抽水；当水位达到高水位时，控制柜切断水泵电源，停止加水。 （1）填写完整该电子控制系统的方框图。 ○╳
（2）如果出现水位达到高水位时，水泵还在继续工作抽水的情况，下列情况不可能出现的是（D） A.水位传感器接入控制柜的探头线脱落 B.水位传感器损坏 C.控制柜中用于切断水泵的交流接触器损坏，无法切断电源 D.水泵损坏 6.如图所示为乐高EV3搭接而成的魔方机器人。它的工作原理是先用 魔方6面每个块的颜色，然后 魔方的效果。 （1）填写完整该电子控制系统的方框图。 （2）有网友觉得乐高EV3这个颜色传感器检测魔方每个块的速度很慢，而且根据算法计算出结果也很慢，他便利用手机设计了如下系统示意图。它的工作原理是：手机摄像头采集6面的颜色，然后直接计算出解魔方的步骤，通过蓝牙发送给乐高EV3，再实现解魔方的动作。那么手机在这个电子控制系统中属于输入部分、控制（处理）部分。（从“输入”、“控制（处理）”、“输出”和“被控对象”中选2个填写） （此文档部分内容来源于网络，如有侵权请告知删除，文档可自行编辑修改内容，供参考， 感谢您的配合和支持）
1.自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？ a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b控制器：接收变送器送来的信号，和希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2.被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3.自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~（控制系统的输出端和输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统），复合~ 4.按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件 快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7.自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间变化的过程称为~ 形式：非周期衰减过程，衰减振荡过程， 等幅振荡过程，发散振荡过程 8.衰减振荡过渡过程的性能指标
衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值和设定值之差。 调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量和输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量和输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K：数值上等于对象重新稳定后的输出变化量和输入变化量之比。意义:若有一定的输入变化量Q1通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需的时间越长。动态特性 滞后时间：对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速的变化，要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反应原无滞后时的输出量的变化~ 动态特性 11.测量范围：指仪表按规定的精度进行测量的被测量值得范围。 绝对误差=X-X0=测量-标准 引用误差=（绝对误差/量程）*100% 最大引用误差=（最大绝对误差/量程）*100%=+-A% 允许误差（允许最大引用误差） 灵敏度S：表示仪表对被测变量变化的灵敏程度=输出的变化量/输入
.-电子控制系统的组成和工作过程
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电子控制系统的组成和工作过程 一、教学分析 1．教材分析 本课是第一章第二节“电子控制系统的组成和工作过程”。从对比分析两种路灯控制系统的基本组成入手，再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，来学习电子控制系统的基本组成和工作过程，从而为学生学习后面各章提供了一把钥匙。 2．学情分析 学生在通用技术必修2的学习中，已学过关于控制系统的一些概念，例如输入、控制、输出，以及功能模拟方法的含义，但对电子控制系统内部电子元件，例如发光二极管、光敏电阻、三极管等的工作原理不太了解，教师可用通俗的语言补充解释其作用，以利于学生的学习。 二、教学目标 1．知识与技能目标 （1）知道电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．过程与方法目标 （1）通过对两种路灯控制系统方框图的对照，知道电子控制系统的基本组成。 （2）通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，加深对电子控制系统组成的理解。 3．情感态度和价值观目标 （1）激发学生动手尝试的兴趣和热爱技术的情感。 （2）提高学生比较及分析电子控制系统的能力。 三、教学重难点 1．重点 （1）电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．难点 电子控制系统内部常见电子元件的工作原理。 四、教学策略 本节课程以多媒体技术为辅助教学手段，通过观察、基本知识讲授、小组探究、分析表达、技术试验、能力展示等教学方法和策略，在教师指导下，通过学生自主探究建构知识和技能。 五、教学准备 通用技术专用教室、多媒体、课件、路灯自动控制模型。 六、课时安排 共1课时 七、教学过程 （一）新课导入 教师展示：路灯自动控制模型 板书：第一章电子控制系统概述 第二节电子控制系统的组成和工作过程
运动控制系统的主要组成部分有哪些? 按照伺服机构的能源供给方式来划分，运动控制系统可以分为电动控制系统、气动控制系统和液压控制系统三种。其中，液压伺服机构和气动伺服机构适用于要求防爆且输出力矩较大，控制精度要求较低的场合。近年来，随着大功率力矩电机的出现，电动伺服机构的应用范围得到了进一步的拓展。 按照被控制量的性质来划分，运动控制系统可以分为位置控制系统、速度控制系统、加速度控制系统、同步控制系统、力矩控制系统等类型。 位置控制是将负载从某一确定的空间位置按照一定的轨迹移动到另一空间的位置，例如数控机床、搬运机械手和工业机器人。 速度控制和加速度控制是使负载按照某一确定的速度曲线进行运动，例如电梯通过速度和加速度调节实现平稳升降和平层。很多速度控制系统的控制目标也包括位置，例如电梯控制系统，因此，速度控制在很多情况下是与位置控制等相互配合来工作的。 力矩控制系统是通过转矩的反馈来使输出转矩保持恒定或按某一规律变化，应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 典型的运动控制系统如下图所示。 根据伺服机构和机械装置运行情况是否反馈至控制器，运动控制系统又可以分为开环运动控制、半闭环运动控制和全闭环运动控制。 开环运动控制的一个典型案例是步进电动机控制的工作台移动，如下图所示。在开环运动控制系统中，执行机构（步进电动机）的运动目标指令和执行过程是确定的，但实际执行结果与指令之间是否存在偏差无法确定。 开环运动控制系统结构图 半闭环运动控制的一个典型案例是伺服电动机控制的工作台移动，如下图所示。在半闭环运动控制系统中，执行机构（伺服电动机）的在执行运动目标指令
一、简述列车控制系统的组成和各部分的主要功能 1、ATC系统的组成 列车运行控制系统（automatic train control ，简称ATC）是根据列车在铁路线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整的技术装备。简称列控系统。也叫列车自动控制系统。 ATC系统的组成：列车自动防护系统（Automatic Train Protection，简称ATP）、列车自动运行系统(Automatic Train Operation，简称ATO)、列车自动监控系统(Automatic Train Supervision，简称ATS)。 2、各部分的主要功能 2.1、ATP系统 2.1.1系统的基本概念 ATP即列车运行超速防护或列车速度监督系统。主要功能：对列车运行进行超速防护，对与安全有关的设备实行监控，实现列车位置检测，保证列车之间的安全间隔，保证列车在安全速度下运行，完成信号显示、故障报警、降级提示、列车参数和线路参数的输入、与ATS、ATO及车辆系统接口并进入信息交换。 ATP是ATC的基本环节，属于故障——安全系统，必须符合故障——安全的原则。 2.1.2、ATP功能
（1）ATP轨旁功能 负责列车安全间隔和生成报文，完成对列车安全运行授权许可的发布和报文的准备，这些报文包括安全、非安全和信号信息等。 （2）ATP传输功能 负责发出报文信号，包括报文和ATP车载设备所需的其他数据。 （3）ATP车载功能 负责列车安全运行、自行驾驶，并提供信号系统和司机间的接口。 2.2、ATO系统 2.2.1、ATO系统基本概念 ATO即列车自动驾驶它代替司机操作列车驱动、制动设备，自动实现列车的启动、加速、匀速惰行、制动等驾驶功能。可使列车经常处于最佳运行状态，高质量地自动驾驶，提高列车运行效率，避免不必要的、过于剧烈的加速和减速。 2.2.2、ATO的功能 基本控制功能：自动驾驶、自动折返、自动开车门；服务功能：确定列车位置、计算允许速度、提供运行模式、PTI支持功能 （1）自动驾驶 ①自动调整列车运行速度 ②停车点的目标制动 ③从车站自动发车
桑塔纳2000汽车电子控制系统的组成及原理 摘要：早在60年代后期和70年代，用于汽车的电子控制单元（ECU）多采用模拟电路实现，只能分别采用ECU控制汽车的某一个分系统。这种控制方式不可避免的造成的传感器的重复设置，线路结构复杂，硬件成本高，电子设备占用空间大等特点。随着电子技术的飞速发展，用于汽车的ECU逐步采用数字化和集成化技术；用集成电路做成的微处理器的运算速度不断提高，存储量不断增大。这些都使得用一个ECU实现多种功能控制系统成为可用，这样由一组集成芯片做成的ECU集成控制系统就是汽车微机控制系统。 关键词：电子控制系统 汽车电子控制单元(ECU)中枢电路元件即微型计算机。微机主要由中央处理器（CPU），用于存储程序和数据的内存储器，输入\输出（I/O）接口和系统总线组成。 我们可以将汽车微机控制系统功能分为七大类，主要包括发动机控制、变速器控制、行驶与制动转向控制、安全保证及仪表警报、电源系统、舒适性和娱乐通讯。其中发动机控制系统无论总控制目标还是所需采集的参数数据都是最为复杂的。每一个控制系统可以由各自的ECU单独控制，也可几个系统组合起来共用一个ECU实行控制。不同的车型其组合形式和控制功能的分配也不尽相同。有的车型将发动机和自动变速器共用一个ECU；虽然大多数车型的点火控制和怠速控制由发动机ECU来完成，但也有的车型将定速、怠速、加速控制由行驶、制动转向控制系统ECU完成，或者单独由一个独立的ECU
来实行控制。从目前的发展趋势看，汽车微机控制系统将会以更快的速度向小型化、集成化、集中化方向发展。所谓集中，是指车用的ECU的控制功能会越来越增大，使一辆车的ECU数量越来越少。根据有关文献介绍，德国的BOSCH公司已经在着手研制综合汽车微机管理系统，下世纪初将有由一个微机芯片对汽车的所有参数、所有辅助装置进行全方位综合协调控制和管理的新型汽车投放市场。 桑塔纳2000型轿车的AJR型发动机采用了德国波许（BOSCH）公司最先进的Motronic3.8.2电子控制多点汽油顺序喷射系统。它是在AFE型发动机Motronic1.5.4系统基础上发展起来的。该系统采用热膜式空气流量计检测发动机进气流量，可直接反映发动机负荷，比Motronic1.5.4系统所采用的绝对压力传感器检测进气歧管压力并推算流量的方法更精确。AJR型发动机的曲轴上装有1个60齿的信号触发轮，用于产生曲轴转角信号，它比AFE型发动机的分电器中由4齿触发轮产生的转角信号更为准确。M3.8.2系统能依据进气流量信号和曲轴转角信号准确的控制发动机混合气空燃比和点火时间，从而极大地降低了汽车排气污染。 发动机具有自我诊断系统，但是必须用专用仪器方可读出控制单元（ECU）中储存的故障代码。发动机也同样具有备用功能，例如当水温传感器线路有短路故障时，ECU就认为水温始终是19.5摄氏度。备用功能用于在控制系统、传感器、执行元件发生某些故障时，维持发动机的运转，以便汽车开到修理厂。 采用新的排气系统。将消声器的管径由直径50mm改为直径45mm，
1.自动控制系统主要有哪些环节组成各环节的作用是什么 a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2.被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3.自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~（控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统），复合~ 4.按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件 快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7.自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间变化的过程称为~ 形式：非周期衰减过程，衰减振荡过程， 等幅振荡过程，发散振荡过程 8.衰减振荡过渡过程的性能指标
衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。 调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K：数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。意义:若有一定的输入变化量Q1通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需的时间越长。动态特性 滞后时间：对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速的变化，要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反应原无滞后时的输出量的变化~ 动态特性 11.测量范围：指仪表按规定的精度进行测量的被测量值得范围。 绝对误差=X-X0=测量-标准 引用误差=（绝对误差/量程）*100% 最大引用误差=（最大绝对误差/量程）*100%=+-A% 允许误差（允许最大引用误差） 灵敏度S：表示仪表对被测变量变化的灵敏程度=输出的变化量/输入
1 第一章 1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。 解：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成； 受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程 扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。 给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值 参考输入即为给定值。 反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。 2 请说明自动控制系统的基本组成部分。 解： 作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成： ① 被控对象： 所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象； ② 执行部件： 根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生 相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。 ③ 给定元件： 给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）； ④ 比较元件： 把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元 件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。 ⑤ 测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量， 如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等； ⑥ 放大元件： 将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执 行元件去控制被控对象。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。 ⑦ 校正元件： 亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元 件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。 4 请说明自动控制系统的基本性能要求。 解：（1）稳定性：对恒值系统而言，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。而对随动系统而言，被控制量始终跟踪参考量的变化。稳定性通常由系统的结构决定的，与外界因素无关，系统的稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。 （2）准确性：控制系统的准确性一般用稳态误差来表示。即系统在参考输入信号作用下，系统的输出达到稳态后的输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。 （3）快速性：对过渡过程的形式和快慢的要求，一般称为控制系统的动态性能。系统的快速性主要反映系统对输入信号的变化而作出相应的快慢程度，如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 第二章 2-1 设质量-弹簧-摩擦系统如图2-1所示，途中f 为黏性摩擦系数，k 为弹簧系数，系统的输入量为力() p t ，系统的 输出量为质量 m 的位移()x t 。试列出系统的输入输出微分 方程。 解：显然，系统的摩擦力为 dt t dx f )(，弹簧力为 )(t kx ，根据 牛顿第二运动定律有 2 2)()()()(dt t x d m t kx dt t dx f t p =-- 移项整理，得系统的微分方程为 )()() ()(2 2t p t kx dt t dx f dt t x d m =++ 2-3 求下列函数的拉氏变换。 （1）)sin 1(3)(t t f -= （2）at te t f =)( （3） ) 4 3cos()(π- =t t f 解：（1）[()][3(1sin )]L f t L t =- 2223([1][sin ])113() 13(1)(1) L L t s s s s s s =-=-+-+= + （2）at te t f =)( 2 1[]L t s = 2 1 [()][]()at L f t L te s a == - （3 ） ()cos(3))cos(3)] 4f t t t t π =-+ [()][sin(3)cos(3)] L f t t t + 2222 [sin(3)][cos(3)]) 3() 99 39 L t L t s s s s s ++++++ 2-5 试分别列写图2-3中各无源网络的微分方程（设电容C 上的电压为)(t u c ，电容1C 上的电压为)(1t u c ，以此类 推）。 (a) (b) (c) + －u R1(t)图2-3 习题 2-5 无源网络示意图 解：（a ）设电容C 上电压为)(t u c ，由基尔霍夫定律可写 出回路方程为 2 1) ()()()()()(R t u R t u dt t du C t u t u t u o c c o i c =+-= 整理得输入输出关系的微分方程为 1 21)()()()1 1()(R t u dt t du C t u R R dt t du C i i o o +=++（b ）设电容1C 、2C 上电压为)(),(21t u t u c c ，由基 尔 霍 夫 定 律 可 写 出 回 路 方 程 dt t du RC t u t u dt t du C R t u t u R t u t u t u t u t u c c o c c o c i o i c ) ()()() ()()()()() ()()(1 122 2221=-=-+--= 整理得输入输出关系的微分方程为 R t u dt t du C dt t u d C RC R t u dt t du C C dt t u d C RC i i i o o o ) ()(2)()()()2()(12 22121222 1+ +=+++ 2-6 求图2-4中各无源网络的传递函数。 (a)(b) (c) 图2-4 习题 2-6示意图 解：（a ）由图得 2 1) ()()(R s U R s U s CsU o C C =+ （1） ) ()()(s U s U s U o i C -= （2） （2）代入（1），整理得传递函数为 2 1212 212 11 111 )(R Cs R R R R Cs R Cs s U i o += + ++ = （b ）由图得 )()()(1s U s U s U o i C -= （1） ) () ()()()(2222s sU C R s U s U R s U s U C C o C i =-+- （2） )()()(211s U s U s sU RC C o C -= 整理得传递函数为 1 )2(122 2 1 )()(212112212221 21+++++= ++++ =C C Rs s C C R s RC s C C R s RC s RC s RC s RC s U s U i o 2-7 求图2-5中无源网络的传递函数。 解：由图得 12212()()1 ()() U s U s Cs U s R R Ls -=++整理得 21 22111212 121 ()11()()U s R R Ls U s R CLs R R C L s R R Cs R R Ls +==+++++++ 2-11 根据图2-7给出的系统结构图，画出该系统的信号流图， 并用梅森公式求系统传递函数)(/)(s R s C 。 解：根据结构图与信号流图的对应关系，用节点代替结构图中信号线上传递的信号，用标有传递函数的之路代替结构图中的方框，可以绘出系统对应的信号流图。如图2-11a 所示 由信号流图2-11a 可见，从源节点s R 到阱节点)(s C 之间， 有一条前向通路，其增益为 4 3 2 1 1 G G G G p = 有三个相互接触的单独回路，其回路增益分别为 1 321H G G L -=，2432H G G L -=，3 43213H G G G G L -= 没有互不接触回路。因此，流图特征式 3 43212431323211)(1H G G G G H G G H G G L L L +++=++-=?由于前向通路与所有单独回路都接触，所以余因子式 11=?根据梅森增益公式，得系统闭环传递函数为 3 43212431324 321111)()(H G G G G H G G H G G G G G G p s R s C +++=??= 3-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为 1.2()101 2.5sin(1.65 3.1)t h t e t -=-+ ，试求系 统的超调量%σ，峰值时间和调节时间s t 。 解： 1.2()101 2.5sin(1.65 3.1)t h t e t -=-+ ＝ 1.210[1 1.25sin(1.653.1)] t e t --+ 由上式可知，此二阶系统的放大系数是10，但放大系数并不影 响系统的动态性能指标。 由于标准的二阶系统单位阶跃响应表达式 为 ()1sin() n t h t ζωβ-= 所以有 1.2 1.6 n ζω=? 0.62 n ζω=?? =? 所以，此系统为欠阻尼二阶系统，其动态性能指标如下 超调 量 0.6 1.25 %100%100%9.5%e e πσ--?==?≈ 峰值时间 1.9620.8 p t s π ≈? 调节时间 3.5 3.5 2.92 20.6 s n t = = =? 3-5 已知控制系统的单位阶跃响应为 6010()10.2 1.2t t h t e e --=+-，试确定系统的 阻尼比ζ 和自然频率n ω。 解： 系统的 单位 脉冲 响应 为60101060()()121212() t t t t k t h t e e e e ? ----==-+=-系统的 闭 环 传 递函数 为 211600 ()[()]12( ) 106010600 s L k t s s s Φ==-= ++++自然 频率 24.5 n ω 阻尼比 1.429 ζ 3-6 已知系统特征方程为2310520s s s s ++++=， 试用劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据确定系统的稳定性。 解： 先用劳斯稳定判据来判定系统的稳定性，列出劳斯表 如下 4321 0 3 5 2 10 147 2 10153 47 2 s s s s s - 显然，由于表中第一列元素得符号有两次改变，所以 该系统在s 右半平面有两个闭环极点。因此，该系统不稳定。再用赫尔维茨稳定判据来判定系统的稳定性。显然，特征方程的各项系数均为正，则 2120310531470 a a a a ?=-=?-?=> 221423102 2001 a a a ?==>? 显然，此系统不稳定。 3-8 已知单位负反馈系统的开环传递函数为 (0.51) ()(1)(0.51) K s G s s s s s += +++，试确定系统稳定时的 K 值范围。 解：由题可知系统的特征方程为 432()34(2)20 D s s s s K s K =+++++=列劳斯表如下 4 3210 1 4 3 2+K 10-K 2K 3 (10-K)(2+K) 63 10-K 3 2K s s s K s s - 由劳斯稳定判据可得 1003[(10)(2)/3]60(10)/320K K K K K K -?>?? -+-?>? -? ?>?? 解上述方程组可得 0 1.705K << 3-9系统结构如图3-1所示， ) 1()(+= Ts s K s G ，定义误差 )()()(t c t r t e -=， (1) 若希望图a 中，系统所有的特征根位于 s 平面 上2-=s 的左侧，且阻尼比为0.5，求满足条件 的T K ,的取值范围。 (2) 求图a 系统的单位斜坡输入下的稳态误差。 (3) 为了使稳态误差为零，让斜坡输入先通过一个比例微分环节，如图b 所示，试求出合适的0 K 值。 解 ：（1） 闭环传 递函 数为 T K s T s T K K s Ts K s + += ++= 1/)(22φ 即 K T T T K n n n ,1 5.0,12,==?=== ωζζωω 2',)(2+=++=s s K s Ts s D 令，代入上式得， / 14')14('2')2'()('22++--=+-+-=T s T Ts K s s T s D 列出劳斯表， 210 T 4T+12 1-4T 4T+12 s T s s T -- 002/14,041,0< ?>-+>->T T T T 无解 或?<-+<-<02/14,041,0T T T T ∞<<<<∴K T 4,4/10 (2) t t R =)(，系统为I 型系统 ∴K e ss /1= (3) K s Ts K s KK K Ts s K s K s G +++= +++=200)1() 1()('1(1)]('1)[()()()(222s Ts KK Ts s s G s R s C s R s E + +-+= -=-=∴K KK K s Ts KK Ts s sE e s s ss 11lim )(lim 0 200 -= ++-+==→→令0K 并没有改变系统的稳定性。 3-10 已知单位反馈系统的开环传递函数： （1）100()(0.11)(5) G s s s = ++； （2） 50 ()(0.11)(5) G s s s s = ++ 试求输入分别为()2r t t =和2()22r t t t =++时， 系统的稳态误差。 解： （1） 10020 ()(0.11)(5)(0.11)(0.21) G s s s s s = = ++++ 由上式可知，该系统是 0型系统，且20K =。 0型系统在2 11(),,2 t t t 信号作用下的稳态误差分别为： 1 ,,1K ∞∞+。根据线性叠加原理有该系统在输入为 ()2r t t =时的稳态误差为22ss e =?∞=∞，该系统在 输入为 2 ()22r t t t =++时的稳态误差为 21221ss e K =? +?∞+∞=∞+ （ 2 ） 5010 ()(0.11)(5)(0.11)(0.21)G s s s s s s s == ++++ 由上式可知，该系统是I 型系统，且10K =。 I 型系统在 2 11(),,2 t t t 信号作用下的稳态误差分别为：1 0, ,K ∞。根据线性叠加原理有该系统在输入为 ()2r t t =时的稳态误差为 2 1 20.2ss e K =? = ，该系统在输入为 2 () 2 2r t t t =++时的稳态误差为 21 202 ss e K =+=∞+∞ 图2-1 习题2-1 质量 －弹簧－摩擦系统示意图 图图2-5 习题2-7 无源 图 3-2 习题 3-16 示意图