控制工程-控制系统案例分析二

MAN B&W K90MC-C主机控制系统案例分析中海国际广州分公司轮机长—陈建云故障经过之一某轮主机为MITSUI-MAN B&W 8K90MC-C ，2006年8月12日13:30，该轮抵达天津港前备车，13:35驾驶台进行驾控主机试车，发现主机启动三次失败。

13：37转集控室控制，二管轮在集控室进行主机试车，主机同样启动失败，轮机长请示驾驶台，把主机控制转到机旁应急操作，机旁启动也失败了。

通常在机旁操纵台按下起动阀(101)，通过两位三通阀(33)将起动时发出的控制信号引导至两位三通阀(26)和两位五通阀(27)的控制空气进口，起动时允许空气进入起动空气分配器和打开主起动阀和慢转阀。

轮机长检查发现应急操作起动时，阀（26）和阀（27）没有动作，分析故障原因，很快发现机旁控制箱内两位三通阀（31）与双向止回阀（33）之间的连接空气管铜管断裂，造成主启动阀打不开，启动失败。

查到原因后，马上用紫铜管连接阀（31）与阀（33），然后主机进行试车，先机旁操车，正常后转集控室进行启动、换向、停车操作，控制系统工作正常。

主机操纵系统恢复正常工作后，船长通知进港用车，16:00转驾控，主机操控正常，船舶顺利靠好码头。

故障经过之二2005年9月4日，该轮第25N航次是南沙至天津，计划9月4号10：00南沙港开航，上午9：00主机备车时，电机员发现集控台上的主机电子调速器DGU8800E控制面板Regulator上有“IN-DA TA ERROR”故障报警，查阅面板PARAMETER 8=IN-DATA ERROR，显示内容为ALR9，DATA V ALUE为red-DG。

说明书说明了ALR9故障处理方法是：a) Check power plugs to the proc. card; b) Replace the processor card; c) check the flat cables to P1 plugs; d) Replace the PP1 on actuator processor card.电机员随即对执行电机的信号线、操纵台的接线排相关的接线进行检查，接线没有发现异常，然后关掉电子调速器控制板的电源，对电脑板的扁平线及适配卡进行检查，在恢复电源后DGU电子调速器面板上的故障显示消失。

实例2：
评判标准
实例3：
评判标准
实例4：
评判标准
实例5：
评判标准
测试8：20分
8）验证控制参数的整定能力，20分
将自动投入，改变控制定值置-80Pa，查看系统是否在45秒内能够控制0Pa～160Pa之间，得10分。
将 自 动 投 入 ， 改 变 控 制 定 值 置 - 8 0 Pa， 查 看 系 统 是 否 在 3 0 min 内 能 够 控 制 30Pa～-1300Pa之间，得20分。
实例1：
题目：
某600MW发电机组的锅炉是亚临界中间一次再热控制循环汽包炉，锅 炉采用平衡通风的方式。配备两台轴流式引风机，通过调节可调动叶 来控制锅炉的炉膛负压，控制策略采用负压偏差PI调节加送风指令做 前馈信号的单回路配前馈的控制模式。在某次机组期间，决定配套实 施脱硫工程（FGD），系统配置一台轴流式增压风机用来克服烟气流经 FGD系统的压力损失。通过调节增压风机动叶的开度，将增压风机入口 处的烟气静压控制在一定值（-180Pa），增压风机动叶自动控制策略 采用控制偏差PI调节加总风量做前馈信号的单回路配前馈的控制模式; 当引风机跳闸触发RB时，为确保系统的稳定，增压风机动叶自动控制 应设计相应的超弛逻辑，并撤出自动，投手动控制。请根据题意的要 求，设计增压风机动叶自动控制逻辑，并根据系统特性，整定相关控 制参数，使其控制性能能够满足控制要求。
PT0002 炉膛负压3：PT0003 相关开关量信号清单： 引风机RB触发ZS1001 叶开度信号坏质量：ZS1000 烟气静压1信号坏质量：ZS1002 烟气静压2信号坏质量：ZS1003 烟气静压3信号坏质量：ZS1004 引风机A电流信号坏质量：ZS1005 引风机B电流信号坏质量：ZS1006

2.2线性系统的时域性能指标
为了评价线性系统的时间响应的性能，需要研究其在典型输入信号 作用下的时间响应过程。在典型输入信号的作用下，控制系统的时间响 应分为动态过程和稳态过程两部分。
动态过程又称为过渡过程或瞬态过程，是指系统在典型输入信号作 用下，其输出量从初始状态到最终状态的响应过程。根据系统结构和参 数的选择情况，动态过程表现为衰减、发散或等幅振荡的形式。显然， 一个实际运行的系统其动态过程必须是衰减的，也就是说，系统必须是 稳定的。动态过程除提供系统稳定的信息外，还可以提供其相应速度和 阻尼情况等信息，这些特性用动态性能指标描述。
控制系统的单位阶跃响应常用h(t)表示，单位阶跃响应曲线及 时域性能指标如图2-2所示。
图2-2 单位阶跃响应曲线及时域性能指标
（1）延迟时间 td。响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间 称为延迟时间。 （2）上升时间 tr。上升时间是响应曲线从稳态值的10%上升到90%所 需的时间；或从0上升到100%所需的时间。对于欠阻尼二阶系统，通 常采用0~100%的上升时间；对于过阻尼系统，通常采用10%~90%的 上升时间。上升时间越短，响应速度越快。 （3）峰值时间tp。响应曲线达到超调量的第一个峰值所需要的时间称 为峰值时间。 （4）调节时间ts。调节时间是在响应曲线的稳态线上，用稳态值的百 分数（通常Δ取5%或2%）做一个允许误差范围，响应曲线达到并永远 保持在这一允许误差范围内所需的时间。 （5）最大超调量Mp。最大超调量指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞ )之差的百分比，用σ%表示：
所谓时域分析法，就是在时域内通过拉氏变换求解系统的微分方 程，得到系统的时间响应，根据相应表达式和相应曲线分析系统的稳 定性、稳态误差等指标。
本章主要介绍时域响应及典型的输入信号；一阶、二阶系统的时 间响应；高阶系统的时间响应及主导极点、偶极子及高阶系统的降阶 方法；稳态误差的概念和计算方法，以及提高系统稳态精度的方法。

方框信号
• 方框 • 信号线
控制装置和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
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例子2：恒温系统
• 人工控制恒温箱
测量、比较、判断、操 作
[动态过程]
1 2
观测恒温箱内的温度（被控制 量） 与 要 求 的 温 度 （ 给 定 值 ） 进行比较，得到温度偏差的大 小和方向
第三节 控制系统主要任务与研究内容
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系 统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标， 并据此评价系统的过程称为控制系统分析。 控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给 定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构 参数，称为控制系统设计。
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课程的主要内容及其相互关系
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开环例3:直流电机速度开环控制系统
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• 闭环控制
如果系统的输出量与输入量之间具有
反馈联系，即输出量对系统的控制过程有 直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。 闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的， 又称为反馈控制系统。这种系统的信号传 递路线构成闭合回路（闭环）。 优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干 扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因 而有效地提高了系统的精度。
恒值控制系统（自动调节系统） 程序控制系统 随动系统(伺服系统）
恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少 扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保 持在给定或希望的数值上。例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱 温度控制系统等。 随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求 输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度 是随动系统的两项主要性能指标。

DCS和PLC实现、设计案例分析04083134 张晓辉一、DCS控制系统A）DCS控制系统：DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。

首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。

由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。

对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。

这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。

因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。

系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。

这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。

在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

《典型控制系统案例分析（一）》作业设计方案第一课时一、作业背景控制系统是自动控制技术的核心，在工业生产和生活中有着广泛的应用。

为了更好地掌握控制系统的设计和应用，本课程设置了典型控制系统案例分析的作业任务，帮助学生深入理解控制系统在实际工程中的应用。

二、作业目标1. 熟悉控制系统的基本原理和方法；2. 能够分析和设计典型的控制系统；3. 掌握控制系统的建模和仿真技术；4. 提高学生的工程实践能力和团队合作能力。

三、作业内容1. 选择一个实际工程中常见的控制系统案例，如温度控制系统、电机转速控制系统等；2. 对所选案例进行建模，包括建立系统的数学模型和控制器的设计；3. 使用Simulink等仿真工具进行系统仿真，并分析系统响应特性；4. 尝试在仿真环境中对系统进行调试和优化，达到设计要求。

四、作业要求1. 作业以小组形式进行，每组3-4人，每组选择一个控制系统案例进行分析和设计；2. 提交包括系统建模和仿真结果的报告，报告内容包括系统原理、模型建立、控制器设计、仿真结果和分析等；3. 作业报告撰写要求清晰、详细，包括图表和数据分析；4. 提交报告的同时需要进行口头答辩，展示实际操作和理论基础。

五、评分标准1. 报告内容的完整性和准确性；2. 系统建模和仿真的深度和广度；3. 控制系统设计的合理性和有效性；4. 学生在口头答辩中的表现和对问题的回答能力。

六、作业时间安排1. 第一周：确定小组成员和控制系统案例，开始系统建模；2. 第二周：继续系统建模和控制器设计；3. 第三周：完成系统建模和控制器设计，开始仿真实验；4. 第四周：整理报告并准备口头答辩。

七、参考资料1. 《现代控制理论》；2. Simulink使用手册；3. 相关文献和案例分析。

通过本次典型控制系统案例分析的作业设计，相信学生们将能够更深入地理解控制系统的原理和应用，提高工程实践能力和团队合作精神。

希望学生们能够认真对待这个作业任务，取得优异的成绩。

实验二二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。

2、研究二阶系统分别工作在ξ=1，0<ξ<1，和ξ> 1三种状态下的单位阶跃响应。

3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP、峰值时间tp和调整时间ts。

4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。

三、实验原理图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。

图2-1 二阶系统原理框图图2-1 二阶系统的模拟电路由图2-2求得二阶系统的闭环传递函1222122112/() (1)()/O i K TT U S K U S TT S T S K S T S K TT ==++++ :而二阶系统标准传递函数为(1)(2), 对比式和式得12214n K TT T T K ωξ==12 T 0.2 , T 0.5 , 100.625n S S K K ωξ==若令则。

调节开环增益K 值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ的值，可以得到过阻尼(ξ>1)、临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。

（1）当K >0.625， 0 < ξ < 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图2-3 0 < ξ < 1时的阶跃响应曲线（2）当K =0.625时，ξ=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：如图2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。

(2) +2+=222nn n S S )S (G ωξωω2221 ()1sin(1 1 . 2-3n to d d u t t tgξωξωξωωξ---=-+-=-式中图为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线etn o n t t u ωω-+-=)1(1)(图2-4 ξ=1时的阶跃响应曲线（3）当K < 0.625时，ξ> 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。

案例二：乙二醇装置在线氧分析仪故障分析
二 氧含量控制
❖ 对于氧化制环氧乙烷而言，增加进入反应器原料中乙烯和 氧的浓度，可以提高反应器的生产能力，但原料气中乙烯 和氧浓度的大小受乙烯爆炸浓度范围的限制，不能随意提 高。
❖ 加入致稳气，可以改变乙烯爆炸浓度范围，使原料混合气 中的乙烯和氧的浓度提高。燕化乙二醇装置有氮气致稳和 甲烷致稳两种致稳方式。
案例二：乙二醇装置在线氧分析仪故障分析 二 氧含量控制
案例二：乙二醇装置在线氧分析仪故障分析
❖ 氧分析仪作用
－－控制参加反应的氧含量，以防含量过高引起爆炸
❖ 氧分析仪联锁方式
－－D110入口氧含量三取二联锁，停混合站
－－D110出口氧含量三取二联锁，停混合站
表1 氧分析仪联锁设定值
位号 ARAZ10 ARAZ101 ARAZ101 ARAZ104 ARAZ104 ARAZ104
①齿轮表面宽度应等于或 大于探头磁芯直径； ②齿高应等于或大于齿间 距离； ③齿间距离应为探头磁芯 直径的3倍； ④ 齿轮宽度应等于或大于 探头磁芯直径。 ⑤探头与齿轮间隙应尽可 能小，典型安装间隙为 0.005 in（0.127mm）；
案例一：裂解GB201电子调速器失速跳闸原因分析
70085-1010-005型测速探头性能测试
案例一：裂解GB201电子调速器失速跳闸原因分析
❖ 转速探头测速原理
案例一：裂解GB201电子调速器失速跳闸原因分析
❖ 对调速器的检查
使用频率发生器向调速器输入标准正弦波信号，当输出峰 值电压为4Vp-p时，调速器能够稳定检测到转速信号。当输 出峰值电压降至3.5Vp-p时，转速信号波动，调速器无法正常 接收转速信号
案例一：裂解GB201电子调速器失速跳闸原因分析

控制系统的稳定性分析与设计控制系统的稳定性是控制工程中最为重要的一个参数之一。

一个稳定的控制系统能够使得系统在经过一定的时间后回到原点，而不会发生不可控的偏差，从而保证控制效果的稳定性和可靠性。

本文将从系统稳定性的原理和方法、设计方法及案例等方面探讨控制系统的稳定性分析与设计。

一、系统稳定性的原理和方法1. 系统稳定性的定义系统稳定性指的是系统在外界干扰或参数变化的作用下，回应输出信号与输入信号之间的关系是否稳定。

即在一定时间内，控制系统确保输出值能够跟随输入值的变化，而不会发生不可控的震荡或失控的情况。

2. 系统稳定性的判据良好的系统稳定性需要满足以下条件：（1）经过一定时间后，系统从任何初始状态转移到平衡状态；（2）平衡状态具有稳定性，即系统在发生一定幅度的干扰时，需要在一定时间内回复到原平衡状态；（3）平衡状态的稳定性受到系统参数变化、外界环境变化等多种因素的影响，但是通过合理的调节和控制，使得系统在变化后仍能保持稳定。

3. 系统稳定性的分析方法（1）指标法：它是利用特定的指标量来描述系统的稳定状态，比如阻尼系数、频率响应等。

（2）相关函数法：它是利用系统的特性函数或者频率响应函数来描述系统的稳定性。

（3）传递函数法：传递函数描述输入信号与输出信号之间的关系，可以通过传递函数的特性分析系统的稳定性。

（4）极点分布法：分析系统的极点分布情况，确定系统的极点位置以及极点位置对系统稳定性的影响。

二、控制系统的稳定性设计方法1. PID控制器的设计方法PID控制器是目前使用最为广泛的控制器，它可以通过调节比例系数、积分系数和微分系数来达到控制系统的稳定性。

在进行PID控制器的设计时，需要进行以下步骤：（1）确定控制系统的传递函数；（2）确定控制系统的目标响应曲线；（3）通过目标响应曲线和传递函数设计出PID控制器；（4）进行仿真或实验验证控制系统的稳定性。

2. 模糊控制器的设计方法模糊控制器是一种基于模糊推理的控制器，它可以通过调节模糊逻辑的输入变量和输出变量来达到不同的控制效果。

案例一：西湖公司的控制系统西湖公司是由李先生靠3000元创建起来的一家化妆品公司。

开始只是经营指甲油，后来逐步发展成为颇具规模的化妆品公司，资产已达6000万元。

李先生于1994年发现自己患上癌症后，对公司的发展采取了两个重要措施:（1)制定公司要向科学医疗卫生方面发展的目标;(2）高薪聘请雷先生接替自己的职位，担任董事长.雷先生上任后采取了一系列措施，推行李先生为公司制定的进入医疗卫生行业的计划:在特殊医疗卫生业方面开辟一个新行业，同时开设一个凭处方配药的药店，并开辟上述两个新部门所需产品的货源、运输渠道.与此同时，他在全公司内建立了一条严格的控制措施：要求各部门制定出每月的预算报告,要求每个部门在每月初都要对本部门的问题提出切实的解决方案，每月定期举行一次由各部门经理和顾客代表参加的管理会议,要求各部门经理在会上提出自己本部门在当月的主要工作目标和经济往来数目.同时他特别注意资产回收率、销售边际及生产成本等经济动向，他也注意人事、财务收入和降低成本费用方面的工作。

由于实行了上述措施,改公司获得了巨大的成功，到20世纪年代末期,年销售量提高24％，到2000年达到20亿元。

然而，进入21世纪以来,该公司逐渐出现了问题：2002年出现了公司有史以来第一次收入下降、产品滞销、价格下跌。

主要原因有：（1）化妆品市场的销售量已达到饱和状态；（2)该公司制造的高级香水一直未打开市场,销售情况没有预测的那样乐观;（3)国外公司挤占了本国市场;（4)公司在国际市场上出现了不少问题，推销员的冒进得罪经销商,公司形象没有很好地树立等等.雷先生也意识到公司存在的问题,准备采取有力措施以改变公司目前的处境。

他计划要对国际市场方面进行总结和调整,公司开始研制新产品.他相信用了大量资金研制的医疗卫生工业品不久可以进入市场。

问题：1、雷先生在西湖公司里采取了哪些控制方法？2、假设西湖公司原来没有严格的控制系统，雷先生在短期内推行这么多控制措施，其他管理人员会有什么反应？3、就西湖公司的目前状况而言,怎样健全控制系统？答案提示：（1)雷先生在西湖公司里采取了哪些控制方法？雷先生采取了预算控制方法和成本控制方法。

综合分析题简单控制系统1 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气的装置，若乙炔发生器内温度过高容易发生爆炸安全事故，为此设计了如图所示的乙炔发生器温度控制系统，试回答下列问题：1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？2、选择执行器的气开、气关类型，并说明选取的理由；3、选择温度控制器的作用方向，详细说明选取的理由；4、画出该控制系统的方框图；5、若乙炔发生器内温度高于了给定值，试分析系统的调节过程。

答：1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量分别是乙炔发生器、乙炔发生器内温度和冷水流量。

2、执行器冷水阀选气关阀，当出现危险情况时，温度控制器没有信号送给执行器时，为防止乙炔发生器内温度过高而引发爆炸安全事故，希望冷水阀全开，故冷水阀选择气关阀，以保证操作人员和设备的安全。

3、温度控制器选反作用方向，因为被控对象乙炔发生器是反作用方向的（操纵变量冷水流量增加，被控变量乙炔发生器内温度下降），执行器选的是气关阀，也是反作用方向，为了构成温度负反馈控制系统，温度控制器应该选反作用方向，以使三者相乘为负。

4、方框图如下图所示：5、若乙炔发生器内温度高于了给定值，测量大于给定，控制器输入偏差增大，因控制器是为反作用方向的，其输出控制信号减少，气关阀开大，冷水流量增加，乙炔发生器内温度下降，经过一段时间的调整后，乙炔发生器内温度回复给定。

2精馏塔工艺流程如图所示，若工艺要求利用回流量来控制塔顶温度T ，现设计简单控制系统进行控制，已知控制阀选用气开类型；试回答以下问题：1、该控制系统的被控对象、被控变量、操纵变量和主要干扰各是什么？2、在图上画出控制原理图；3、选择控制器的作用方向并说明选取理由；4、画出控制系统方框图；5、简单说明该系统克服干扰的过程（可设因进料温度升高导致塔顶温度T 升高，分析控制动作过程）。

回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐冷却水T D答：1、该控制系统的被控对象、被控变量、操纵变量分别是精馏塔塔顶、塔顶温度、塔顶回流量； 主要干扰有原料的温度、进料量、成分及回流液的压力等。

电子工程
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为，进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为，通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系，通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为，通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号 直接作用于受控对象，输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统，输出信号 通过反馈回路回到输入端，控制器根据反馈信号调整输入 信号，以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源，如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真，以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为，以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术，提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术，实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛，如机器人、飞行器等。通过计算机仿真，可以模拟系统的动态行为， 分析系统的稳定性和性能，优化控制策略。

开环闭环的区别：1、有无反馈；2、是否对当前 控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动， 闭环控制一定会持续一定的时间，可以借此判断。
开环控制系统的方框图：
水泵抽水控制系统
家用窗帘自动控制系统 宾馆自动门控制系统
闭环控制系统方框图
投篮
供水水箱的水位自动控制系统 加热炉的馈回来与希望值 比较，并根据它们的误差调整控制作用的系统。
举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个 期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小 与期望值进行比较，并不断的用手进行调节形成一个反 馈闭环控制；骑自行车——同理不断的修正行进的方向 与速度形成闭环控制

第一章3解：1）工作原理：电压u2反映大门的实际位置，电压u1由开（关）门开关的指令状态决定，两电压之差△ u= u1 —u2驱动伺服电动机，进而通过传动装置控制大门的开启。

当大门在打开位置，u2= u上：如合上开门开关，u1 = u 上, △ u = 0,大门不动作；如合上关门开关，u1= u下，△ u<0,大门逐渐关闭，直至完全关闭，使△ u= 0。

当大门在关闭位置，u2 二u 下：如合上开门开关，u1 = u上, △ u>0,大门执行开门指令，直至完全打开，使△ u = 0; 如合上关门开关，u1 = u下，△ u= 0,大门不动作。

2）控制系统方框图解：1）控制系统方框图a）系统方a ）水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值 h '由浮球顶杆的长度给定，杠 杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。

当有扰动（水的使用流出量和给水 压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），通过杠杆机构是 进水阀的开度增大（减小），进入水箱的水流量增加（减小），水位升高（降低），浮球也随 之升高（降低），进水阀开度增大（减小）量减小，直至达到新的水位平衡。

此为连续控制 系统。

b ）水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值 h '由浮球拉杆的长度给定。

杠 杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。

当有扰动（水的使用流出量和给水 压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），到一定程度后， 在浮球拉杆的带动下，电磁阀开关被闭合（断开），进水阀门完全打开（关闭），开始进水（断水），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），直至达到给定的水位高度。

随后水 位进一步发生升高（降低），到一定程度后，电磁阀又发生一次打开（闭合）。

此系统是离 散控制系统。

2-1 解：（c ）确定输入输出变量（u1，u2）得到：CR 2dU 1（1 匹）u 2 =CR 2dU 1-R2u 1 dt R 1 dt R一阶微分方程（e ）确定输入输出变量（u1，u2）消去i 得到：（& R 埒汁2牛亡 一阶微分方程第二章2- 2解：1）确定输入、输出变量f （t ） 、X 2□2）工作原理：b ）系统方框图干f(t)-fK1⑴-fB 1⑴-fBMF^d^- - 1 -(s 2) (s 1) (s 1)2M(s)=0, 4) D(s)=0,得到极点：一1, M(s)=0, 得到零点：2) 对各元件列微分方程:2f f f _ d X 2(t)fB3 ~'T K2-'T B 2= m 2K1B3 dt 2=K 1X 1； f B1 = B 1 -- -dt B d (x 1 - x2) =B 3 甬；fK2 = K 2X23)4) 5) 拉氏变换.F(s)—KX(s)—B 1SX1G)—B3$(X 1(s) —X 2(s)] = gs 2X 1(s) 叉'B 3S[X 1(s) -X 2(s)] -K 2X2G)-B 2SX2G ) = m 2S 2X 2(s) 消去中间变量： 拉氏反变换：mi|m 2 d 4X d 3X d 2X$ (B 1m 2 七2口1 B s mh B s mJ $(B 1B 3 B 1B 2 B s B ?心口2 ^心)/dt dt dt 2_3(K 1B 2 K 1B 3 K 2B 1 K 2B 3)等 K 1g 弋詈解:(2) (4)1 1 11 1 1 — 29 s 49 s 13 (s 1)(5)(6)-0.25 2s 0.5 2 22 2.5 s2- 5解：1)D(s)=0, M(s)=0,2) D(s)=0, M(s)=0,得到极点：0,0,-2,-5得到零点：一 1 , ' 得到极点：一 2, — 1, —2 得到零点：0 , 0 , — 1+ □0 +oci3) D(s)=O, 得到极点：0,得到零点：一2,2- 8解：1) a )建立微分方程b) 拉氏变换 c) 画单元框图(略) d) 画系统框图mx o (t) = f k (t) f Bl (t) - f B2(t) f k (t)二 k(X i (t) —x °(t))ms 2X o (s) = F k (s) F BI (S ) -F B 2(S )b) 拉氏变换：F k (s )=k (X i (s )-X o (s))F Bi (s)=B i S (X j (s)—X o (s))F B 2(S )工 B 2S X O (S )c) 绘制单元方框图(略)4)绘制系统框图Fi ( s )2)a)建立微分方程:f B1(t) B id (N (t)-")) dtf B2 (t)=B 2 dX o (t) dt由于扰动产生的输出为:要消除扰动对输出的影响，必须使 X o2(S )=0 得到：QK 2K 3G o (s) -K 3K 4S =0第三章3- 1解：1)法一：一阶惯性环节的调整时间为 4T ,输出达稳态值的98%故: 4T = 1min ,得到：T = 15s法二：求出一阶惯性环节的单位阶跃时间响应，代入，求出。

u
i 0
1
x1 x2
11
措施2：
选用
x1
ec
1 c
idt
x2 i
为状态变量x1Fra bibliotek1 c
i
1 c
x2
x2
di dt
1 L
x1
R L
x2
1 L
u
i=x2
即
x1 x2
0
1 L
1 C R L
x1 x2
0 1 L
u
i 0
1
x1 x2
12
措选施用3：x1 Li R idt x2 idt
不失一般性，假定电容器初始电压值均为0，有
8
x2
c3 c2 c3
x1
x3
c2 c2 c3
x1
所以，只有一种变量是独立旳，状态变量只能选其中一种，即用其中旳任意一种变 量作为状态变量便能够拟定该电路旳行为。实际上，三个串并联旳电容能够等效为一 种电容。
对图（b） x1 = x2，所以两者有关，电路只有两个变量是独立旳，即（x1和x3）或 (x2和x3)，能够任用其中一组变量如（x2，x3）作为状态变量。
3、动态方程对于系统旳描述是充分旳和完整旳，即系统中旳任 何一种变量均可用状态方程和输出方程来描述。 例1－1 试拟定图8-5中（a）、（b）所示电路旳独立状态变量。图中u、i分别是是输入
电压和输入电流，y为输出电压，xi为电容器电压或电感器电流。
x3
解 并非全部电路中旳电容器电压和电感器电流都是独立变量。对图8-5（a），
18
2.4 状态方程旳建立
2-4-1 由系统旳高阶微分方程导出 2-4-2 由传递函数导出 2-4-3 状态变量图法 2-4-4 离散系统旳状态空间描述 2-4-5 由状态空间体现式求取传递函数（矩

《现代控制理论》课程教案一、教学目标1. 了解自动控制的基本概念、原理和方法。

2. 掌握线性系统的状态空间分析、传递函数分析和频率响应分析。

3. 熟悉现代控制理论的主要内容，包括最优控制、鲁棒控制和自适应控制等。

4. 学会运用现代控制理论解决实际工程问题。

二、教学内容1. 自动控制的基本概念：开环控制与闭环控制、稳定性、稳态误差、性能指标等。

2. 线性系统的数学模型：差分方程、微分方程、状态空间方程。

3. 状态空间分析：系统的可控性、可观测性、稳定性和性能分析。

4. 传递函数分析：劳斯-赫尔维茨准则、奈奎斯特准则、频率响应分析。

5. 最优控制：线性二次调节器、庞特里亚金最小原理、动态规划。

三、教学方法1. 讲授：讲解基本概念、原理和方法，结合实际案例进行分析。

2. 互动：提问、回答问题，引导学生思考和讨论。

3. 练习：课后作业、小测验，巩固所学知识。

4. 项目：分组完成控制系统设计项目，提高实际应用能力。

四、教学资源1. 教材：《现代控制理论》，作者：宋志坚。

2. 课件：PowerPoint演示文稿。

3. 辅助软件：MATLAB，用于分析和设计控制系统。

五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、小测验（30%）。

2. 项目成绩：分组完成的项目（30%）。

3. 期末考试成绩：闭卷考试（40%）。

六、教学安排1. 课时：总共32课时，每课时45分钟。

2. 授课方式：课堂讲授与实践相结合。

3. 授课进度安排：自动控制的基本概念（2课时）线性系统的数学模型（3课时）状态空间分析（5课时）传递函数分析（4课时）最优控制（5课时）鲁棒控制与自适应控制（5课时）控制系统应用案例分析（2课时）七、教学案例1. 案例一：温度控制系统描述：某实验室需要保持恒定的温度，当温度超过设定值时，启动空调降温；当温度低于设定值时，启动暖气升温。

教学目的：分析系统的稳定性、可控性和可观测性，设计合适的控制器。

2. 案例二：无人驾驶汽车控制系统描述：无人驾驶汽车需要实现路径跟踪、速度控制和避障等功能。

机电工程中的电气控制系统设计与实施案例分析摘要：本文探讨了机电工程领域中电气控制系统设计与实施的重要性、挑战和成功案例。

电气控制系统在现代工业中扮演着关键角色，能提高生产效率、资源利用效率和安全性。

然而，设计与实施过程中需要处理复杂性管理、不断变化的技术标准和故障维护等挑战。

通过分析自动化生产线控制和智能建筑能源管理系统的成功案例，突显了电气控制系统在提高效率、降低成本和保障安全方面的重要作用。

因此，电气控制系统的设计与实施对工业和建筑领域的发展至关重要，对未来工程领域具有深远影响。

关键词：机电工程；电气控制；系统设计；实施案例引言在当今快速发展的工业和科技环境中，电气控制系统设计与实施是推动机电工程领域前进的重要驱动力。

这些系统不仅仅是设备运行的管控者，更是工业和建筑行业实现自动化、效率提升和安全保障的核心组成部分。

然而，设计和实施电气控制系统面临着各种挑战，需要持续的技术创新和深入的专业知识来解决。

本文旨在通过案例分析，探讨电气控制系统在现代工程中的重要性、设计原则以及面临的挑战。

深入剖析成功案例将揭示电气控制系统在提高效率、降低成本和确保安全性方面的巨大潜力，以期为工程领域的专业人士和相关行业带来新的启示和见解。

一、电气控制系统设计的重要性精心设计的电气控制系统不仅仅是设备间协调运作的管理者，更是实现智能化、自动化生产的关键。

这种系统集成了各种传感器、执行器和控制器，能够实现实时数据监测、分析和响应。

通过精准的控制和优化，它们使得生产线在最佳状态下运行，最大限度地提高生产效率和产量。

此外，这些系统通过智能化的能源管理策略，有效地减少了能源浪费，促进了可持续发展。

同时，系统设计考虑到了操作员的安全，采用了多重安全措施，确保了设备在运行过程中的安全性和稳定性。

电气控制系统的这些优势和功能，对于现代工业的发展和竞争力提升至关重要。

二、设计与实施挑战（一）复杂性管理在设计电气控制系统时，需面对多种电气元件、传感器、执行器和控制器的复杂组合。