第7章 自动控制系统实例

第1章　自动控制系统的基本概念1-1 什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？答：（1）自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和（或）工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

（2）组成自动控制系统的基本环节及其作用如下：①被控对象或调节对象：进行控制的设备或过程；②执行机构：使被控制量达到所要求的数值；③检测装置或传感器：检测被控制量；④给定环节：设定被控制量的给定值；⑤比较环节：确定被控制量与给定量之间的偏差；⑥中间环节：将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。

1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。

答：（1）开环控制系统的优缺点①优点：结构简单、稳定性好。

②缺点：不能自动补偿扰动对输出量的影响。

（2）闭环控制系统的优缺点①优点：可以有效克服被控对象变化和扰动对输出的影响，提高系统的精度。

②缺点：结构较复杂，稳定性差。

1-3 什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？答：（1）系统的暂态过程是指系统从一个稳态过渡到新的稳态的过程。

（2）当给定量或扰动量突然增加到某一给定值时，输出量的暂态过程有以下几种情况：①单调过程。

这一过程的输出量单调变化，缓慢达到新的稳态值；②衰减振荡过程。

被控制量变化很快，经过几次振荡后，达到新的稳定工作状态；②持续振荡过程。

被控制量持续振荡，始终不能达到新的稳定工作状态。

1-4 日常生活中有许多开环控制系统和闭环控制系统，试举例说明它们的工作原理。

答：（1）开环控制系统实例-电加热系统，如图1-1：图1-1 温度控制系统自耦变压器滑动端的位置（按工艺要求设置）对应一个电压值u c ，即对应了一个电阻炉的温度值T c ，改变u c 即改变了T c 。

当系统中出现外部扰动（如炉门开、关频度变化）或内部扰动（如电源电压波动）时，T c 将偏离u c 所对应的数值。

第一节 前馈控制系统的组成
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：

行业的成功运 用。该 系统结合塑烧板 的 良好特性 ， 能够达 到很 高的除尘效 率 ， 并具 有使 用寿命 长、 雏护 简单 等特
点， 有很高的推广价值。 关键 词 ： 塑烧 板 除 尘 器 ； 西 门子 ；计 算 机 ； 自动 控 制
中 图分 类 号 ：Ｐ ７ Ｔ２３ 文 献 标 识码 ： Ａ
安装更换滤片极为 方便 ， 只需 打开除尘器检 修门 ， 紧 拧
固定 塑烧 板 的 两个 螺 栓 即 可 完 成 一 片 滤 片 的 装 配 。在 日常
生产 中， 几乎无须维修保养 。
２ 塑烧板 除尘器 自动控制 系统 实例论述
本文以太原钢铁集 团公 司的一套 塑烧 板除尘 系统为例 进行论述 ， 钢 ２５ 太 ２ ０热轧精轧 塑烧板除尘 器 自动控 制系统 主要 由四台 ＪＳ波浪式塑烧板除尘器组成 ， ０６年 １ Ｓ 自２ ０ Ｏ月 份使用至今 ， 除尘器性 能稳定 ， 运行可靠 ， 烟气粉尘排 放浓 度 直保持在低值 ， 效果很 好。该 系统分 本体部 分和 控制部
２ ２ 塑烧 板 除 尘器 控 制部 分 ．
２２ １ 硬 件 部 分 ．．
控制部分 由 Ｐ Ｃ控 制柜 ， 冲仪 控制 柜 ，Ｓ ＃一Ｊ５ ５ Ｌ 脉 Ｊ１ Ｓ＃
塑烧板 滤 芯 式 除 尘 器 所 占空 间仅 是 布袋 除 尘 器 的 １３—１６ 并且可以叠加设计缩小占地面积。 ／ ／， （ ）安装维护方便 ６
（ ）清灰效果好 ， ３ 压力稳定 ， 阻力稳定 设备 由于 塑烧 板 的 表 面 经 过 深 度 处 理 ， 径 细 小 均 匀 ， 常 空 非 光滑 ， 因而使粉 尘极难透过 与停留 ， 能保 持相当好 的清 灰效 果。其 次， 设备 阻力非常稳定 ， 压力损失与运 行时 间几 乎保 持不变。 （ ）具 有 强 耐湿 性 ４ 过滤板采用特殊配方 ， 有疏水性 ， 具 即使在冬 天严重结

；
21
1.2 自控概述
丼例：包装盒检测问题 某工厂需要对已装入香皂的纸质包装盒进行检测，把 未装入香皂的包装盒从传送带上剔除，该问题需要采用何 种控制方法？
22
1.2 自控概述
4. 直接控制不间接控制
一般情冴下为直接控制，当控制量丌能直接测量或把 控时采用间接控制。实际意义上一般控制均为间接控制 。
7
2. 自劢控制理论的建立
几位理论奠基人： 拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749－ 1827)，法国分析学家、概率论学家和物理学家，
1.1 发展历史
法国科学院院士。以天文力学研究为重点，研究方法 为数学、控制等多领域所引用，1812年发表了重要 的《概率分析理论》一书，在该书中总结了当时整个 概率论的研究，导入「拉普拉斯变换」等；
、流量、液面或PH值等类似变量（此类控制系统的控制 过程主要为以顺序排布为主的流程控制，比如化工工业产 品生产过程），此类系统称为过程控制系统。过程控制主 要应用于化工、工业制造等生产流程中。
16
1.2 自控概述
• 输入量：指作用于被控制对象或系统输入端的物理量、
信息或信号。 信息或信号。
• 输出量：指表现于被控制对象或系统输出端的物理量、
5. 适应式控制系统
系统本身能够随着环境条件或结构的丌可预计的变化
，自行调整或修改系统参量。
6. 学习控制系统
以人的分析和学习能力为目标，使机器能够自行对系
统变化做出反应的控制方法，以智能控制理论为基础。 23
1.2 自控概述
1.2.3 控制系统的结构和设计原则
• 1.控制系统的基本结构
对一个设施或过程的控制任务在于：使测量环节测得的 被控量y(t)丌受外部干扰z(t)的影响，即保持在一个恒定的 给定值w(t)=const上，或y(t)跟踪一个变化的给定值w(t) ≠const。

自动控制课程设计简单一、课程目标知识目标：1. 理解自动控制的基本概念，掌握自动控制系统的数学模型及特性。

2. 学会分析自动控制系统的性能，了解系统稳定性、快速性和准确性的评价标准。

3. 掌握典型自动控制系统的结构及其工作原理。

技能目标：1. 能够运用数学模型对自动控制系统进行描述，并绘制系统方框图。

2. 学会使用控制原理分析自动控制系统的性能，并提出相应的优化方案。

3. 能够运用所学知识，设计简单的自动控制实验，并完成实验报告。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣，激发学生探索未知领域的热情。

2. 培养学生严谨的科学态度，强调实验数据的真实性，提高学生的实践能力。

3. 增强学生的团队协作意识，培养学生在合作中解决问题、分享成果的能力。

本课程针对高中年级学生，结合学科特点和教学要求，注重理论与实践相结合，旨在提高学生对自动控制技术的理解和应用能力。

通过本课程的学习，使学生能够掌握自动控制的基本原理，具备分析、设计和优化自动控制系统的能力，并培养他们积极探索、严谨求实、团结协作的精神风貌。

二、教学内容1. 自动控制基本概念：控制系统定义、分类及性能指标（对应教材第1章）。

- 控制系统的数学模型及特性- 控制系统的方框图表示2. 自动控制系统分析方法：稳定性、快速性、准确性分析（对应教材第2章）。

- 控制系统的传递函数- 控制系统的稳定性判断- 控制系统的性能分析3. 典型自动控制系统：比例、积分、微分控制（对应教材第3章）。

- PID控制原理及参数调整- 典型控制系统实例分析4. 自动控制实验设计：实验原理、实验步骤及实验报告撰写（对应教材第4章）。

- 实验方案设计- 实验数据采集与处理- 实验报告撰写要求教学内容安排与进度：第1周：自动控制基本概念及数学模型第2周：控制系统稳定性、快速性、准确性分析第3周：典型自动控制系统原理与实例第4周：自动控制实验设计及实践教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节组织，确保学生能够循序渐进地掌握自动控制相关知识。

第一章绪论1. 什么是智能、智能系统、智能控制？答：“智能”在美国Heritage词典定义为“获取和应用知识的能力”。

“智能系统”指具有一定智能行为的系统，是模拟和执行人类、动物或生物的某些功能的系统。

“智能控制”指在传统的控制理论中引入诸如逻辑、推理和启发式规则等因素，使之具有某种智能性；也是基于认知工程系统和现代计算机的强大功能，对不确定环境中的复杂对象进行的拟人化管理。

2．智能控制系统有哪几种类型，各自的特点是什么？答：智能控制系统的类型：集散控制系统、模糊控制系统、多级递阶控制系统、专家控制系统、人工神经网络控制系统、学习控制系统等。

各自的特点有：集散控制系统：以微处理器为基础，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。

该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。

人工神经网络：它是一种模范动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。

这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。

专家控制系统：是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。

可以说是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。

多级递阶控制系统是将组成大系统的各子系统及其控制器按递阶的方式分级排列而形成的层次结构系统。

这种结构的特点是：1.上、下级是隶属关系，上级对下级有协调权，它的决策直接影响下级控制器的动作。

2.信息在上下级间垂直方向传递，向下的信息有优先权。

同级控制器并行工作，也可以有信息交换，但不是命令。

如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象

兰州理工大学《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告院系：电气工程与信息工程学院班级：电气工程及其自动化四班姓名：学号：时间：年月日电气工程与信息工程学院《自动控制原理》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014） 一、仿真实验内容及要求 1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。

2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析； ∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。

2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5； ∙ 利用MATLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。

3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MATLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MATLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MATLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。

一.按输入量的特征
1.恒值控制系统
▲系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。
▲系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出
量保持为恒定的期望值 ▲工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的 控制电力系统的电网电压、频率控制等
2.程序控制系统
▲系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按
预定的程序进行。 ▲数控机床按预定程序自动地切削工件。 石油化学工业中的反应塔。
反 馈 校正装置
1-3
自动控制系统的分类
可以从不同角度对控制系统进行分类：
●按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 ●按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 ●按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 ●按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性 控制系统 ●按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压 控制系统等
○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。 ○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。 ○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓， 甚至精度也会变差。 ○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的 重要内容。
1-5
自动控制的应用
一、在生产中的应用
工业机器人——简单移物
工业机器人——搬玻璃
人形机器人操作机
二、在军事中的应用
一、开环控制
【举例1】投篮
这是因为篮球出手后就无法再继续 对其进行控制，完全依赖动作的准确性 和有没有干扰了。家中的电灯、排风扇、 洗衣机、电烤箱等都具有相似的控制方 式，称它为开环控制方式。
开环控制的特征： 在控制过程中，无法对偏差进行纠正。
一、开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系 .
r(t) c(t)
c1(t) r(t)
c2(t) t

教案（首页）课程名称自动化专业导论总计：16学时课程类别专业选修课学分/学时1学分讲课：12学时讨论与考查：4学时任课教师职称授课对象自动化21-1,2,3基本教材自动化专业概论课程目标通过学习本课程使学生了解自动化学科/专业的基本理论和方法、自动化技术的发展和应用，了解自动化专业培养目标，专业（课程）的整体框架，为今后四年乃至更长时间内的专业学习、应用和研究打下基础，促进学生了解专业热爱本专业，培养科学的专业学习思想和学习方法。

通过对于学科和专业的历史\发展\重要人物等思政元素的讲解,启发学生对于科学、创新、社会理想等方面的思考，激发学生社会责任感与爱国热情，在知识学习和价值引领的协同育人目标上起到积极作用。

教学重点及难点教学重点：1.自动化控制系统的类型和组成;2.控制与自动化技术的发展历史和应用;3.自动化专业学习方法和安排。

教学难点：在了解自动化控制技术和应用的基础上，将个人特长与专业课程学习结合起来，初步建立个人的学习目标和规划。

1、概念、历史：课件1,2，视频（劳仕塑业）了解这个专业将来可能在哪里干什么，强调素质能力，前途光明大好，但要个人努力2、控制系统与控制方法技术：课件3,4，视频自动测量3、应用范畴：课件5，电力及电厂PPT，以过程控制和运动控制为特点的应用系统，过控：火力发电等，运控：机器人4、机器人与自动化发展方向：机器人PPT及视频，美的（机器人工业应用），发展：课件6，麒麟博众（家具的柔性生产线）智慧交通，湖卫节目5、素质要求、课程、知识考查：课件1,7，培养计划自动化专业导论课程教案课次1课时2课型（请打√）理论课√讨论课□实验课□习题课□其他□授课题目（教学章、节或主题）：第一章自动化专业与学科第二章自动化的概念和发展简史教学目的：了解控制和自动化专业的基本概念了解自动控制和自动化发展简史，理解自动化的发展动力和进程了解本专业培养目标和人才素质要求教学重点及难点：1.自动化专业与自动控制学科一级学科:控制科学与工程,含二级五个学科:控制理论与控制工程\系统工程\模式识别\自动化仪表及自动化装置\导航制导系统2.自动控制的基本概念3.自动化的发展动力和进程教学基本内容方法及手段1.课程简介:课程主要内容2.自动化专业的培养目标和人才素质要求3.控制与自动化发展简史(结合PPT补充发展历史)1)自动装置(18世纪前的):指南车\惠更斯钟表2)自动化技术形成期(18-20.30):3)局部自动化形成期(20.40-50):4)综合自动化(20.7-至今)4.控制与自动化的基本术语概念：学科中常用的一些概念：科学、控制、反馈、技术、系统等5.自动化应用和研究涉及领域多媒体课件1\2补充PPT视频：学生自制的宿舍智能控制系统综合自动化讨论题、思考题：1从自动化发展的历史中得到什么启示？2为什么从病人病症可能启发发展出自动控制理论？怎样从交叉科学、创新思想中找到价值从而促进科学理论的发展？3钱学森在控制科学发展中的重大贡献是什么？我们应该学习他什么？课次2课时2（请打√）习题课□其他□授课题目（教学章、节或主题）：第三章控制系统的类型和组成教学目的：了解各种类型的自动控制系统的组成和一般特点教学重点及难点：自动控制系统的组成和基本工作原理，自动控制系统的类型。

热工控制系统B思考题与习题第一章控制系统概述1. 什么叫自动控制系统？2．自动控制系统主要由哪几部分组成？每一部分的作用是什么？3．控制对象、被控制量、控制量和给定值是如何定义的？请举例说明。

4．自动控制系统的主要分类方法有哪几种？说明各种分类方法的特点，指出各种分类方法所包括的系统是什么？各系统的特点是什么？5．什么叫前馈控制系统？什么叫反馈控制系统？6．什么叫反馈？什么叫负反馈？7、什么叫定值控制系统？对定值控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的定值控制系统。

8．什么叫随动控制系统？对随动控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的随动控制系统。

9．、对一个实际控制系统如何实现负反馈？10．说明汽包锅炉有哪些被控制量？相应的控制量、控制机构有哪些？锅炉运行过程中被控制量可能会受到哪些扰动？11．控制过程的基本形式有哪几种？它们各有什么特点？如何根据控制过程曲线来检验控制系统是否满足基本要求？哪种控制过程的基本形式符合热工控制过程的要求，给出稳定性指标的范围。

12．通常从哪三个方面衡量自动调节系统的工作品质，表示调节系统的工作品质的指标有哪几个？如何兼顾这些指标？13．举出反馈控制系统的实例，指出被控制量、控制量、控制机构、给定值、扰动，画出控制系统的示意图。

14．水位自动控制系统的两种方案如下图所示，在运行中，希望水位高度H维持不变：（1）说明各系统的工作原理。

（2）画出各系统的方框图，并说明控制对象、被控制量、给定值、扰动各是什么？（3）试说明两系统各属于何种结构的控制方式。

（4）当水箱出口水流量q2变化时，各系统能否使水位高度保持不变？试从原理上定性说明。

第二章控制对象的动态特性1．为什么要研究对象动态特性？2．热工控制对象一般有哪几种类型？每种类型的特点是什么？写出相对应的传递函数。

3．热工控制对象的特征参数有哪些？是如何定义的，物理意义是什么？4．写出表示有自平衡能力对象动态特性的两套特征参数和它们之间的关系。

》教程内容 (适用“胡寿松《自动控制原理》 第五版”教材) 一、免费部分 (1)0石群自动控制原理 (2)石群自动控制原理第 1讲至第10讲（免费） (3)石群自动控制原理第 11讲至第20讲（免费） (4)石群自动控制原理 第21讲至第30讲（免费） (5)石群自动控制原 理第31讲至第40讲（免费）
（ 线性系统 一一系统巾所有元件的特性都是线性的 。 按系统性能：
｛ （ 非线性系统 （ 定常 （ 时不变 ）系统 一 数不随时 阳 时变系统 （ 连续系统一系统 散系统 （确定 阳一 本课 程 只涉 及确 定 阳 性系统 不确定 系 统 阳 和 参 。 离
分信号随着时叫变化 。
石 群课件
.z-.
’
1-4 对自动控制系统的基本要求 J稳定性 由系统结构决定。
J快速性
动态（暂态）特性。
J准确性
静态（稳态）特性。
典型外作用（信号）
（1）阶跃信号 （2）斜坡信号 （3）脉冲信号 （4）正弦信号
回顾：
（1）阶跃响应 （2）冲激响应 （3）正弦响应 （4）八一拆分
1-5 自动控制系统的分析与设计工具 J Matlab 》 草稿纸式编程语言 》 良好的人机界面 》 结论可做一定等级的理论论据 》 Simulink工具箱
工作原理： 被控对象一一 电动机
石
．
系统方框图 ：
输入 1 1 l·
扰 i>!J茧
控制器
被控对象 ｜旦 坐 革
开环控制系统
一一输
： I\盐受控手输入量 ，而对控制量不能反施影响的一关系统。
结 构 特 征 ： 信 息 单 向 传 递 ，没有形成闭合国脐
系 统 特 点 ： ①控制系统结构简单，成本低廉； ②控制精度差，抗干扰能力差； 使 用 场 合 ： 多） 目 甘 系 统 结 构 参 数 稳 定 汗 1 1 扰动信号较汩 的场合 。

控制工程基础自学考试大纲第一章概论一、课程内容本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。

三、考核知识点与考核要求（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点。

（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：1．自动控制系统的工作原理；2.开环控制；3.闭环控制；4.反馈控制系统基本组成及组成的元件；5.自动控制系统的基本类型；6.对控制系统的基本要求。

（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：1.离心调速器；2.机器人关节司服系统；3.三坐标数控机床；4.六自由度工业机器人；5.感应导线式自动导引车；6.柔性制造系统。

（四）掌握本课程的基本要求。

第二章控制系统的动态数学模型一、课程内容本章主要介绍：（一）基本环节数学模型1．质量——弹簧——阻尼系统应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程。

2．电路网络应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程。

3．电动机应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型。

（二）数学模型的线性化1．各类非线性现象。

2．系统线性化处理的方法。

（三）拉氏变换及反变换1．拉氏变换定义2．简单函数的拉氏变换（1）单位阶跃函数；（2）指数函数；（3）正弦函数和余弦函数。

（4）幂函数。

3．拉氏变换的性质（1）叠加原理；（2）微分定理；（3）积分定理；（4）衰减定理；（5）延时定理；（6）初值定理；（7）终值定理；（8）时间比例尺改变的象函数；（9）tx(t)的象函数；（10）x(t)/t 的拉氏变换；(11)周期函数的象函数；(12)卷积分的象函数。

4．拉氏反变换（1）只含不同单极点的情况；（2）含共轭复数极点的情况；（3）含多重极点的情况。

5．用拉氏变换解常系数线性微分方程（四）传递函数以及典型环节的传递函数1．比例环节2．一阶惯性环节3．微分环节（1）理想微分环节；（2）近似微分环节。

.
9
随动系统实例1
.
10
随动系统实例2
.
11
随动系统实例3
.
12
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
随动系统实例4
.
13
随动系统实例5
.
14
随动系统实例6
.
15
随动系统实例7
.
16
定值控制系统实例1
.
17
定值控制系统实例2
.
18
定值控制系统实例3
.
19
陀螺仪装入运载火箭
.
20
国际空间站更换陀螺仪
.
21
哈尔滨号导弹驱逐舰
温度热敏电阻空调器室内空气等热传导参考输入元件控制器执行元件被控对象测量元件指令输被控制量输出信号激磁绕组减速器负载闭环直流电机调速系统激磁绕组减速器负载测速发电机激磁开环控制与闭环控制执行元参考输入控制变量被控制量控制器执行元参考输入控制变控制器测量元件偏差开环控制没有测量元件没有反馈
自动控制原理
向减少偏差的方向变化（减小或.消除偏差）。
6
控制系统的基本组成
参考输入 偏差 放大与 串联补偿
扰动量
功
执行
被控 被控制量
放
元件
对象
反馈量
测量元件
反馈补偿
.
7
元件的作用
1.执行元件 直接操纵被控对象，改变被控制量。如电动机， 液压马达，温控系统中的加热器等。选择执行元件要注意 有足够的功率和频带宽度。 2.放大元件 对信号进行幅值和功率的放大，以及信号形式的变换。 3.测量元件 测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的 信号。测量元件的精度要高于系统精度，也要有足够的带宽。

（2）第二阶段。时间为20世纪60～70年代，称为“现 代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展， 推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分 方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过 程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入-多输 出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线 性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、 贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（R.E.Kalman）等人。 庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在 1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西 发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的 卡尔曼滤波。
加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有 用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规 律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对 系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电 源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。
基本术语

自动控制 —利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，
实现步骤：
1、用脑记住水位的希望值 2、用眼睛和测量工具测量实际值 3、比较希望值与实际值得出偏差值 4、根据偏差的大小和正负用手调节进水阀门
人在参与控制中起了以下三方面的作用 1) 测量实际液面高度h1—眼睛。
2) 测得的实际液面高度h1与希望液面高度h0相比较—脑。
3) 根据比较的结果，按照偏差的正负去决定的动作—手。
例子 数控车床按照预定程序自动切削工件 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
应用范围 空间技术、军事科技、生物、 交通、环境等
优点
提高劳动生产率，改善劳动 条件，探索未知世界

1.3 对自动控制系统性能的基本要求
1.3.1 稳定性
图1.13 稳定性示意图
1.3.2 稳态性能（静态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
第1章 自动控制的基本概念
1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系
Y[x1(t)+x2(t)]=y(x1)+y(x2)
齐次性： 输入x
输入x
系统
输出y(x) 输出y(x)
若输入为x(t)时,系统输出为y(x)，则输入为 βx(t)时，系统输出为：
Y[βx(t)]=βy(x)
重要特点：
线性系统的叠加性和齐次性，为研究带来了极大方便。 这样，我们可以采用典型激励（单位阶跃、单位脉冲、 单位斜坡等）对系统进行分析，而将复杂激励分解为典型激 励的线性组合——这就简化了问题。
(b) K=5, k=0.2 1→∞
(c) K=10, k=0.1 1→∞
1.2.2 线性系统与非线性系统
对于用微分方程描述的系统： 若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。
满足叠加性和齐次性的系统称为线性系统.
叠加性： 输入x1
输入x2
系统
输出y(x1) 输出y(x2)
若输入为x1(t)时,系统输出为y(x1)；输入为x2(t) 时,系统输出为y(x2)，则系统输出满足：
课程及教学安排简介----目标
知道控制的概念，易！ 实施恰当的控制，难！
复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！ 因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。

下腔回油，上滑块快速下行，缸上腔压力降低，主缸顶部
充液箱的油经液控单向阀12向主缸上腔补油。其油路为：
第七章：液压传动系统实例
控制油路进油路：泵1→减压阀4→阀5（左）→阀6左端控
制油路回油路：阀6右端→单向阀I2→阀5（左）→油箱
主油路进油路：泵1→顺序阀7→阀6（左）→一方面使液控 单向阀阀11开启；同时液压油经单向阀10→主缸上腔。由 于主缸活塞面积大，当主缸活塞快速下行使主缸上腔出现
三、液压系统的主要特点 （1）系统中采用了平衡回路、锁紧回路和制动回路， 能保证起重机工作可靠，操作安全。
（2）采用三位四通手动换向阀，不仅可以灵活方便地
控制换向动作，还可以通过手柄操纵来控制流量，以实 现节流调速。在起升工作中，将此节流调速方法与控制 发动机转速的方法结合使用，可以实现各个工作部件微 速动作。
第七章：液压传动系统实例
（3）换向阀串联组合，各机构的动作既可独立进
行，又可在轻载作业时，实现起升和回转复合动作，
以提高工作效率。 （4）各换向阀处于中位时系统即卸荷，能减少功 率损耗，适于起重机间歇性工作。
第七章：液压传动系统实例
7.3 液压压力机的液压系统 一、 YB32-200型是四柱万能液压压力机概述 该压力机有上、下两个液压缸，安装在四个立柱之间。上
第七章：液压传动系统实例
在图中，旋转编码器的工作电压为24V，如果不是
24V，则需要另外附加相应的电源接入。所有的行程开
关、压力继电器和按钮都是无源元件，可直接根据分配 的地址接入PLC。其中控制按钮都有紧急停止、手动/ 自动转换、电机起动/停止和电磁铁的单控按钮等，这 些都是PLC无源输入元件。
工作循环液压缸 信号来源 电磁铁 1YA 2YA 3YA 4YA