复杂控制规律系统设计
复杂过程控制系统--串级控制
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
9
二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
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单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
《控制技术 》课件
传感器的种类繁多，如温度传感器、 压力传感器、位移传感器和速度传感 器等。
被控对象
01
被控对象是控制系统所要控制的 设备或过程，可以是机械系统、 电气系统、液压系统或气动系统 等。
02
被控对象的特性对控制系统的设 计具有重要影响，需要充分了解 被控对象的物理特性和动态特性 。
反馈回路
反馈回路是控制系统的重要组成部分 ，它通过将传感器的检测信号反馈给 控制器，实现系统的闭环控制。
系统调试
对控制系统进行全面的调试，包括功能调试、性能测 试等，确保系统正常运行。
调试工具
使用各种调试工具，如示波器、逻辑分析仪、仿真软 件等。
控制系统的维护与优化
系统维护
定期对控制系统进行维护，包括硬件设备的清洁、检查、更换等 ，确保系统稳定运行。
系统优化
根据实际运行情况，对控制系统进行优化，包括参数调整、算法 改进等，提高系统性能。
详细描述
控制系统分析是评估控制系统性能的重要环节，它通过分析系统的动态特性来 评估其性能。控制系统分析的主要目的是确定系统的稳定性，以及系统对外部 扰动的响应。常用的分析方法包括时域分析和频域分析。
控制系统设计
总结词
控制系统设计是根据系统分析和性能要 求，设计合适的控制策略以满足系统性 能要求的过程。
稳定性的判定方法
03
通过计算系统的极点或特征根，判断其是否位于复平面的左半
部分。
准确性
01
02
03
准确性的定义
准确性是指控制系统在稳 态下，输出量能够跟踪输 入量的能力。
准确性的评价指标
误差、稳态误差和无差度 。
提高准确性的方法
通过调整控制器的参数， 改善系统的动态性能和静 态性能。
《过程控制与自动化仪表》习题答案
第1章（P15）1、基本练习题（1）简述过程控制的特点。
Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。
Q：是串级控制系统。
方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。
Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。
2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。
2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。
（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。
2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。
2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
复杂系统控制理论及其应用研究
复杂系统控制理论及其应用研究随着信息技术和系统科学的迅速发展，在日常生活中，我们经常面对各种复杂的系统，如生态系统、交通系统、市场经济等。
如何对这些复杂系统进行合理的控制，一直是人们关注的焦点。
复杂系统控制理论和方法是处理这些问题的有效工具。
一、什么是复杂系统复杂系统是指由许多相互连接、相互作用，其中包含大量部分相互独立的大量元素组成的系统，往往具有非线性、高度不确定、动态演化等特点。
复杂系统的研究内容涉及多个学科，包括物理学、数学、计算机科学、生物学、社会科学等。
复杂系统的结构和特性复杂多样，但通常存在着一些普遍的规律。
例如，许多复杂系统都表现出分形结构，即在不同的尺度上都具有相似的结构和性质。
这些规律的发现，为理解和控制复杂系统提供了重要的线索。
二、复杂系统控制的挑战与传统的线性系统相比，控制复杂系统具有更大的困难。
一方面，复杂系统的非线性和不确定性导致其行为难以预测和掌握，需要更加精细的模型和算法来描述和处理。
另一方面，复杂系统往往具有多层次、多尺度、多目标等特点，系统本身也是动态演化的，因此需要对系统的动态结构和演化进行更加深入的研究。
目前，控制复杂系统的研究主要围绕以下几个方向展开：1、系统建模与分析针对不同类型的复杂系统，需要建立适合的数学模型和理论框架。
常用的模型包括基于微分方程的状态空间模型、基于网络结构的图模型、基于统计方法的随机过程模型等。
建立适合的模型有助于深入理解复杂系统的本质机理和系统特性，并为控制系统提供基础。
2、复杂系统控制策略复杂系统的控制策略需要考虑多个方面的因素，如系统的输入输出关系、系统的状态反馈控制、控制目标是否可达、控制策略与系统性能的匹配等。
针对不同的复杂系统，需要设计出不同的控制方法和算法，如MPC（Model Predictive Control）、PID（Proportional Integral Derivative）算法等。
3、复杂系统的优化与协调控制在复杂系统中，单一的控制策略往往不能完全满足不同的优化目标。
大林算法控制系统设计-V1
大林算法控制系统设计-V1"大林算法控制系统设计"是一种根据数据驱动的算法控制系统设计方法，它可以在系统设计和控制中利用数据，自动优化系统的运行效率和性能表现。
该算法的设计思想是，通过观察和分析系统内的数据集，从中提取出规律和特征，然后再利用这些数据，通过数学运算得到最优解，在系统设计的各个环节中实现自动化的控制。
下面分几个方面分别介绍大林算法控制系统设计的内容：1. 数据采集和分析大林算法控制系统的第一步是数据的采集和分析。
该系统通过采集内部的数据集，并运用统计学和机器学习的算法进行分析，从而得到更多的数据。
2. 数据的预处理和清洗得到数据后，需要进行数据的预处理和清洗。
这意味着去除噪点、缺失值和异常值，以及对数据进行归一化、标准化和编码等处理。
3. 特征抽取在对数据进行预处理和清洗后，需要进行特征抽取。
这一步是将复杂的数据集精简成简单的特征集合。
特征抽取可以通过多种算法进行实现，例如主成分分析、线性判别分析和单纯可分分类器等。
4. 模型的训练和调整经过特征抽取后，就可以开始模型的训练和调整了。
这个过程需要基于生成算法、决策树、神经网络和支持向量机等算法来实现。
5. 模型的运用和控制最终，经过训练和调整后的模型就可以在控制系统中得到应用和控制了。
通过不断的数据收集和分析，以及对模型的调整和优化，可以不断地提高系统的性能表现和运行效率。
总的来说，大林算法控制系统设计的目的是通过对系统内部的数据进行采集、分析、预处理和清洗、特征抽取、模型的训练和调整、以及模型的应用和控制，实现自动化的控制和优化。
是一种利用数据驱动的算法控制系统设计方法，能够大大提高系统的运行效率和性能表现。
《自动化仪表》习题答案解析
第1章（P15）(1）简述过程控制的特点。
Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成;2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行.2）组成框图：(3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络.1）模拟仪表的信号：气动0.02～0。
1MPa、电动Ⅲ型:4～20mADC或1～5V DC.2）数字式仪表的信号：无统一标准。
(4）试将图1—2加热炉控制系统流程图用框图表示。
Q：是串级控制系统.方块图：（5)过程控制系统的单项性能指标有哪些?各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。
Q：1)按结构不同,分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈—反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。
2)略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗?为什么？Q：1）不是这样。
2)比如对安全火花型防爆仪表,还有安全等级方面的考虑等. （11)构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗?为什么?Q：1)是。
2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件.2、综合练习题(1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
东电考研大纲841、842、843、844、845、846
（1）841 自动控制原理一、考试形式与试卷结构1、试卷满分及考试时间试卷满分为150分，考试时间为180分钟2、考试方式考试方式为闭卷、笔试3、试卷的题型结构选择填空题，分析计算题，综合设计题二、考察的知识及范围第一章自动控制系统导论内容：（1）自动控制系统的一般性概念和基本工作原理；（2）反馈控制系统的基本组成、分类及对控制系统的基本要求；（3）《自动控制原理》课程研究的主要内容及其发展现状。
重点掌握：自动控制系统的一般性概念和基本工作原理；反馈控制系统的基本组成、分类及对控制系统的基本要求第二章控制系统的数学模型内容：（1）复数和复变函数的基本概念，拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换；（2）控制系统研究中几种主要数学模型：微分方程、传递函数和频率特性的内在联系；（3）典型环节的数学模型；（4）常见电气系统和一般机械系统的数学建模；（5）方块图的化简法则；（6）利用梅逊公式求取系统的传递函数。
重点掌握：传递函数的概念、结构图的建立与等效变换、梅逊公式第三章自动控制系统的时域分析内容：（1）系统阶跃响应性能指标；（2）一阶、二阶系统阶跃响应的特点及一阶、二阶系统动态性能；（3）高阶系统动态性能（4）线性系统稳定的充要条件；（5）利用劳斯判剧判别系统的稳定性；（6）稳态误差的定义；（7）稳态误差系数的求取及减小或消除系统稳态误差的方法；重点掌握：稳定性、稳态误差、系统阶跃响应的特点及动态性能与系统参数间的关系等有关概念，有关的计算方法。
第四章根轨迹法内容：（1）根轨迹的定义、幅值和相角条件；（2）根轨迹的绘制法则；（3）利用根轨迹分析系统的特性。
重点掌握：根轨迹的绘制方法，利用根轨迹分析系统的特性。
第五章线性系统的频域分析法内容：（1）频率特性的定义、求法及性质；（2）线性系统极坐标图画法；Nyquist图稳定判据的应用；（3）线性系统伯德图的画法；最小相位系统的定义及性质；（4）利用Bode图求取系统稳态误差；增益裕量和相位裕量的定义、物理意义和求取；重点掌握：正确理解频率响应、频率特性的概念及特点，明确频率特性的物理意义；熟练掌握运用奈奎斯特稳定判据和对数频率判据判定系统稳定性的方法；熟练掌握计算稳定裕度的方法。
控制系统整体方案设计
控制系统整体方案设计整体方案设计是指在控制系统的设计过程中，对系统进行全面、整体的规划和设计。
下面是一个控制系统整体方案设计的示例，包括系统需求分析、功能模块划分、硬件选型和软件设计等内容。
1. 系统需求分析首先对控制系统的需求进行分析，包括系统的目标、功能和性能要求。
例如，某个控制系统的目标是实现对温度的精确控制，功能要求包括温度的设定、测量和调节，并且要求温度控制误差在一定范围内，系统响应时间快等。
2. 功能模块划分根据系统的需求，将系统划分为不同的功能模块。
以温度控制系统为例，功能模块可以划分为温度传感器模块、控制器模块和执行器模块等。
3. 硬件选型根据功能模块的划分，选择相应的硬件设备。
例如，在温度传感器模块选择一种适合的温度传感器，并考虑其测量范围和精度等指标；在控制器模块选择一种合适的控制器，可以是基于单片机或者FPGA的控制器，根据系统的复杂性和性能需求来选择；在执行器模块选择一种合适的执行器设备，如电磁阀或者电动机等。
4. 系统结构设计根据功能模块的划分和硬件选型，设计系统的整体结构。
例如，将温度传感器模块连接到控制器模块，控制器模块再连接到执行器模块，形成一个闭环控制系统的结构。
同时，考虑如何与外界进行通信和数据传输，例如使用串口、以太网或者无线通信等。
5. 软件设计根据系统的需求和结构设计，进行相应的软件设计。
例如，在控制器模块中设计温度控制算法，根据温度测量值来计算控制误差，并根据调节规律来调整执行器的输出。
同时，还需要设计相应的界面程序，用于设定温度和显示控制结果等。
6. 系统测试和调试在整体方案设计完成后，进行系统的测试和调试。
通过实际测试来验证系统的功能和性能是否满足需求，并进行相应的调整和优化。
以上是一个控制系统整体方案设计的基本步骤和内容，根据具体的系统需求和设计要求，可能会有所不同。
在实际设计过程中，需要充分考虑系统的稳定性、可靠性、实时性和可调节性等因素，以确保系统能够正常运行并满足实际应用需求。
计算机控制系统考试
填空题1、按照控制方式分类，计算机控制系统分为开环控制和闭环控制。
2、过程输出通道包括开关量输出通道和模拟量输出通道两种。
3、计算机控制系统设计最重要的基本要求是可靠性。
4、在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程叫做采样过程。
5、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。
6、设闭环系统输出信号为Y(z)，输入信号为R(z)，误差信号为E(z)，则闭环误差传递函数为 W(Z)= E(z)/ R(z)。
7、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。
8、已知Z变换表达式F(z)，求相应离散序列f(kT)或f*(t)的过程被称为逆Z变换。
9、在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程。
10、所谓稳定，就是在有界输入作用下，系统的输出也是有界的。
11、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。
12、过程输出通道包括模拟量输出通道和数字量输出通道两种。
13、按照控制方式分类，计算机控制系统分为开环控制和闭环控制。
14、离散系统的时间响应是他各个极点时间响应的线性叠加。
15、集散控制系统是控制(control)、计算机(computer)、数据通信(communication)和屏幕显示技术(CRT)的综合体，通常又被称为分布式控制技术。
简答题1、简述专家控制系统与专家系统的不同之处。
(1) 通常的专家系统只对专门领域的问题进行咨询工作，它的推理是以知识为基础的，其推理结果一般用于辅助用户的决策；而专家控制系统则要求能独立和自动地对控制作用作出决策，它的功能一定要具有连续的可靠性，足够的抗干扰性。
(2) 通常的专家系统一般都是以离线方式工作的，对系统运行速度没有很高的要求；而专家控制系统则要求在线动态地采集数据，处理数据，进行推理和决策，对过程进行及时的控制，因此一定要具有使用的灵活性和控制的实时性。
第4章 控制系统设计
4.2 控制系统的优化设计
（二）优化设计原理——单纯形法
常见的优化方法有黄金分割 法、单纯形法以及随机射线法， 其中单纯形法以其概念清晰、实 现便利等优良性能广泛为人们所 采用。所谓单纯形是指变量空间 内最简单的规则形体。单纯形法 的寻优原理可以用右图表示：
4.2 控制系统的优化设计
（三）目标函数的选取
【Closed-Loop Bode】—在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。
【Compensator Bode】—在弹出的图形窗口中显示环节C的伯德图。 【Open-Loop Nyquist】—在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。
【Other Loop Responses】—选择所希望的各类显示曲线。
4.2 控制系统的优化设计
步骤3 ：MATLAB下优化的主程序 global kp; global ki; global i; i=1; result=fminsearch('*optm',[1 1]) % [1,1]是初值
步骤4 ：仿真运行 在MATLAB命令窗口键入主程序名enter
The end!
4.1 SISO Design Tool——举例
设单位负反馈系统被控对象的传递函数为
G( s) 60s 30 s 3 9s 2 17 s 10
应用 SISO Design Tool 设计调节器 Gc (s) ， 使系统的性能指标为 ts 1.0s ， p 10% 。
4.2 控制系统的优化设计
例：对象传递函数 G ( s) es 10 s 1 采用PI调节器，性能指标函数采用ITSE，即 J ，试确定调节器参数kp,ki。 步骤1.建立仿真模型
1
ts
一、串级控制系统
《过程控制与自动化仪表》P190单回路控制系统作为一种最基本、使用最广泛的控制系统，结构简单，在大多数情况下都能满足工业生产的基本要求。
但是在油厂中，控制对象复杂，干扰多，大多数情况下需要运用新的控制系统，以进一步提高控制质量。
这时就需要用到串级控制、选择性（超驰）控制、前馈控制等一类较为复杂的高性能过程控制系统。
本章将对上述三种控制系统的组成、特点、控制原理以及工程设计应考虑的问题进行介绍。
一、串级控制系统一、串级控制系统简介串级控制系统是指在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。
因此，串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
根据串级控制系统的结构框图，可以看出串级控制系统的显著特点是：结构上2个回路，主回路和副回路，由两个串接工作的调节器构成双闭环控制系统。
从而，在控制过程中包含2个变量，主变量和副变量，通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。
串级控制系统通常包括主控制系统和副控制系统，其中：主控制系统是系统目标参数控制系统；副控制系统是为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统。
副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用，两者配合进行控制。
串级控制系统的结构框图串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，因而能大大的提高控制质量。
具有以下的控制特点：1）能迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制能力强；2）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作效率；3）对负荷和操作条件的变化适应性强；二、串级控制系统的设计在串级控制系统中增加了一个副回路，使其设计中主副回路的选择、主副控制器控制规律和正反作用的确定等都是需要考虑的问题。
1．主副回路的选择（一）主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
系统工程的理论和应用
系统工程的理论和应用【前言】系统工程是一门重要的交叉学科，其涉及的范围非常广泛，涵盖了数学、物理、计算机科学、工程管理等多个领域。
本文将着重探讨系统工程的理论基础以及其在实践中的应用。
【理论基础】系统工程的理论基础主要包含以下几个方面：1.系统论系统论是现代系统工程学的基础理论，奠定了系统思维的基础。
它包括系统概念、系统的层次结构、系统的行为规律以及系统间的相互影响等方面的内容。
系统论的发展可以追溯至20世纪50年代，被认为是理解、设计和控制复杂系统的基础。
2.控制论控制论是系统工程中的另一个重要理论基础，它的研究对象是动态系统的控制问题。
控制论涉及了系统动态行为的描述、控制综合方案的设计以及控制器参数的优化等问题。
控制论在工业自动化、航空航天、军事等领域都有广泛的应用。
3.优化论优化论是系统工程中的另一个重要的数学理论，主要研究如何在给定的约束条件下，将系统的某种性能指标最大化或最小化。
优化问题在系统工程中经常出现，例如在生产规划、资源调度、投资决策等方面的优化应用。
【应用实践】系统工程在实践中的应用非常广泛，下面将介绍一些典型的应用领域。
1.制造业制造业是系统工程的最早应用领域之一。
在制造业中，系统工程主要应用于生产流程的设计、质量控制以及成本管理等方面。
通过系统工程的应用，制造企业可以实现生产效率的提高、产品质量的提升以及产品成本的降低。
2.交通运输交通运输是另一个典型的系统工程应用领域。
在交通运输领域，系统工程主要应用于交通规划、道路网络设计、车辆调度以及交通安全管理等方面。
通过系统工程的应用，交通运输系统的效率可以得到提高，交通安全可以得到保障。
3.信息技术随着信息技术的发展，系统工程在信息技术领域的应用也越来越广泛。
在信息技术领域，系统工程主要应用于软件工程、网络优化以及信息安全管理等方面。
通过系统工程的应用，可以提高软件系统的可靠性、网络系统的性能和信息安全性。
4.军事战争系统工程在军事战争中也有广泛的应用。
微机控制技术复习题(部分参考答案)
一、 填空题：1、8位D/A 转换器的分辩率是 满刻度值/2^8 。
2、数字调节器与模拟调节器相比更能实现 复杂 控制规律。
3、计算机具有 分时 控制能力，可实现多回路控制。
4、为了实现最少拍有波纹控制，闭环脉冲传递函数)(Z Φ中应包含)(Z G 的 所有单位圆上和单位圆外 零点，为了实现最少拍无波纹控制， 闭环脉冲传递函数)(Z Φ中应包含)(Z G 的 所有 零点。
5、按最少拍原则设计的系统是 时间 最优系统。
6、最少拍无波纹与最少拍有波纹系统相比其闭环脉冲传递函数)(Z Φ中1-Z的阶次要 高一些，调整时间要 长 一些。
7、大林把这种控制量以 1/2 的采样频率振荡的现象称为“ 振铃 ”。
8、分析结果表明：)(Z U 与)(Z R 间的脉冲传递函数表达式中，包含有Z 平面单位圆内 接近-1 的负实数极点，则会产生 振铃现象 。
9、如果按大林提出的简单修正算法来防止振铃现象，则对系统的稳态输出 无 影响，但对系统的动态性能 有 影响。
10、数字控制器的模拟化设计法是在采样周期 必须足够小，除必须满足采样定例外采样周期的变化对系统性能影响不大 的条件下使用的。
11、数字量输出保持一般有两种方案，一种是 输出通路设置一个D/A 转换器的结构形式（数字量保持方案） ，一种是 多个输出通路公用一个D/A 转换器的结构式（模拟量保持方案） ，前者与后者相比D/A 转换器 使用数量多 。
12、常用的A/D 转换器有 计数器式 ， 双积分式 ， 逐次逼近式 。
13、为了消除稳态误差，)(Z e Φ的表达式中须含有因式 (1-z^-1)^q 。
补充填空题：1、常用的I/O 控制方式是 程序控制方式 ， 中断控制方式 ，直接存储器存取方式 。
2、微型计算机控制系统中解决中断优先级的办法是 软件查询方式 ， 雏菊链法 ， 专用硬件方式 。
3、满足实时控制要求的使用条件是 所有外围设备的服务时间的总和必须小于或等于任意外围设备的最短响应时间 。
复杂系统的涌现性质
复杂系统的涌现性质复杂系统是由许多相互作用的组件或个体构成的系统。
这些组件之间的相互关系和交互作用导致系统呈现出复杂而难以预测的行为。
复杂系统的涌现性质是指在系统的各个层次和组件之间产生的新的特性和行为。
这些特性和行为是由系统内部的相互作用和组织方式所决定的，而不是由单个组件的属性所决定的。
在本篇文章中，我们将探讨复杂系统的涌现性质及其对实际应用的影响。
复杂系统的涌现性质体现了整体与部分之间的相互关系。
在一个复杂系统中，每个组件的行为受到其他组件的影响，同时也会影响其他组件。
这种相互作用导致了一种非线性的关系，使得系统的整体行为无法简单地通过分析各个组件的属性来进行预测。
而且，由于系统的复杂性，即使是微小的变化或者扰动，也可能引起系统的非线性反应，产生意想不到的结果。
复杂系统的涌现性质在许多领域中都有着重要的应用。
在自然科学中，许多自然现象，如气候系统、生态系统和神经网络等，都可以被看作是复杂系统。
通过研究这些系统的涌现性质，我们可以更好地理解它们的行为规律，并提供对应的应对措施。
例如，通过深入了解气候系统的涌现性质，科学家们可以预测天气变化的趋势，并为人们的生活和经济活动提供指导。
在社会科学中，人类社会也可以被看作是一个复杂系统。
人们的行为和决策往往受到其他人的影响，而个体的行为又会对整个社会产生影响。
通过研究社会系统的涌现性质，我们可以更好地理解群体行为和社会规律，并为社会政策和管理提供参考。
例如，通过分析交通拥堵问题的涌现性质，可以提出有效的交通管理策略，减少交通阻塞和能源浪费。
此外，复杂系统的涌现性质也在工程和技术领域中得到了广泛应用。
现代的工业生产线、交通系统和网络系统都是由多个组件相互联接而成的复杂系统。
通过深入理解这些系统的涌现性质，我们可以设计出更可靠和高效的工程和技术解决方案。
例如，在交通管理领域，通过分析交通流的涌现性质，可以设计出更优化的交通信号控制算法，提高交通系统的整体效率。
控制规律知识点总结
控制规律知识点总结控制规律是指在某一系统内部或外部对系统的某些特性、状态或行为进行控制，以达到特定的目标或要求。
控制规律作为控制论的核心内容，是工程控制、自动化控制、系统控制等领域的基础知识，也是现代科学技术和工程实践中必不可少的重要组成部分。
在控制规律的研究中，有许多知识点是我们需要深入了解和掌握的。
下面将对控制规律的一些重要知识点进行总结和归纳。
一、控制系统的基本概念1.控制系统的定义和分类控制系统是指在工程实践中，为解决某一问题或达到某一目标而设计的一种系统。
根据控制系统中待控制的对象、控制器的类型、实现控制目标的方法等不同特征，可以将控制系统分为不同的类型，如连续控制系统和离散控制系统等。
根据控制对象的数学模型是否有确定性，可以将控制系统分为确定性控制系统和随机控制系统等。
2.控制系统的基本组成控制系统一般由控制对象（或过程）、传感器、执行器、控制器等组成。
控制对象是控制系统中需要控制的实际对象或过程；传感器是用来采集控制对象的状态或行为信息，并将其转换为电信号的设备；执行器是用来根据控制器输出的控制信号对控制对象进行控制的设备；控制器是控制系统中的核心部件，实现对控制对象的控制。
3.控制系统的基本原理控制系统的基本原理是通过传感器采集控制对象的状态或行为信息，然后经过控制器的处理并输出相应的控制信号，通过执行器对控制对象进行控制，使其达到期望的状态或行为。
二、控制系统的数学模型和稳定性分析1.控制系统的数学模型控制系统的数学模型是通过对控制对象的动态特性进行建模，将控制对象的状态、输入和输出之间的关系表示为数学方程，以便于对控制系统进行分析与设计。
2.控制系统的稳定性控制系统的稳定性是指在一定条件下，控制系统对初始扰动的抵抗能力。
稳定性分析是控制系统设计中一个非常重要的环节，通常通过对系统传递函数的极点位置和单位圆上的点进行判断。
当系统传递函数的所有极点都在单位圆内部时，系统是稳定的；当系统传递函数有极点在单位圆上或外部时，系统是不稳定的。
实验一 串级控制实验
实验一串级控制实验本次实验是串级控制实验，主要是为了掌握串级控制系统的设计方法和实现原理。
串级控制系统是指将多个控制环连接起来，形成多级控制系统，以实现对复杂系统的精确控制。
实验原理：串级控制系统是由多个控制环组成的层次结构控制系统，每个控制环的输出信号作为下一级控制环的输入信号，从而实现多级控制。
通常情况下，每个控制环的控制目标涉及到不同的控制量，所以控制器的参数也不同。
串级控制系统的主要特点是控制响应速度快、稳定性高、抗干扰能力强。
因为如果存在一定的干扰或负载变化，只会影响到当前控制环的输出，而不会对整个系统的控制产生影响。
本次实验使用的是小车导航控制系统，主要由两个控制环组成：速度控制环和方向控制环。
速度控制环通过调节电机的电压来控制小车的速度，方向控制环通过控制小车的方向舵机来控制小车的方向。
实验步骤：1.按照实验器材说明书连接好实验电路，并给各个元器件供电。
并将速度控制和方向控制连接起来。
2.用示波器检查小车电机的转速和方向舵机的角度是否正确。
3.按照实验要求，完成串级控制系统的参数设计，同时对速度控制环和方向控制环进行调整。
4.对小车进行测试，分别调取不同的目标值，在实验过程中观察串级控制系统的控制响应速度、稳定性等指标。
5.依据实验数据，观察控制器参数的变化规律，并对控制系统的性能进行优化设计。
实验结果：通过实验，我们可以得出如下结论：1. 串级控制系统的响应速度非常快，控制精度高，能有效地抵抗干扰。
2. 串级控制系统的控制参数对系统的性能影响非常大，正确的参数设置是实现控制性能的关键。
总结：本次实验主要学习了串级控制系统的设计方法和实现原理。
在实验过程中，我们对控制器参数进行调整和测试，得到了不同控制目标下的实验数据，并对数据进行分析和总结，为实现控制系统的最优化设计提供了依据。
系统原理的原则包括
系统原理的原则包括系统原理是指系统运行和工作的基本原则和规律。
在设计和实施系统时，需要遵循一些原则来确保系统的稳定性、可靠性和高效性。
下面将介绍系统原理的原则：1. 性能原则系统原理的一个关键原则是性能优化。
系统应该被设计和优化以实现高效的性能。
这包括减少系统资源的消耗，提高系统的响应速度和处理能力。
通过合理的资源分配、算法设计和流程优化，系统可以达到更高的性能水平。
2. 可靠性原则可靠性是系统设计的重要考量之一。
系统应该被设计为具有高可靠性，即系统在各种异常情况下仍能正常运行并保持稳定。
为了实现可靠性，系统应该具有足够的容错机制、备份策略和错误处理机制。
3. 可扩展性原则系统应该具有良好的可扩展性，以便在需要时可以轻松地扩展系统的功能和性能。
通过合理的架构设计和模块化编程，系统能够实现快速和低成本的扩展。
4. 安全性原则系统原理还包括安全性原则。
系统应该被设计为能够保护数据和用户的安全。
这包括数据加密、访问控制、身份验证等安全机制的设置，以防止未经授权的访问和攻击。
5. 简洁性原则系统设计应该追求简洁性。
简洁的系统结构和设计可以提高系统的可维护性和可理解性，减少系统的复杂性和错误率。
通过简化系统的功能和流程，可以降低系统维护的成本和风险。
结语系统原理的原则是设计和实施系统时需要考虑的重要因素。
遵循这些原则可以帮助系统实现高性能、高可靠性、高安全性和高可扩展性。
在系统设计过程中，研究人员应该根据具体的需求和情况，灵活运用这些原则，以构建一个稳定、高效的系统。
系统工程方法
系统工程方法系统工程方法是一种系统化的方法论，用于解决复杂系统设计和管理中的问题。
它是一种综合性的工程方法，涉及到多个学科领域的知识和技术。
在现代科学技术和工程领域，系统工程方法被广泛应用于各种复杂系统的设计、开发和管理中，包括航空航天、电子信息、交通运输、能源环境等领域。
系统工程方法的核心思想是将系统作为一个整体来考虑和处理，注重系统的整体性、协同性和综合性，以达到系统设计和管理的最佳效果。
系统工程方法的主要特点包括系统思维、综合性、系统化、工程化和协同性。
系统思维是系统工程方法的基本理念，它要求工程师和管理人员要从整体上把握系统的特征和行为规律，注重系统的相互关系和相互作用，避免片面性和局部性的看问题。
综合性是指系统工程方法要求综合运用多学科的知识和技术，处理系统设计和管理中的复杂问题，实现系统的整体优化。
系统化是指系统工程方法要求按照一定的程序和方法进行系统分析、系统设计和系统管理，实现系统工程的有序化和规范化。
工程化是指系统工程方法要求将系统设计和管理过程作为一种工程活动来进行，注重工程实践和工程技术，实现系统工程的科学化和技术化。
协同性是指系统工程方法要求各个子系统和部件之间要协同工作，实现系统的整体协同和协同优化。
系统工程方法的应用范围非常广泛，涉及到各个领域和行业。
在航空航天领域，系统工程方法被应用于飞机、导弹、卫星等复杂系统的设计和管理中，以确保系统的安全可靠和性能优越。
在电子信息领域，系统工程方法被应用于通信系统、计算机系统、控制系统等领域，以实现系统的高效、稳定和可靠。
在交通运输领域，系统工程方法被应用于铁路、公路、港口等交通系统的设计和管理中，以提高交通运输的效率和安全。
在能源环境领域，系统工程方法被应用于电力系统、环境保护系统等领域，以实现能源的高效利用和环境的可持续发展。
总之，系统工程方法是一种重要的工程方法论，对于解决复杂系统设计和管理中的问题具有重要的意义。
它的应用将会在各个领域和行业发挥重要作用，推动科学技术和工程领域的发展和进步。
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位圆内右半面的零点会加剧振铃现象。由于振铃现象容 易损坏系统的执行机构，因此，应设法消除振铃现象。
第8章 复杂控制规律系统设计
大林提出了一个消除振铃的简单可行的方法，就是先找 出造成振铃现象的因子，然后令该因子中的z=1。这样就 相当于取消了该因子产生振铃的可能性。根据终值定理， 这样处理后，不会影响输出的稳态值。 下面分析被控对象含纯滞后的一阶或二阶惯性环节振铃 的消除方法。 (1)被控对象为含有纯滞后的一阶惯性环节
第8章 复杂控制规律系统设计
当T→0时，RA→2，令该因子中z=1，此时消除振铃后的
数字控制器为
(1 eT / )(1 eT /1 z 1 )(1 eT /2 z 1 ) D(z) k(1 eT /1 )(1 eT /2 )[1 eT / z 1 (1 eT / )z (N1) ]
2
2
z 1 eT /
因此，如果τ<<T，则 z 1 j 3 , z 1 22
将有严重的振铃现象，令该因子中z=1。
第8章 复杂控制规律系统设计
此时消除振铃后的数字控制器为
(1 eT / )(1 eT /1 z 1 ) D(z) k(1 eT /1 )(3 2eT / )(1 z 1 )
则z→-1，将有严重的振铃现象，令该因子中z=1。
第8章 复杂控制规律系统设计
此时消除振铃后的数字控制器为 (1 eT / )(1 eT /1 z 1 )
D(z) k(1 eT /1 )(2 eT / )(1 z 1 )
当N=2时，则有极点
z 1 (1 eT / ) j 1 4(1 eT / ) (1 eT / )2
e NTs W (s)
s 1
其中τ为整个闭环系统的惯性时间常数。
第8章 复杂控制规律系统设计
1．数字控制器的基本形式
假定系统中采用的保持器为零阶保持器，采用加零阶保
持器的Z变换，则与W(s)相对应的整个闭环系统的闭环Z 传递函数为
1 eTs eNTs (1 eT / )z(N 1)
W(z)
其中q为纯滞后时间
第8章 复杂控制规律系统设计
则其闭环传递函数为
W (s) D(s)G(s) 1 D(s)G(s)
其模拟控制器为
D(s)
W (s)
[1 W (s)]G(s)
按大林算法的设计目标，希望闭环传递函数为
W (s) e qs
s 1
当被控对象为含纯滞后的一阶惯性环节时，可得到模拟
带有纯滞后的计算机控制系统如图8.1所示。
G(z)
r(t)
e(t) e*(t)
u*(t)
D(z)
ZOH
R(z)
T E(z)
T U(z)
y(t) G0(s)
Y(z)
图8.1 带有纯滞后的控制系统
第8章 复杂控制规律系统设计
不论是对一阶惯性对象还是对二阶惯性对象，大林算法 的设计目标是要设计一个合适的数字控制器，使闭环传 递函数相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联， 其中纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完 全相同，这样就能保证使系统不产生超调，同时保证其 稳定性。整个闭环系统的传递函数为
(1) 被控对象为含有纯滞后的一阶惯性环节
G0
(s)
ke NTs
1s 1
则
1 eTs
k (1 eTs )eNTs k (1 eT /1 )z(N 1)
G(z)
s
G0 (s)
s(1s 1)
1 eT /1 z1
于是得到数字控制器为
W (z)
(1 eT / )(1 eT /1 z 1)
U(z)
1
1 1 0.5z 1 0.75z 2 0.625z 3
1 0.5z 1 1 z 1
则 RA=u(0)-u(1)=1-0.5=0.5
例8.5 设数字控制器 振铃幅度RA。
D(z)
(1
1 0.5z 1 )(1
，求
0.2z 1 )
解：数字控制器在单位阶跃信号作用下的输出为
(1 eT / )(1 eT /1 z 1 ) D(z) k(1 eT /1 )[1 (1 eT / )(z 1 z 2 z N )](1 z 1 )
可能引起振铃现象的因子是
1 (1 eT / )( z 1 z 2 z N )
显然，当N=0时，该因子不会引起振铃。
当N=1时，则有极点 z (1 e T / ) ，如果τ<<T，
第8章 复杂控制规律系统设计
8.1.1 大林(Dahlin)算法
大林算法要求在选择闭环Z传递函数时，采用相当于连续 一阶惯性环节的W(z)来代替最少拍多项式。如果对象有 纯滞后，则W(z)还应包含有同样的纯滞后环节（即要求 闭环控制系统的纯滞后时间等于被控制对象的纯滞后时 间）。
设计算机控制系统中的连续时间的被控对象G0(s)是带有 纯滞后的一阶或二阶惯性环节，即
如果要消除全部可能引起振铃的因子，则消除振铃后的 数字控制器为
(1 eT / )(1 eT /1 z 1 ) D(z) k(1 eT /1 )(N 1 NeT / )(1 z 1 )
第8章 复杂控制规律系统设计
(2) 被控对象为含有纯滞后的二阶惯性环节
被控对象为含有纯滞后的二阶惯性环节的大林算法求得 的数字控制器为
其中
c1
1 1eT /1 2eT /2 2 1
,
c e T (1/11/2 ) 2
e e T /1
1
T / 2 2
2 1
第8章 复杂控制规律系统设计
于是得到数字控制器为
D(z) W (z) [1W (z)]G(z) (1 eT / )(1 eT /1 z1)(1 eT /2 z 1)
第8章 复杂控制规律系统设计
第8章 复杂控制规律系统设计
第8章 复杂控制规律系统设计
8.1 纯滞后补偿控制系统
在工业生产中，大多数过程对象含有较大的纯滞后特 性。被控对象的纯滞后时间τ使系统的稳定性降低，动态 性能变坏，如容易引起超调和持续的振荡。对象的纯滞 后特性给控制器的设计带来困难。 一般来说，这类对象对快速性要求是次要的，而对稳定 性、不产生超调的要求是主要的。基于此，人们提出了 多种设计方法，比较有代表性的方法有纯滞后补偿控 制——史密斯(Smith)预估器和大林(Dahlin)算法。
解：数字控制器在单位阶跃信号作用下的输出为
U (z)
1 0.5z 1
1
(1 0.5z 1 )(1 0.2z 1 ) 1 z 1
1 0.2z 1
0.5z 2
0.37z 3
则 RA=u(0)-u(1)=1-0.2=0.8
由以上几个例子可以看出，产生振铃现象的原因是数字 控制器D(z)在z平面上位于z=-1附近有极点。当z=-1时， 振铃现象最严重。在单位圆内离z=-1越远，振铃现象越 弱。在单位圆内右半面的极点会减弱振铃现象，而在单
D(z)
(1 eT / )(1 eT /1 z 1 )(1 eT /2 z 1 ) k(c1 c2 z 1 )[1 eT / z 1 (1 eT / )z (N1) ]
有极点z=-c2/c1，当T→0时，z→-1，将有严重的振铃现 象。振铃幅度为
RA c2 e T / e T /1 e T / 2 c1
keqs
G0 (s) 1s 1
或
keqs
G0 (s) (1s 1)(2s 1)
第8章 复杂控制规律系统设计
其中q为纯滞后时间，为简单起见，假定被控对象的纯滞
后时间为采样周期的整数倍。即q=NT（N为正整数）；τ1、
τ2为被控对象的惯性时间常数；k为放大倍数。许多实际 工程系统都可以用这两类传递函数近似表示。
k (c1 c2 z1)[1 eT / z1 (1 eT / )z(N 1) ]
第8章 复杂控制规律系统设计
2．振铃现象及其消除方法 直接用上述控制算法构成闭环控制系统时，人们发现数 字控制器输出U(z)会以1/2采样频率大幅度上下摆动。这 种现象称为振铃(Ringing)现象。 振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、 纯滞后时间的大小等有关。振铃现象中的振荡是衰减的， 并且由于被控对象中惯性环节的低通持性，使得这种振 荡对系统的输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增 加执行机构的磨损。
s
s 1
1 eT / z1
由此，可得出大林算法所设计的控制器D(z)为
D(z)
W (z) [1W (z)]G(z)
[1 eT /
(1 eT / )z (N 1) z 1 (1 eT / )z (N 1) ]G(z)
其中
G(z)
1 eTs
s
G0 (s)
第8章 复杂控制规律系统设计
综上所述，针对被控对象的不同的形式，要想得到同样 性能的系统，就应采用不同的数字控制器D(z)。
RA 1 (b1 a1 1) a1 b1
例8.3 设数字控制器
D(z)
1
1 z
1，求振铃幅度RA。
解：数字控制器在单位阶跃信号作用下的输出为
U (z)
1 1 z 1
1 1 z 1
1
z 2
z 4
则 RA=u(0)-u(1)=1-0=1
第8章 复杂控制规律系统设计
例8.4 设数字控制器 D(z) 1 01.5z，1 求振铃幅度RA。 解：数字控制器在单位阶跃信号作用下的输出为
z 1 )
第8章 复杂控制规律系统设计
3．大林算法的模拟化设计 设模拟控制系统如图8.2所示。其中被控对象为含纯滞后 的一阶或二阶惯性环节。
r(t)
e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G(s)
图8.2 模拟闭环控制系统