计算机自动控制的原理
自动控制原理知识点
第一节自动控制的基本方式一、两个定义：（1）自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。
（2）自动控制系统：由控制器(含测量元件)和被控对象组成的有机整体。
或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。
称为自动控制系统。
在控制系统中，把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。
系统的输入量，通常指两种：给定输入量和扰动输入量。
给定输入量，又常称为参考较输入量，它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。
扰动输入量，又常称为干扰输入量，它是系统不希望但又客观存在的外部输入量，例如，电源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等，都是实际系统中存在的扰动输入量。
扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。
自动控制的基本方式二、基本控制方式(3种)1、开环控制方式(1)定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。
具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。
如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量反馈的控制方式。
(2)职能方框图任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方框图表示。
2、闭环控制方式(1) 定义：系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称为闭环控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。
自动控制的基本方式工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。
反馈电压与给定电压比较(相减)后，产生一偏差电压，经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。
当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。
当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上升)，去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
工业自动化中的计算机控制技术
工业自动化中的计算机控制技术工业自动化是指通过计算机、仪器仪表和执行器等技术手段，对工业生产过程进行监测、控制和优化，以提高生产效率、降低成本和改善产品质量。
在工业自动化系统中，计算机控制技术起到了至关重要的作用。
一、计算机控制技术的基本原理和分类1.1 基本原理计算机控制技术是指利用计算机进行物理过程的控制，主要包括采集过程的信息、处理这些信息并对物理过程进行控制的三个环节。
其中，信息采集是指通过传感器等设备，将物理过程的信息转换成计算机可以处理的电信号；信息处理是指利用计算机对采集到的信息进行运算和处理；控制是指计算机根据处理后的信息，通过执行器等设备对物理过程进行干预和调节。
1.2 分类根据计算机控制技术的不同特点和应用领域，可以将其分为以下几类：1.2.1 逻辑控制技术逻辑控制技术是利用计算机对离散事件进行控制的技术，常用于开关控制、计时器等。
逻辑控制技术通过编写逻辑控制程序，根据输入的条件决定输出的动作，实现对工业过程的控制。
1.2.2 过程控制技术过程控制技术是利用计算机对连续过程进行控制的技术，常用于流程控制、温度控制等。
过程控制技术通过采集过程的信息，对其进行处理和分析，并根据处理结果对过程进行控制，实现对工业过程的自动化控制。
1.2.3 模型预测控制技术模型预测控制技术是利用数学模型对系统进行建模，并通过对模型进行预测和优化来实现对工业过程的控制。
模型预测控制技术可以对工业过程进行长期的预测和优化，以达到最佳的控制效果。
二、计算机控制技术在工业自动化中的应用2.1 生产线控制生产线控制是指利用计算机控制技术对生产线上的设备和工艺进行控制，以实现生产过程的自动化。
通过在生产线上布置传感器和执行器等设备，采集生产过程的信息并对其进行处理和控制，可以提高生产效率、降低成本，并提高产品质量的稳定性。
2.2 机器人控制机器人控制是指利用计算机控制技术对机器人进行控制，实现其灵活和自主的工作能力。
自动控制原理
直流电动机速度自动控制的原理结构 图如图1-1所示。图中，电位器电压为输 入信号。测速发电机是电动机转速的测量 元件。图1-1中，代表电动机转速变化的 测速发电机电压送到输入端与电位器电压 进行比较，两者的差值（又称偏差信号） 控制功率放大器（控制器），控制器的输 出控制电动机的转速，这就形成了电动机 转速自动控制系统。
(三)、大系统控制理论阶段 20世纪70年代开始，出现了一些新的控制 方法和理论。如（1）现代频域方法，该方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多 变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该 方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控 对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线 确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该 方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设 计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确 定性；
• 3．复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一 种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干 扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰 能力。
图1-5 复合控制系统框图
• 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量 产生不利影响所同时及时提供控制作用以抵消此不利 影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信 号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两者的 结合既能得到高精度控制，又能提高抗干扰能力。
• 2．闭环控制系统 系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统， 叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 “闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小 系统误差如图1-4所示。
手
图纸
微型 计算机
放大器
执行机构
工作机 床
位移
切削刀 具
反馈测量元件
图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
PLC的基本组成和工作原理
PLC的基本组成和工作原理PLC（Programmable Logic Controller）是一种用于实现工业自动化控制的计算机控制系统。
其组成和工作原理如下。
1.基本组成PLC系统通常由中央处理器CPU、内存模块、输入模块、输出模块和通信模块组成。
-中央处理器（CPU）：是PLC系统的核心部件，负责执行控制程序并进行数据处理和逻辑运算。
-内存模块：用于存储程序代码、数据和中间结果等信息。
-输入模块：负责接收来自外部的传感器、开关等输入信号，并将其转换为数字信号供CPU处理。
-输出模块：负责将CPU处理后的数字信号转换为电流、电压等输出信号，控制执行器、驱动器等执行设备。
-通信模块：用于与其他PLC系统、计算机或设备进行数据交换和通信。
2.工作原理PLC系统的工作原理可以分为五个步骤：扫描输入、执行程序、更新输出、循环扫描和通信。
-扫描输入：将输入模块接收到的外部信号转换为数字信号，并存储在内存中。
这些外部信号通常来自传感器、开关等设备，如温度传感器、按钮开关等。
-执行程序：CPU根据存储在内存中的控制程序进行逻辑运算和数据处理。
控制程序通常由用户通过编程语言编写，用于实现控制逻辑和算法。
-更新输出：根据CPU执行程序的结果，将输出信号存储在内存中。
输出模块将内存中的数字信号转换为电流、电压等输出信号，控制执行设备的执行器、驱动器等，如电机、电磁阀等。
-循环扫描：PLC系统以循环的方式不断扫描输入、执行程序和更新输出的过程，实现对工业控制系统的持续监测和控制。
-通信：PLC系统可以通过通信模块与其他PLC系统、计算机或设备进行数据交换和通信，实现远程监测和控制。
PLC系统的工作原理可以通过一个简单的例子来说明。
假设有一个自动灯控系统，根据光照强度自动控制灯的开关。
传感器将光照强度转换为输入信号，并将其传递给PLC系统的输入模块。
CPU执行存储在内存中的控制程序，判断光照强度是否低于设定值。
如果低于设定值，则CPU更新内存中的输出信号。
精品文档-自动控制原理(李素玲)-第1章
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(5)执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控 量发生变化。用来作为执行元件的有阀门、电动机、液压电 动机等。
(6)校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调 整的元部件，用串联或并联(反馈)的方式连接于系统中，以 改善系统的性能。最简单的校正元件是电阻、电容组成的无 源或有源网络，复杂的则可用计算机构成数字控制器。
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(6)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端 的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
(7)偏差量：给定量与主反馈信号之差。 (8)自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连 接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。
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1.2.2 自动控制系统的基本组成 自动控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以有
各种不同的结构形式。但是，从工作原理来看，自动控制系 统通常是由一些具有不同职能的基本元件所组成。图1-3所 示为典型的反馈控制系统的基本组成，图中各元件的职能如 下：
19 图1-3 反馈控制系统的基本组成
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(1)给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的 系统输入量。给定元件一般为电位器。
24 图1-4 开环直流调速系统
25 图1-5 开环直流调速系统方框图
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图1-4中开环系统的输入量是给定电压ug，输出量是转 速n。电动机励磁电压为常数，采用电枢控制方式。调整给 定电位器滑臂的位置，可得到不同的给定电压ug，放大后得 到不同的电枢电压ua，从而控制电机转速n。当负载转矩不变 时，给定电压ug与电机转速n有一一对应关系。因此，可由给 定电压直接控制电动机转速。如果出现扰动，如负载转矩增 加，电动机转速便随之降低而偏离要求值。
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1.人工控制 如图1-1所示为人工控制水位保持恒定的供水系统。水 池中的水源源不断地经出水管道流出，以供用户使用。随着 用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水 位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。因 此，进水阀门的开度是根据实际水位的多少进行操作的。上 述过程由人工操作实现的正确步骤是：操作人员首先将要求 水位牢记在大脑中，然后用眼睛和测量工具测量水池的实际 水位，并将实际水位与要求水位在大脑中进行比较、计算， 从而得出误差值；再按照误差的大小和正负性质，由大脑指 挥手去调节进水阀门的开度，使实际水位尽量与要求水位相 等。
自动控制原理实验（1）
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S U s G i O 1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制原理实验(1)
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制系统原理
2 自动控制系统原理自动控制是利用控制系统使被控对象或是生产过程自动按照预定的目标运转所进行的控制活动。
理想的自动控制过程是，在线自动检测对象参数，与设定参数比较，得到偏差后，立即进行比例、积分和微分调节运算，然后调整过程对象，使其快速平稳达到期望状态。
但实际检测存在滞后，执行机构和控制对象也存在惯性，控制对象的状态只能缓慢改变，由此造成调节过头而出现振荡。
对自动控制系统性质分析就能减少振荡，快速稳定。
2.1 自动控制系统基本组成和控制原理2.1.1 控制系统基本原理2.1.1.1 开环控制系统最简单的生产控制环节是由生产过程和人组成的，现以轧机压下位置的控制为例进行说明。
在人工控制轧制时，首先依据预期的出口厚度，由人估计辊缝数值（考虑弹跳），去调节压下螺丝，将轧辊辊缝移动到预期位置，进行轧制，轧出来的轧件接近预期的出口厚度。
这里给定的压下位置代表控制量，轧后轧件的厚度代表输出量或称为被控量。
一定的压下位置就对应着一定的轧出厚度。
但在辊缝不变的条件下，如果来料厚度不均、材质不均或表面摩擦状态发生变化，会使轧制力波动，造成轧机（轧辊挠曲、立柱等受力部件）弹性变形不同，引起辊缝发生变化，因而轧出的轧件厚度也就发生变化。
在这一轧制过程中，输出量对轧制量没有任何控制影响。
这种输出量不会返回影响过程的直接控制系统称为开环控制系统。
图2-1a所示为直接控制系统框图，输入量即为控制量，发出控制作用给被控制部分，而被控制部分并不将控制结果返回到控制端。
图2-1 开环控制系统方框图图2-1b所示为前馈控制，控制部分依据对输入量的检测，计算出控制量，发送到被控制部分，对输入量进行控制。
如轧制的前馈厚度控制，其方法是检测来料厚度，按固定算法计算辊缝，输出给压下装置进行辊缝设定，也是不涉及轧出厚度到底是多少，即没有将输出量反馈回来与给定量进行比较。
这类开环控制系统的精度便取决于该系统初始模型精度以及系统各部件的执行精度。
自动控制技术在工业领域中的应用
自动控制技术在工业领域中的应用自动控制技术是现代工业生产的重要组成部分。
它是指通过计算机、机器人、传感器等技术手段，自动化地实现生产过程中的控制和管理。
这种技术已经被广泛应用于许多领域，包括化工、机械、电子、食品加工等。
本文将重点介绍自动控制技术在工业领域中的应用。
第一部分：自动控制技术的基本原理自动控制技术是靠计算机、机器人、传感器等自动化设备进行实时监测和控制。
这些设备可以检测到生产线上的各种参数，例如温度、湿度、压力等。
计算机会根据这些参数的反馈来控制生产过程，实现优化控制。
自动控制技术可以提高生产效率、降低成本、减少人为误差。
第二部分：自动化生产在制造业中的应用在制造业中，自动化生产已经成为一种必要的趋势。
通过自动化生产，可以实现零故障、高效率的生产过程。
在汽车制造中，机器人可以完成焊接、喷漆、装配等工作。
在食品加工中，自动化生产可以提高生产效率和食品质量。
在制药业中，自动化生产可以减少药品生产的交叉感染风险。
第三部分：自动化仓储在物流中的应用近年来，自动化仓储在物流行业中的应用逐渐增多。
通过自动化仓储，可以提高仓库的利用率和存取速度。
自动化仓储系统可以根据需要自动存储和检索货物，减少了人与货物的接触，降低了操作风险。
在互联网时代，自动化仓储也可以通过物联网设备实现远程监控和管理。
第四部分：自动化生产在环保中的应用自动化生产在环保中的应用也越来越普及。
通过自动化生产，可以减少环境污染，降低企业的能耗与碳排放。
在化工厂中，自动化设备可以实现污染排放的实时监测和控制。
在水处理厂中，自动化设备可以将治理过程实现自动化，降低了人工干预的误差。
第五部分：自动控制技术的未来展望随着科技的发展，自动控制技术在未来也将得到更广泛的应用。
现代工业已经步入了智能制造的新时代。
自动控制技术将成为智能制造的基础。
未来，计算机、机器人和传感器的性能和功能将得到进一步提升，自动控制技术将能更好地满足人类社会对生产和服务的需求。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
自动控制系统的工作原理
自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控 制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象） 的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。
◆ 被控对象：控制系统要进行控制的受控客体 ◆ 被控量：控制对象要实现的物理量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航 迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、 湿度等。
闭环控制系统框图
干扰量
输入量 输出量 被控量
控制器
控制对象
反馈回路
测量元件
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给定装置
－ ＋
Hale Waihona Puke 给定电压放大器 电机M
减速器
e
－ ＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
调压器 220～
给定电压
e
-
放 大 器
电 动 机
减 速 器
调 压 器
恒 温 炉
期望炉温
热电偶
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工作原理：
当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度 一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电 动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出 现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经 放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移 动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高， 趋于希望值。
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1.2 自动控制系统的工作原理
系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制
约，组成一个具有一 定运动规律的整体。 控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统，由被控对象和控制器构成的整体。 自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器 为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能 的来源： 1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。 2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态 的信息。
861自动控制原理
861自动控制原理861自动控制原理是指应用于工业系统的控制原理。
它是将传感器、执行器及计算机技术相结合，通过自动化装置实现对工业系统的自动控制。
861自动控制原理涉及到信号的采集、传输、处理及控制执行的过程。
下面将从控制系统的基本概念、控制系统组成、控制环节以及自动控制原理的应用等方面进行具体阐述。
一、控制系统的基本概念控制系统是指通过改变系统的状态或输出来实现对系统的控制的一种装置或机构。
它包括输入、输出、反馈、控制器和执行器等组成部分。
其中输入是指控制系统接受的输入信号，输出是指控制系统输出的控制信号。
反馈则是指从输出到输入的信号，用于补偿和校正输入信号以实现系统的稳定。
控制器是指根据输入信号和反馈信号，对输出信号进行处理的装置。
而执行器则是根据控制器的输出信号，实现对被控对象的控制。
二、控制系统的组成控制系统主要由四个主要部分组成：传感器、控制器、执行器和被控对象。
其中传感器主要负责采集被控对象的状态，并将其转换为对应的电信号。
控制器则根据传感器提供的信号进行处理，最终得到输出信号。
执行器则根据控制器的输出信号控制被控对象，达到所需的控制目的。
三、控制环节控制环节是指控制系统中的各个环节或阶段。
具体包括感知环节、决策环节和执行环节。
感知环节是指通过传感器采集外部信息，并将其转换为数字信号。
决策环节是指根据传感器采集的信息进行处理，并通过算法和逻辑判断来确定控制策略。
执行环节则是根据决策环节的输出，控制执行器对被控对象进行控制。
四、自动控制原理的应用自动控制原理广泛应用于各种工业系统中，如生产线控制、机器人控制、自动化仓储系统等。
在生产线控制中，自动控制原理可以实现对生产线的自动化控制，提高生产效率和质量。
在机器人控制中，自动控制原理可以实现机器人的自动路径规划和动作控制，实现自主运动和操作。
在自动化仓储系统中，自动控制原理可以实现对货物的自动入库、出库和分拣，提高工作效率和减少人工成本。
自动控制原理--离散系统的数字校正
最少拍统设计
• 设计要求：系统在稳定的基础上，必须满足： • ① 对典型输入函数，输出在采样时刻上无稳
态误差； • ② 过渡过程（函数）在最少个采样周期内结
束。
• 1. 稳定性
• 一个稳定系统的脉冲传递函数的特征方程 的根，必须全部位于单位圆内。如果G(z)中 包含有单位圆上或单位圆外的零点或极点时， 必须通过选择，使它们能抵消G(z)中的不稳 定零,极点。
1、间接设计法
先按连续系统进行设计，然后将所设计的模拟控制器 离散化得到数字控制器。 2、根轨迹法和频率法
根轨迹法和频率法在离散系统中的推广。将控制对象 离散化，并用离散系统理论在z平面或w平面上进行设计的 两种直接设计方法
3、直接数字设计法
直接根据离散系统理论在z域进行综合的解析方法。
最少拍离散控制系统的设计
8.7 离散控制系统的数字校正
控制系统在某些方面不能满足要求时， 必须对系统加以校正，并应设计使系统满 足要求的校正装置。在离散控制系统中， 大多用数字计算机来实现，只要改变计算 机程序就可以改变校正装置的形式和参数。 计算机还可以完成较复杂的运算，使系统 的性能得到极大的改善。
线性离散系统的设计方法：
• 方法：
• 在 1 (z) 中，以零点的形式把G(z)的不稳 定极点包含在内；
• 在 (z) 中，以零点的形式把G(z)的不稳定零 点包含在内；
• 2. 典型输入信号
• 最少拍系统的设计, 是针对典型输入作用进行的. 常见的典型输入, 有单位阶跃函数、单位速度函 数和单位加速度函数。误差传递函数与系统输入 类型的关系。典型的输入信号一般为：
三种输入的Z变换可以看出，它们都可用下式表示 :
R(z)
(1
自动控制原理
西安邮电学院自动化学院
5
5
第三节 自动控制组成及分类
控制系统的组成
比较 元件 r(t) + e(t) 输入 信号 偏差 - 信号
扰动
串联 校正元件
+
放大元件
-
执行元件
控制对象
C(t)
输 出
主反馈信号
并联校正元件
局部反馈
测量元件
主反馈
典型自动控制系统方块图
XI’AN UNIVERSITY OF POSTS & TELECOMUNICATION
西安邮电学院自动化学院
开环控制系统
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XI’AN UNIVERSITY OF POSTS & TELECOMUNICATION
西安邮电学院自动化学院
第三节 自动控制组成及分类
开环控制
特点： 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 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
西安邮电学院
自动控制原理
Principles of Automatic Control
自动化学院
第一节 自动控制概述
为什么需要自动控制？ 什么是自动控制、自动控制系统？
自动控制理论体系
自动控制系统的基本结构
自动控制系统的主要定义
XI’AN UNIVERSITY OF POSTS & TELECOMUNICATION
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XI’AN UNIVERSITY OF POSTS & TELECOMUNICATION
西安邮电学院自动化学院
自动控制系统示例
下图为锅炉液位控制系统的方框图
自动控制原理-第10章 计算机控制系统
第10章计算机控制系统从控制系统中信号的形式来划分控制系统的类型，可以把控制系统划分为连续控制系统和离散控制系统，在前面各章所研究的控制系统中，各个变量都是时间的连续函数，称为连续控制系统。
当控制系统中有一部分信号不是时间的连续函数，而是一组离散的脉冲序列或数字序列，这样的系统称为离散控制系统。
离散控制系统又分为采样控制系统和数字控制系统两种类型。
如果系统中的离散信号是由采样器经采样获得的脉冲序列，则这样的离散系统就是采样控制系统；如果离散信号是由数字元件产生的数字序列，则这样的离散系统就是数字控制系统。
一般来说，在采样控制系统中，控制器信号是离散的脉冲序列，而受控对象信号是连续的模拟信号。
因此，在这类系统中，必然存在着从连续模拟信号到离散脉冲信号和从离散脉冲信号到连续模拟信号的变换过程。
从连续模拟信号到离散脉冲序列信号的变换过程称为信号的采样过程，简称采样，实现采样的元件称为采样器或采样开关。
从离散脉冲信号到连续模拟信号的变换过程称为信号的复现过程，信号的复现过程是由被称为保持器的元件完成的。
数字控制系统是以计算机为控制器的闭环控制系统，又称为计算控制系统。
在数字控制系统中，控制器信号是离散的数字序列，而受控对象信号是连续的模拟信号。
因此，在这类系统中，必然存在着从连续模拟信号到离散数字信号和从离散数字信号到连续模拟信号的变换过程。
从连续模拟信号到离散数字信号的转换过程称为模/数（A/D）转换，用A/D转换器完成。
从离散数字信号到连续模拟信号的变换过程称为数/模（D/A）转换，用D/A转换器完成。
离散系统与连续系统相比，有许多分析研究方面的相似性。
利用z变换法研究离散系统，可以把连续系统中的许多概念和方法，推广应用于离散系统。
本章首先给出线性离散控制系统的组成、信号采样和保持、离散系统的数学描述，然后介绍z变换理论和脉冲传递函数，最后研究线性离散系统稳定性、稳态误差、动态性能的分析与综合方法。
自动控制原理 第一章
钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—标志阶段 经典控制理论 标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用 使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、 农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动 化控制技术。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切 要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。 – 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研 究。 – 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论 。它的发展大致 经历了以下几个过程： –萌芽阶段 萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段 发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论--萌芽阶段 经典控制理论 萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和 对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制 自动控制智慧火 自动控制 花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽 萌芽。 萌芽
– 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环 开环自动 指南车 开环 调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论 起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世 十八世 纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调 节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 蒸汽锅炉水位调节器等；
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计算机在自动控制的应用
一）计算机自动控制的原理
所谓的计算机自动控制是指在传递函数的基础上，对单一输入和输出等线性常数等内容进行分析。
对于一个比较复杂的对象来说，要想实现对其控制首先要设定与被控对象的关联方式，这个关联方式就是自动控制系统。
自动控制系统中最重要的物理量是被控对象的输出量，对于控制对象来说，则有反馈装置来进行信息反馈。
控制装置是根据反馈装置提供的信息来调整控制量的输出，保证控制的准确度。
二）计算机自动控制的特点
随着信息时代的到来，自动控制无论是对于工业生产还是日常生活，都具有重要的创新意义。
计算机能够同时储存大量的数据并且快速处理数据，因此在设备自动化和智能化发展的过程中，利用计算机来代替人工控制是非常正确的选择。
计算机控制有着明显的优势，首先计算机控制不存在固定的模式和规律，具有较强的多样性，其次计算机不仅能够实现对设备的控制，还能够通过实时信息进行优质管理，进一步提高了工作效率；再者计算机控制能够节约管理成本，并且提高经济收益；最后一点就是计算机能够灵活的根据设备现场的工作状态，灵活调整设备的工作参数，最大程度的保证设备能够处于设备处于最佳的工作状态。
三）计算机自动控制的意义
设备装置的进步，有力促进了我国诸多行业的发展，在当代设备日渐智能化和系统化的发展趋势下，自动化控制设备的可靠性成为设备生产商和用户最为关注的问题。
由于电子自动化控制设备在实际应用中面临多样性的工作环境，因此控制设备必须具备一定程度的可靠性。
就自动化控制设备中的自动控制开关分析，由于开关通常被用于车载和军事，因此开关在工作中必定会面临高湿度，低温以及撞击等问题的考验，为保障自动化控制设备的正常运行，开关必须具备高水平的可靠性。
自动化控制设备在过程中，由于无法开展设备的深度检修，只能进行简要的部件维护，因此提高设备的可靠性是十分必要的。
四）计算机自动控制概述
计算机自动控制一般的机器是由人控制的，人给机器一个指令，机器就完，成一个操作。
计算机的操作也是受人控制的，但由于计算机具有内部存储能力，可以将指令事先输入到计算机存储起来，在计算机开始工作以后，从存储单元中依次去取指令，用来控制计算机的操作，从而使人们可以不必干预计算机的工作，实现操作的自动化。
五）计算机控制的系统特点
自动控制对于我国工业、农业和科学技术的发展有着越来越重要的地位。
不仅在宇航导弹制导系统中、核技术以及火器控制等军事方面有着紧密的联系，逐渐已经密不可分，在金属冶炼、仪器制造和一般工业生产方面都有着相关的影响，为实现工业的自动化控制、改善劳动条件、提供经济建设等方面都贡献着自身价值。
计算机本身有着较大的存储功能，较强的逻辑判断能力及较快的运算速度，计算机控制可以帮助自动控制中实际的困难，解决相关的问题瓶颈，可以提升自动控制的性能指标。
六）计算机控制系统的应用类型
数据采集系统在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。
它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。