控制系统分析与设计第章

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第章可编程控制器系统设计与应用详细

第一章：可编程控制器系统简介什么是可编程控制器系统？可编程控制器系统是一种应用于自动化领域的控制系统。

它包含许多可编程控制器、执行器、传感器和接口，通过编程控制硬件设备的运行状态，达到自动化控制的目的。

可编程控制器系统的主要组成部分可编程控制器系统主要包括以下组成部分：1.可编程控制器（PLC）：PLC是可编程控制器系统的核心，它是一种特殊的计算机，通过编程实现对自动化设备的控制。

2.执行器：执行器是指控制系统中用于执行各种操作的设备，比如电机、阀门、气缸等。

3.传感器：传感器主要用于感知环境信息，比如温度、湿度、压力、重量等。

4.接口：接口是指用于实现不同硬件设备之间的通讯和协作的技术手段。

可编程控制器系统的应用场景可编程控制器系统广泛应用于各个领域，比如工业自动化、交通运输、航空航天、物流配送等。

其中，工业自动化是可编程控制器系统最为广泛的应用领域之一，比如生产线控制、化工厂控制、水泥厂控制等。

可编程控制器系统的特点可编程控制器系统具有以下特点：1.稳定可靠：可编程控制器系统经过严格设计和测试，具有很高的稳定性和可靠性。

2.易于维护：可编程控制器系统采用模块化设计，故障出现时可以很容易地进行诊断和修复。

3.高效节能：可编程控制器系统通过设备的精细控制，可以减少能耗和资源浪费，达到高效节能的目的。

4.灵活可编程：可编程控制器系统可以根据不同的控制需求，设计不同的控制程序，从而实现灵活控制。

可编程控制器系统的优势和劣势可编程控制器系统的优势如下：1.可以实现高效节能：可编程控制器系统可以通过对设备的精细控制，实现高效节能的目的。

2.易于维护和升级：可编程控制器系统采用模块化设计，故障出现时可以很容易地进行诊断和修复，也可以方便地升级和扩展。

3.控制精度高：可编程控制器系统可以根据需要进行精细控制，从而实现更高的控制精度。

可编程控制器系统的劣势如下：1.成本高：可编程控制器系统的硬件设备和软件开发成本相对较高。

第二章自动控制系统基本知识

例2-11 如前所述描写炉温控制系统的微分方程为
T d 2T0 dt 2 + dT0 du d + kT0 = K d dt dt
设ud为单位阶跃函数，有
0 u d = 1(t ) = 1
t<0 t >0
用经典法求解如下
求方程的通解，它的特征方程为：
Tr 2 + r + k = 0
方程的通解为：
为解决非线性系统或环节线性化问题，在工程上，常常在一定条件下，或一定范围内，用增量方程代替非线性方程，即非线性方程的线性化，此方法为小偏差线性化。
A
0
o
O
O
0
(a)分段处理法
(b)小偏差线性法
如图所示铁心线圈，设u为输入量，i为输出量，试列写线性化方程。
i
O
A
i
(a )
铁心线圈小偏差线性化微分方程:
所以：
RC
dT1 + T1 = RQ1 + T2 dt
T
dT1 + T1 = KQ1 dt
例2－5
如图所示电炉加热器。它由电炉和加热容器组成，设容器内水的温度为T1，T1要求保持不变，所以T1为被控参数，即T1为该温度对象的输出量，而对象的输入量为电炉供给水的热量Q1，水通过保温材料向周围空气的散热量为Q2，当Q1=Q2时，T1保持不变，当Q1≠Q2时，T1发生变化，求其微分方程式。
(b )
di L + Ri = u dt
2.4 自动控制系统运动方程的建立自动控制系统是由若干环节组成，怎样获得整个自动控制系统的运动方程呢？一般采用如下方法： 1.列出系统的结构方块图，首先根据系统的实际构成画出结构方块图，在图中标出各方块（环节）的输入、输出量以及系统的给定、扰动、被控制量等，然后简化成原则性方块图。 2.列写系统中各方块图中各功能元件的微分方程。 3.根据方块图相互连接关系，消去中间变量，得到系统输入、输出量的微分方程。

毕业设计基于LabVIEW控制系统分析与设计

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是一款出众的虚拟仪器软件开发工具。它拥有其卓越的人机界面、强大而易于实现的数据采集功能和图形化编程语言等众多优点，在测控领域愈来愈受到工程师的重视。
本文在LabVIEW的控制设计包和仿真模块的基础上，研究了如何在LabVIEW平台上对典型控制系统进行设计与仿真。首先介绍了LabVIEW的使用，然后研究了受控对象的数学建模与分析，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ研究了控制器的设计和PID控制器参数自整定的方法，最后对动态系统进行了仿真，包括离线和在线仿真。
毕业论文
题目：基于LabVIEW的控制系统分析与设计
基于LabVIEW的控制系统分析与设计
摘要
现代科技的发展日新月异，在工业自动化和测试及测量领域，传统的仪器功能固定且由厂商定义，已经不能适应时代发展的需要。而虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）则可以由用户定义，用软件来实现硬件仪器，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的局面，引起了仪器和自动化工业的一场革命。虚拟仪器既具有传统仪器的功能，又有独特的灵活性，它能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。
在自动控制领域，随着控制原理迅速的发展，受控对象和系统的复杂化，工业生产过程对控制的精度要求越来越高，控制算法越来越复杂，控制器的设计也越来越困难，这就需要借助计算机来实现控制系统的计算机辅助设计（Computer-Aid Control System Design，缩写为CACSD）。其主要的内容包括利用计算机进行模型的建立和分析、控制器设计、系统仿真等。而LabVIEW以其卓越的人机界面、强大而易于实现的数据采集功能，加上框图式的程序编写过程，使其成为实现控制系统计算机辅助设计的理想选择。

第02章控制系统基本组成环节特性分析

a t
1
h(t) Ka (1 e
) 0 . 632 Ka

t T
)
其阶跃响应曲线
h(t)
0.632h()
h()
T
（2）时间常数T对过渡过程的影响
一般用时间常数T来描述对象对输入响应的快慢程度，不同对象，时间常数T不同。
qi
以一阶线性水槽为例，其传递函数：
H(s) K Ts 1
2.1.4 描述对象特性的参数及其对过渡过程的影响
对象模型由三个基本参数决定：放大系数K、时间常数T、滞后时间τ 一、放大系数 K及其对过渡过程的影响典型的微分方程
（1）放大系数K基本概念以一阶线性对象为例典型的阶跃响应曲线
qi
a
T
dh dt
h K qi
典型的传递函数
H (s) Q i (s ) K Ts 1
二、建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模
实验建模 ——在所要研究的对象上，人为的施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为系统辨识。其主要特点：是把被研究的对象视为一个黑箱子，不管其内部机理如何，完全从外部特性上来测试和描述对象的动态特性。对于一些内部机理复杂的对象，实验建模比机理建模要简单、省力。
问题：求右图所示的对象模型（输入输出模型）。解：该对象的输入量为qi 被控变量为液位h2 （同样利用物料平衡方程）
槽1： A1 槽2： A 2
qi
A1 h1
R1 q1
d h1 dt
q i q1

自动控制系统第一二章习题解答

习题课N N NN N NN N n D n n D s c s n s n D n n n n n S n n D ∆+∆=↓⇒↓=∆-∆=∆+∆=∆==D s n )1(N min 0min maxkn C I R n op e d op +∆=∆=∆∑1n cl opcl op op cl op D k s s ks n n )1(D 1s cl cl 00+==+== e s p C K K k α=第一章闭环控制的直流调速系统1－1 为什么PWM —电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM —电动机系统（1）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。

（3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。

（4）无需加电抗器，主回路电磁时间常数TL 小。

1-4 11135148515150151500min 0max 0min max ==--=∆-∆-==N N n n n n n n D1-694.116311513011113.4831168301151n 1111n ns 11)1( D )1(11n n 1n 1n 1212cl121212cl2cl12112122cl21112cl2cl12cl21cl1==++=++==⨯=⨯++=∆++=∆++=∆∆=++=+=+=++=∆∆+∆=∆+∆=∆k k D D k k n k k s k k D D D k D k D k k k n k n cl cl cl cl cl opop cl op op1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min ，要求系统的静差率，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？解7.31106.310011min /06.302.0102.01501min min 0min max =-=-∆∆=+∆=∆=-⨯=-=∆∆+∆=∆==cl op op cl N NN N n n K Kn n r s s n n n n n n n S n n D 1－7 某调速系统的调速范围D=20，额定转速nN ，=1500r/min,开环转速降落为240r/min ，若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变化？解； s=0.1时，8.27133.82401min /33.8)1.01(201.01500)1(=-=-∆∆==-⨯⨯=-=∆cl op N N n n K r s D s n n S=5%时，8.59195.32401min /95.3)05.01(2005.01500)1(=-=-∆∆==-⨯⨯=-=∆cl op N N n n K r s D s n n 1-10 有一V-M 调速系统，电动机参数为：,35k ,5.1R ,2.1R m in,/r 1500n ,A 5,12I ,V 220U ,KW 2.2P S REC s N N N N =Ω=Ω=====要求：（1）计算开环速降和调速要求所允许的闭环速降。

自动控制原理第1章_自动控制系统的基础知识

实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计）
第1章自动控制系统的基础知识
教学重点
了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求－稳定性、动态和稳态性能指标；学会自动控制系统的类型及本质特征。
●
1.2 自动控制系统的基本原理
1.自动控制系统的基本概念
自动控制：没有人的直接干预，利用控制装置使被控对象（如生产设备）的工作状态或被控制量按照预定的规律运行。 ● 自动控制系统：实现上述自动控制的目的，由相互联系和制约的各部件组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。
●
2.自动控制系统的组成
教学难点
自动控制系统的基本工作原理，自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型。
概述：在人类社会走向信息化的今天，计算机、通信、信息处理技术的发展对社会经济以及人类生活产生了巨大影响。其中，自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活和社会科学的各个领域。自控理论：自动控制理论就是研究自动控制共同规律的科学技术，自动控制原理仅是工程控制论中的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。本章内容：本章是自动控制技术及应用的基础，主要介绍自动控制的基本原理和概念，自动控制系统的组成和分类，以及自动控制系统的性能指标等。
●
2.现代控制理论
●
● ●
研究对象：多输入－多输出系统（线性定常或非线性时变）研究方法：状态空间方法代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼（动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等
3.大系统理论和智能控制

自控(第六版胡寿松)第三章

3.1
时间响应性能指标
3.2
3.3
一阶系统的时域响应
二阶系统的时域响应
3.4
3.5
系统的稳定性分析
系统稳态性能分析
2
3.1
时间响应性能指标
工程实际中，有些系统的输入信号是已知的（如恒值系统），但对有些控制系统来说，常常不能准确地知道其输入量是如何变化的（如随动系统）。
因此，为了方便系统的分析和设计，使各种控制系统有一个进行比较的统一的基础，需要选择一些典型试验信号作为系统的输入，然后比较各种系统对这些输入信号的响应。
11
y(t) p
1 0.5 0

稳态误差
td tr t p
ts
t
峰值时间tp：响应超过其稳态值到达第一个峰值所需时间。调节时间ts：响应到达并保持在稳态值内所需时间。超调量%：响应的最大偏离量h(tp)与稳态值h(∞)之差的百分比，即 h( t p ) h() % 100% h() 稳态性能：由稳态误差ess描述。
17
3.2.2 单位斜坡响应
设系统的输入为单位斜坡函数r(t)=t，其拉氏变换为 R( s ) 1 / s 2 则输出的拉氏变换为
C ( s) 1 1 1 T T 2 2 Ts 1 s s s s 1
t T
T
t T
r(t)=t
C ( t ) t T Te
R( s ) L[ r ( t )] A ( t )e st dt
0

A ( t )e dt A ( t )e st dt A
st 0 0
0

单位脉冲函数的拉氏变换为R(s)=1。

第2章连续控制系统的数学模型

第2章连续控制系统的数学模型2.1 控制系统数学模型的概念控制理论分析、设计控制系统的第一步是建立实际系统的数学模型。

所谓数学模型就是根据系统运动过程的物理、化学等规律，所写出的描述系统运动规律、特性、输出与输入关系的数学表达式。

建立描述控制系统的数学模型，是控制理论分析与设计的基础。

一个系统，无论它是机械的、电气的、热力的、液压的、还是化工的，都可以用微分方程加以描述。

对这些微分方程求解，就可以获得系统在输入作用下的响应（即系统的输出）。

对数学模型的要求是，既要能准确地反映系统的动态本质，又便于系统的分析和计算工作。

2.1.1 数学模型的类型数学模型是对系统运动规律的定量描述，表现为各种形式的数学表达式，从而具有不同的类型。

下面介绍几种主要类型。

1. 静态模型与动态模型根据数学模型的功能不同，数学模型具有不同的类型。

描述系统静态（工作状态不变或慢变过程）特性的模型，称为静态数学模型。

静态数学模型一般是以代数方程表示的，数学表达式中的变量不依赖于时间，是输入输出之间的稳态关系。

描述系统动态或瞬态特性的模型，称为动态数学模型。

动态数学模型中的变量依赖于时间，一般是微分方程等形式。

静态数学模型可以看成是动态数学模型的特殊情况。

2. 输入输出描述模型与内部描述模型描述系统输出与输入之间关系的数学模型称为输入输出描述模型，如微分方程、传递函数、频率特性等数学模型。

而状态空间模型描述了系统内部状态和系统输入、输出之间的关系，所以称为内部描述模型。

内部描述模型不仅描述了系统输入输出之间的关系，而且描述了系统内部信息传递关系，所以比输入输出模型更深入地揭示了系统的动态特性。

3. 连续时间模型与离散时间模型根据数学模型所描述的系统中的信号是否存在离散信号，数学模型分为连续时间模型和离散时间模型，简称连续模型和离散模型。

连续数学模型有微分方程、传递函数、状态空间表达式等。

离散数学模型有差分方程、Z传递函数、离散状态空间表达式等。

自动控制系统课程设计

自动控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握自动控制系统的基本概念、分类及工作原理，理解并能够描述典型自动控制系统的结构组成。

2. 使学生了解自动控制系统中常用的数学模型，并能够运用这些模型分析系统的性能。

3. 让学生掌握自动控制系统的性能指标及其计算方法，能够评价系统的稳定性、快速性和准确性。

技能目标：1. 培养学生运用数学工具进行自动控制系统建模、分析及设计的能力。

2. 使学生具备使用相关软件（如MATLAB等）进行自动控制系统仿真的技能。

3. 培养学生解决实际自动控制工程问题的能力，提高团队协作和沟通表达能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣和热情，激发他们探索未知、勇于创新的精神。

2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践，养成良好的学习习惯。

3. 增强学生的环保意识，让他们明白自动控制技术在节能、减排等方面的重要作用，提高社会责任感。

本课程针对高年级学生，结合自动控制系统的学科特点，注重理论联系实际，强调知识、技能和情感态度价值观的全面发展。

通过本课程的学习，使学生能够为从事自动控制领域的研究和实际工程应用打下坚实基础。

二、教学内容1. 自动控制系统概述：介绍自动控制系统的基本概念、分类、应用领域，使学生建立整体认识。

教材章节：第一章自动控制系统导论2. 自动控制系统的数学模型：讲解线性微分方程、传递函数、状态空间等数学模型，以及它们在自动控制系统中的应用。

教材章节：第二章自动控制系统的数学模型3. 自动控制系统的性能分析：讲解稳定性、快速性、准确性等性能指标，以及相应的计算方法。

教材章节：第三章自动控制系统的性能分析4. 自动控制系统的设计方法：介绍PID控制、状态反馈控制、最优控制等设计方法，培养学生实际设计能力。

教材章节：第四章自动控制系统的设计方法5. 自动控制系统仿真：结合MATLAB等软件，讲解自动控制系统仿真的基本方法。

教材章节：第五章自动控制系统仿真6. 自动控制系统的应用案例分析：分析典型自动控制系统的实际应用案例，提高学生解决实际问题的能力。

机电控制系统分析第二章

U 0 ( s) Z 2 ( s) U i ( s) Z1 ( s)
R2 R2 ( R1C1 s 1) 1 R1 C1 s 1 / R1
18
PD校正装置的传递函数也可以改写为
U o (s) Z 2 ( s) Gc ( s) U i (s) Z1 ( s ) ( K p Td s ) P D
30 Cm Ce —电机额定励磁下的转矩系数， N.m/A； π
23

微分方程
L Tl R
— 电枢回路电磁时间常数，s； —系统机电时间常数，s。
定义
GD2 R Tm 375 eCm C
代入，整理得
did ud0 e R(id Tl ) dt
Tm de id idL R dt
式中 idL
TL 为负载电流。 Cm
24

ห้องสมุดไป่ตู้
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) Tl s 1
(1)
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d (s) I dL (s) Tm s
4
2.1.2 线性系统
如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。叠加原理说明，两个不同的作用函数同时作用时，系统的响应等于两个作用函数单独作用时响应的和。因此，线性系统对几个输入量同时作用的响应可以一个一个地处理，然后对响应结果进行叠加。这一原理可使我们通过一些单解，构造出线性微分方程的复杂解。在动态系统的实验中，如果输入和输出量成正比，意味着满足叠加原理，因而可以把系统看成线性系统。

计算机控制技术第3章计算机控制系统分析

第3章计算机控制系统分析 y(t) 1.6 1.4
a b
1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t
第3章计算机控制系统分析
(2) 现将图中的保持器去掉，k=1，T=τ=1；则
G (z)
W (z)
0 . 632 z (1 z
由此可见，离散系统的时间响应是它各个极点时间响应的线性叠加。
第3章计算机控制系统分析
设系统有一个位于zi的单极点，则在单位脉冲作用下，当zi位于Z平面不同位置时，它所对应的脉冲响应序列如图所示。
jIm j -1 0 -j 1 Re
第3章计算机控制系统分析
极点在单位圆外的正实轴上，对应的暂态响应分量y(kT)单调发散。极点在单位圆与正实轴的交点，对应的暂态响应y(kT)是等幅的。
第3章计算机控制系统分析
离散系统的稳定性分析
jω [S] 0
1 对应关系
jIm j -1 0 [Z]
1
Re
2 直接稳定判断
δ
j
3 W变换，Routh稳定性判断
j
ω
0
[W]
δ
第3章计算机控制系统分析
离散系统的过渡响应分析
一个控制系统在外信号作用下从原有稳定状态变化到新的稳定状态的整个动态过程称之为控制系统的过渡过程。一般认为被控变量进入新稳态值附近±5% 或±3%的范围内就可以表明过渡过程已经结束。通常，线性离散系统的动态特征是系统在单位阶跃信号输入下的过渡过程特性(或者说系统的动态响应特性)。如果已知线性离散系统在阶跃输入下输出的Z变换Y(z)，那么，对Y(z)进行Z 反变换，就可获得动态响应y*(t)。将y*(t)连成光滑曲线，就可得到系统的动态性能指标（即超调量σ%与过渡过程时间ts）。

自动控制原理控制系统分析与设计-状态空间方法2——综合与设计

（对偶性）
状态观测器的闭环极点可任意配置的充要条件为
系统状态完全可观测
23
例：设系统的状态空间表达式为
1 1 0 1 x 1 1 0 x 0u
0 1 3 0
y 0 0 1x
状态方程同前面极点配置例
求状态观测器，使其特征值为 1 2 3 3
解：
C 0 0 1
Qo
CA
0
1
3
CA2 1 2 9
7
二、状态反馈与闭环极点配置
极点配置条件：
对于 x Ax Bu
y Cx
通过状态反馈 u r Kx
全部闭环极点的充要条件为：
系统状态完全可控
可任意配置
即状态可控的前提下，反馈系统特征方程
det[sI A BK ] ( s 1 )( s 2 ) ( s n )
的根可以任意设置。
8
例：设系统的状态方程为
41
基于观测器的状态反馈系统结构图（有输出端扰动）
74 1 B 29 0
12 0
x( t ) xˆ ( t )
程序：ac8no542
状态变量的收敛性1
状态变量的误差不→0
x1 xˆ 1
43
状态变量的收敛性2
状态变量的误差不→0
x2 xˆ 2
44
状态变量的收敛性3
状态变量的误差不→0
f * ( s ) ( s 3 )3 s3 9s2 27 s 27
令 f * ( s ) f ( s ) 得 h1 74 , h2 29 , h3 12
观测器的反馈系数阵为 H 74 29 12T
25
观测器的状态方程为 xˆ ( A HC )xˆ Bu Hy 1 1 74 1 74 1 1 29 xˆ 0u 29 y 0 1 9 0 12

第5章简单控制系统

G p ( s) Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
图5-6 由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统
12
5.2 简单控制系统的设计
过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算机和控制理论等多学科的综合。
13
在简单控制系统设计中的主要任务是： ——被控变量和操作（或控制）变量的选择 ——建立被控对象的数学模型 ——控制器的设计 ——测量变送装置的选型 ——执行器的选型
水位过低：则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；水位过高：生产的蒸汽含水量高，会影响蒸汽质量。锅炉汽包液位是一个重要的工艺参数。
4
为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值——汽包的液位； ② 把观察到的被控变量的值与设定值加以比较，根据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断； ③ 操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Gd ( s ) Y ( s) R( s ) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Y (s) R( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
42
●控制器的正反作用的确定
（实际控制器）×（执行器）×（被控对象）× （测量变送单元）=（-）
简化为：
(实际控制器)×(执行器)×(被控对象)=（-）
43
逻辑推理法和判别式法
(1) 逻辑推理法
44
45
控制信号u↑→蒸汽调节阀的开度↑→介质出口温度 y↑ 如果介质出口温度 y升高了，自动控制器就应减小其输出信号u 才能正确地起负反馈控制作用。控制器应置于反作用方式下。

线性控制系统分析与设计中文课件第5章

Fundamentals of Control Theory
Chap 5 System representation
Fundamentals of Control Theory
School of Mechanical Engineering
湖南工业大学机械工程学院
2014.9
Fundamentals of Control Theory
对于任何给定的反馈回路，开环传递函数定义为反馈通道B(s)的输出与反馈回路的作用信号E(s)之比。
B( s) G ( s) H ( s) E (s)
(5.8)
前向传递函数定义为被控量C(s)与作用信号E(s)之比。
C (s) G(s) E (s)
(5.9)
H(s)=1时，开环传递函数与前向传递函数相同。
C ( s) G ( s) R( s) 1 G ( s)
(5.6)
(5.7)
School of Mechanical Engineering
湖南工业大学机械工程学院
Fundamentals of Control Theory
Chap 5 System representation
5.3
总传递函数的确定
作用信号(actuating signal)e：来自于比较测量单元，并且等于参考输入减去主反馈。它通常具有很低的能量级，这种信号是产生操作变量的控制元件的输入。
School of Mechanical Engineering
湖南工业大学机械工程学院
Fundamentals of Control Theory
School of Mechanical Engineering
湖南工业大学机械工程学院

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

高中通用技术：第四章控制与设计教案

第四章控制与设计（一）本章重点知识阐述：（1）控制是人们根据自己的目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向发展。

这里所说的手段就是控制技术。

（2）简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。

其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节和比较环节。

（3）闭环控制系统是信息流经一个闭合环路，在其系统中将输出信息反传给比较环节的做法，称之为反馈。

开环控制系统是信息总是自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动，也就不存在闭环。

（4）干扰就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响，这种影响越小越好。

分析一个控制系统的干扰因素要分析控制系统易受到其外部环境或条件中的哪些因素的影响。

（5）控制系统的运行调试通常有以下几方面的内容，即：系统的试运行、系统参数的调整、其他问题的发现与解决。

（6）控制系统的评价与优化通常有以下几个方面内容，即系统方案的评价与优化，系统制作水平的评价与优化，系统的总体评价与优化等。

（二）基础知识再现：1、信息流经一个闭合环路，这类系统称之为。

此系统中将输出信息反传给比较环节的做法，称之为。

2、闭环控制系统与开环控制系统，是两类不同的系统。

从构成形式上看，二者的不同表现为。

从本质上讲，二者的不同在于。

3、简单的控制系统由两部分组成，即和。

其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括环节与环节。

4、开环控制系统的结构和原理比较简单，信息从输入端传到输出断，仅有一条路径。

它的最大缺点是不高；闭环控制系统的结构较为复杂，信息流经的路径有两条，它可以有较高的和较强的性能。

5、控制系统框图中，信息流经的路径叫做，对于闭环控制系统来说，有两个基本通道，那就是和。

6、在控制系统中，将控制器的信号转换成能影响被控对象的信号的装置，称为。

7、在人体温度控制系统中，皮肤相当于。

8、就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。

控制工程基础课后习题答案

根据频率响应的特性，设计控制系统。
详细描述
通过调整系统的传递函数，可以改变系统的频率响应特性。在设计控制系统时，我们需要根据实际需求，调整传递函数，使得系统的频率响应满足要求。例如，如果需要提高系统的动态性能，可以减小传递函数在高频段的增益。
06 第五章控制系统的稳定性分析
习题答案5-
习题答案
• 习题1答案：该题考查了控制系统的基本概念和组成。控制系统的基本组成包括被控对象、传感器、控制器和执行器等部分。被控对象是实际需要控制的物理系统或设备；传感器用于检测被控对象的输出状态，并将检测到的信号转换为可处理的电信号；控制器根据输入的指令信号和传感器的输出信号，按照一定的控制规律进行运算处理，并输出控制信号给执行器；执行器根据控制信号对被控对象进行控制操作，使其达到预定的状态或性能要求。
控制工程基础课后习题答案
目录
• 引言 • 第一章控制系统概述 • 第二章控制系统的数学模型 • 第三章控制系统的时域分析 • 第四章控制系统的频域分析 • 第五章控制系统的稳定性分析 • 第六章控制系统的校正与设计
01 引言
课程简介
01
控制工程基础是自动化和电气工程学科中的一门重要课程，主要涉及控制系统的基本原理、分析和设计方法。
总结词
控制系统校正的概念
详细描述
控制系统校正是指在系统原有基础上，通过加入适当的装置或元件，改变系统的传递函数或动态特性，以满足性能指标的要求。常见的校正方法有串联校正、并联校正和反馈校正等。校正装置通常安装在系统的某一环节，以减小对系统其他部分的影响。
习题答案6-
总结词
控制系统设计的一般步骤
习题答案5-
总结词

第2章自动控制系统分析基础

第2章自动控制系统分析基础
数学模型为线性微分方程式的控制系统称为线性系统。当线性微分方程式的系数是常数时，相应的控制系统称为线性定常系统。如果系统中存在非线性特性，则需要用非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。凡是能用微分方程式描述的系统，都是连续系统。如果系统中包含有数字计算机或数字元件，则要用差分方程描述系统，这种系统称为离散系统。
第2章自动控制系统分析基础
2.常用的拉氏变换法则(不作证明) 1) 线性性质拉氏变换也遵从线性函数的叠加定理。也就
是说，若f1(t)和f2(t)的拉氏变换分别是F1(s)和F2(s)， a为常数，则有
L［af1(t)+f2(t)］=aF1(s)+F2(s)
2) 微分定理原函数的导数的拉氏变换为
第2章自动控制系统分析基础 1.拉氏变换的定义
如果有一个以时间t为自变量的函数f(t)，它的定义域是t＞0，那么拉氏变换就是如下运算式：
F (s) f (t)estdt l
(2―2)
式中的s为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是：
(1)在t＜0时，f(t)＝0； (2)在t≥0时的任一有限区间内，f(t)是分段连续的；
上述方程式反映了输入量的增量Δx与输出量的增量Δy之间的关系，称为增量方程。因为控制系统
总是在工作点附近进行调节控制，因此人们关心的是稳态值附近的情况，即增量的情况，所以系统的数学模型可用增量形式表示。由于输入输出都是用增量形式表示的，因此Δ符号可以省略，所以原非线性方程式就简化为在非线性方程平衡工作点附近的一个近似线性表达式了。
第2章自动控制系统分析基础
(3) f (t)st dt 0 在实际工程中，上述条件通常是满足的。式

《计算机控制及网络技术》-第4章计算机控制系统分析

Ts
d 2 z exp 1 2 s
d z 2 s
s域到z域的映射
由于左半平面的σ为负值，所以左半s平面对应于｜z｜=eTσ<1 s平面的虚轴表示实部σ=0和虚部ω从-∞变到+∞，映射到z平面上，表示｜z｜=eTσ=e0=1，即单位圆上，和θ=Tω也从-∞变到+∞，即z在单位圆上逆时针旋转无限多圈。简单地说，就是s平面的虚轴在z平面的映射为一单位圆, 如图4.2所示。
第四章计算机控制系统分析
计算机控制系统要想正常工作，首先要满足稳定性条件，其次还要满足动态性能指标和稳态性能指标，这样才能在实际生产中应用。对计算机控制系统的稳定性、动态特性和稳态性能进行分析是研究计算机控制系统必不可少的过程。
4.1 计算机控制系统的稳定性分析
4.2 计算机控制系统的动态过程 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统根轨迹
修尔—科恩稳定判据
该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的途径。设离散控制系统的特征方程为
1 G( z ) 0
其中G(z)一般为两个多项式之比，用W(z)表示特征方程的分子，即
W ( z ) a n z n a n1 z n1 a1 z a0 0
把系数写成如下所示的行列式形式
s域到z域的映射
将s平面映射到z平面，并找出离散系统稳定时其闭环脉冲传递函数零、极点在z平面的分布规律，从而获得离散系统的稳定判据。令
s j
则有
S平面内频率相差采样频率整数倍的零点、极点都映射到Z平面同一位置
z e e
Ts
T ( j )
e e e e
T