第9章 自动控制理论的应用实例
自动控制原理-第9章 控制系统的非线性问题
9 控制系统的非线性问题9.1概述在物理世界中，理想的线性系统并不存在。
严格来讲，所有的控制系统都是非线性系统。
例如，由电子线路组成的放大元件，会在输出信号超过一定值后出现饱和现象。
当由电动机作为执行元件时，由于摩擦力矩和负载力矩的存在，只有在电枢电压达到一定值的时候，电动机才会转动，存在死区。
实际上，所有的物理元件都具有非线性特性。
如果一个控制系统包含一个或一个以上具有非线性特性的元件，则称这种系统为非线性系统，非线性系统的特性不能由微分方程来描述。
图9-1所示的伺服电机控制特性就是一种非线性特性，图中横坐标u 为电机的控制电压，纵坐标ω为电机的输出转速，如果伺服电动机工作在A 1OA 2区段，则伺服电机的控制电压与输出转速的关系近似为线性，因此可以把伺服电动机作为线性元件来处理。
但如果电动机的工作区间在B 1OB 2区段．那么就不能把伺服电动机再作为线性元件来处理，因为其静特性具有明显的非线性。
图9-1 伺服电动机特性9.1.1控制系统中的典型非线性特性的类型常见典型非线性特性有饱和非线性、间隙非线性、死区非线性、继电非线性等。
9.1.1.1饱和非线性控制系统中的放大环节及执行机构受到电源电压和功率的限制，都具有饱和特性。
如图9-2所示，其中a x a <<-的区域是线性范围，线性范围以外的区域是饱和区。
许多元件的运动范围由于受到能源、功率等条件的限制，也都有饱和非线性特性。
有时，工程上还人为引入饱和非线性特性以限制过载。
图9-2 饱和非线性9.1.1.2不灵敏区(死区)非线性控制系统中的测量元件、执行元件等一般都具有死区特性。
例如一些测量元件对微弱的输入量不敏感，电动机只有在输入信号增大到一定程度的时候才会转动等等。
如图9-3所示，其特性是输入信号在∆<<∆-x 区间时，输出信号为零。
超出此区间时，呈线性特性。
这种只有在输入量超过一定值后才有输出的特性称为不灵敏区非线性，其中区域∆<<∆-x 叫做不灵敏区或死区。
自动控制原理工程上的应用
自动控制原理工程上的应用简介自动控制原理是现代工程中非常重要的一门学科，涉及到工程系统的自动化控制和运行。
在工程实践中，自动控制原理被广泛应用于各个领域，包括机械、电子、化工、能源等。
本文将介绍自动控制原理在工程中的应用，并列举一些典型的实例。
应用领域自动控制原理广泛应用于以下领域：•工业生产：自动控制原理在工业生产中起到关键作用。
通过采用传感器和执行器，自动控制系统可以实时监测和调节生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量等，以保证生产的质量和效率。
•交通运输：自动控制原理应用于交通运输系统中，可以实现交通信号灯的智能控制、交通流量的调度、轨道交通的自动驾驶等功能，提高交通运输的安全性和效率。
•环境监测：自动控制原理被广泛应用于环境监测领域，可以通过传感器实时监测大气、土壤、水质等环境参数，并对其进行监控和调节，以保护环境和人类健康。
实例分析下面将列举几个典型的自动控制原理在工程中的应用实例：自动化生产线自动化生产线是自动控制原理在工业生产中的典型应用之一。
通过在生产线上设置传感器和执行器，可以实时监测和调节生产线上的各个环节，包括物料输送、加工、装配等。
通过自动控制系统的控制和调节，可以提高生产线的运行效率和产品质量，减少人工操作的错误和疲劳。
智能交通系统智能交通系统是自动控制原理在交通运输领域的典型应用之一。
通过在道路上设置传感器和控制装置，可以实时感知交通流量和交通状态，并根据实时情况调整交通信号灯的控制策略。
智能交通系统可以提高交通的安全性和效率，减少交通拥堵和交通事故的发生。
空调系统空调系统是自动控制原理在建筑工程中的典型应用之一。
通过在空调系统中设置传感器和执行器，可以实时监测和调节室内温度、湿度和空气质量等参数。
自动控制系统可以根据设定的温度、湿度等要求，自动调节空调的制冷、制热和送风等功能，使室内环境保持舒适。
总结自动控制原理在工程中的应用非常广泛，涵盖了多个领域，包括工业生产、交通运输、环境监测等。
自动控制原理自动化的应用举例
自动控制原理自动化的应用举例自动控制原理是一门基于控制理论的技术学科，涉及电控、机控、仪控、自动化工艺装备及其系统的控制原理和方法等，应用广泛，包括工业、交通、医疗、军事等领域。
自动化是指通过自动化设备和控制系统实现生产过程的全面自动化，从而提高生产效率、质量和可靠性，降低生产成本。
下面我们来看一些自动化应用的实例：1. 工业机器人工业机器人是指可以自动执行工业制造和加工任务的机器人。
它们采用自动控制原理和计算机控制系统，具有高效率、精度和可靠性等优点。
在汽车、电子、机械制造、冶金、化工等领域，工业机器人已经成为一种不可或缺的自动化工具。
2. 智能交通控制系统智能交通控制系统是将自动控制原理和计算机技术相结合，实现道路交通车流量、车速、路况等信息的采集和处理，以及交通信号、路灯、道路电器设备等的自动控制。
智能交通控制系统的实现，可以切实提高道路交通效率、安全性和节能降耗。
3. 智能家居系统智能家居系统是将自动控制原理应用于家庭内部装修，通过安装多种传感器和自动化设备，实现家居设备的自动控制和协调。
例如，可以通过程序控制家电开关、窗帘、空调温度等，从而提高家居生活的舒适感和便利性。
4. 机场自动化系统机场自动化系统是利用自动控制原理和计算机技术，实现机场航班管理、行李处理、旅客安检等一系列复杂工作的自动化。
机场自动化系统的实现，可以极大地提高机场的安全性、准确性和服务效率。
5. 医疗器械自动化医疗器械自动化指的是将自动控制原理应用于医疗设备上，例如医用注射器、输液装置、血压监测仪等，可以自动控制医疗设备的运转和工作，实现医疗过程的更高效和更加安全。
总的来看，自动控制原理和自动化技术的应用已经广泛渗透到工业、交通、住宅、医疗等多个领域。
随着科技的发展，自动化的应用将更加广泛和深入。
自动控制原理 第9章 自动控制理论的应用实例
第九章 自动控制理论的应用实 例
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
9.1 磁悬浮控制系统设计
9.1.1 磁悬浮系统应用背景
国内外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面，进展很快，以 从实验研究阶段转向试验运行阶段。在日本，已建成多条常导和超导型试验线路。 德国的埃姆斯兰特试验线长31.5km，研制成功TR07型时速450km的磁悬浮列车。 在取得一系列研究和试验结果后，1990年日本开始建造速度为500km/h、长 48.2km的超导磁悬浮列车路线。德国则在2005年建成柏林到汉堡之间284km的 常导型磁悬浮列车正式运营路线，其速度为420km/h。此外，法国、美国、加拿 大等国也在这方面进行了总多项目的研制和开发。
G0 (s) Ka 5.8929
（9.8）
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
磁悬浮系统的数学建模
5)系统平衡的边界条件
钢球处于平衡状态时，此时加速度等于零，得钢球此时所受的合力为零。同 时钢球受到向上的电磁力=小球自身的重力，即
mg F(i0,x0 ) 0 6) 系统模型线性化处理
Ks x(s) Kai(s)
(Ks / Ka ) As2 B
（9.13）
则可以看出系统有一个开环极点位于复平面的右半平面，根据系统稳定性 判据，即系统所有的开环极点必须位于复平面的左半平面时系统才稳定，所以磁 悬浮系统是不稳定的系统。
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第九章 自动控制理论的应用实例
14
自动控制原理基尔霍夫定律可知有如下关系
U (t) Ri(t) d (x,t) Ri(t) d[L(x)i(t)]
自动控制实例..
k4
Km s(T ms 1)
k5
q光
2 u 光 ( s) a W s( s) 2 2 u s ( s) s 2 a a s a
K K 4K 5K m
a a
1 2
K Tm 1 T mK
3、伺服连接式导引头跟踪状态方块图
q陀
陀螺测角 电位器
u光
放大 电路
H Kr T 1H K 0K 1K 2K r 1 2 H T 1K 0K 1K 2K r
其中:
K T
由于电子线路的时间常数较小,如0.0025s,回路传 递函数可进一步简化为: K ( s) I y q T s 1 其中:
T H K 0K 1K 2K r
4、同轴式导引头跟踪系统分析 简化回路的跟踪误差:
2、角位置陀螺仪和角速度陀螺仪滚转角稳定回路
r
放大器 角速度 陀螺 角位置 陀螺
实例1：飞行器滚动稳定回路
x
弹体
校正 网络
积分
r'
陀系统
放大器
由测速陀螺仪组成的反馈回路起阻尼作用， 使系统具有良好阻尼特性；由自由陀螺仪陀螺仪 K 组成的反馈回路稳定飞行器滚转角。 s (T s 1)
DX DX
输入量（给定量）：给定转速 输出量（被控量）：实际转速
常用绘图元件
TG
M
1、同轴式导引头跟踪回路框图
q
实例4、同轴式导引头跟踪回路
误差信 号处理 推挽 放大器
光学系统
调制器
探测器
Ig
q驼
陀螺仪
力矩 产生器
同轴式导引头跟踪回路框图
系统的输入信号:目标视线相对于基准线的夹角q, 系统的输出信号:误差信号处理电路的电信号Ig. 反馈信号:光学系统轴相对于基准线的夹角q驼.
自动控制原理的典型应用
自动控制原理的典型应用1. 概述自动控制原理是现代工程领域中的一门重要学科，它研究如何通过建立数学模型和使用控制算法来实现对系统的自动控制。
自动控制原理广泛应用于工业生产、交通运输、航天航空、能源领域等各个领域。
本文将介绍自动控制原理在实际应用中的典型案例。
2. 工业过程控制2.1 自动化生产线•自动化生产线是将传统的人工操作转变成自动化控制的工业生产方式。
它通过使用传感器、执行器和控制系统，实现对生产过程的自动化控制和监测。
•自动化生产线可以提高生产效率、降低劳动强度，并且可以实现对产品质量的稳定控制。
2.2 输送带控制系统•输送带控制系统是在生产线上用于将物料从一个位置传送到另一个位置的设备。
它通过控制电机和传感器实现对输送带的运行和停止。
•输送带控制系统可以根据产品需求自动调整传送速度，保证生产线的高效运行。
3. 交通运输领域3.1 轨道交通信号控制系统•轨道交通信号控制系统是用于控制轨道交通信号灯的自动化系统。
它通过感应车辆和行人的存在，实现对交通信号灯的自动控制。
•轨道交通信号控制系统可以提高交通流量的效率，减少交通拥堵，并且增强了道路交通的安全性。
3.2 自动驾驶系统•自动驾驶系统是一种基于自动控制原理的汽车驾驶系统。
它通过使用传感器、摄像头和控制算法，实现对汽车的自动控制和导航。
•自动驾驶系统可以提高交通安全性，减少交通事故的发生，并且方便了驾驶员的出行。
4. 航空航天领域4.1 飞行控制系统•飞行控制系统是用于控制飞行器姿态和飞行轨迹的自动化系统。
它通过使用惯性导航系统和控制算法，实现对飞行器的精确控制。
•飞行控制系统可以提高飞行器的稳定性和安全性，确保飞行任务的成功完成。
4.2 卫星定位系统•卫星定位系统是一种基于自动控制原理的全球定位系统。
它通过使用卫星信号和接收器，实现对地球上位置的精确测量和定位。
•卫星定位系统广泛应用于导航、航海、测绘等领域，为人们提供了方便的定位和导航服务。
自动控制原理的应用实例
自动控制原理的应用实例引言自动控制原理是现代工程领域中的重要学科，它以研究和应用控制系统为核心，通过对系统的建模、分析和设计，实现对系统的自动控制和调节。
在实际应用中，自动控制原理被广泛运用于各个领域，包括工业生产、交通运输、能源管理等。
本文将通过列举一些自动控制原理的应用实例，来展示其在真实场景中的应用效果。
工业生产领域1. 自动化生产线•自动控制原理应用于汽车生产线中，通过控制系统对整个生产流程进行自动化控制，提高生产效率和质量。
•利用自动控制技术，对食品生产线进行自动化控制，实现自动化生产和包装。
有效提高了生产效率，减少了人工错误和浪费。
2. 机械设备控制•自动控制原理被广泛应用于机械设备控制，如风力发电机组、水泵控制系统等，通过控制系统对各种参数进行监控和调节，实现设备的自动运行和保护。
交通运输领域1. 智能交通系统•自动控制原理应用于智能交通系统中，通过对交通流量的实时监测和分析，智能控制信号灯的时序，优化车辆流动，减少交通堵塞问题。
2. 自动驾驶技术•自动控制原理在自动驾驶技术中起着重要作用。
通过对车辆行驶状态的感知和控制，实现自动驾驶和自动避障，提高交通安全性。
能源管理领域1. 节能控制系统•自动控制原理应用于能源管理领域，通过对能源系统的监测和控制，实现能源的合理利用和节约。
例如，智能家居中的温度控制系统，能够根据室内外温度和设定参数，自动控制空调和供暖设备的启停，提高能源利用效率。
2. 智能电网•自动控制原理在智能电网中的应用越来越广泛。
通过对电力系统的监测和控制，实现对电力负荷的优化调度，提高电力系统的稳定性和经济性。
总结通过以上列举的自动控制原理的应用实例，可以看出自动控制原理在工业生产、交通运输和能源管理等领域中的广泛应用。
自动控制技术的发展为各行各业提供了更高效、更安全和更可靠的解决方案，推动了社会的进步和发展。
随着技术的不断创新和进步，相信自动控制原理的应用将会在更多领域展现出更大的潜力。
应用自动控制原理的例子
应用自动控制原理的例子1. 概述自动控制原理是指通过对系统进行监测、调控和反馈，以实现系统的自动化运行和控制的一种技术。
在现代社会中，自动控制系统广泛应用于工业生产、交通运输、能源管理等领域。
本文将介绍几个应用自动控制原理的例子，以说明其在各个领域的重要性和实际应用。
2. 工业生产中的自动控制在工业生产中，自动控制系统可以提高生产效率、降低成本、保证产品质量。
以下是几个工业生产中的自动控制例子：•自动化生产线：通过传感器、执行器和控制器等组成的自动控制系统，可以实现生产线的自动化运行，提高生产效率，并减少人力成本。
•温度控制系统：在一些需要严格控制温度的工业生产过程中，如炼油、电子器件制造等，自动控制系统可以根据温度传感器的反馈，精确控制加热或冷却设备的运行，以维持目标温度。
•液位控制系统：在化工厂等领域，需要对液体的液位进行控制，以保证设备的正常运行和产品质量。
自动控制系统可以通过液位传感器的反馈，控制流体的注入、排放和泵送等操作，以实现液位的稳定控制。
3. 交通运输中的自动控制自动控制在交通运输领域中也有着重要的应用，可以提高交通安全性、减少交通拥堵和优化交通流量。
以下是几个交通运输中的自动控制例子：•交通信号灯：通过交通信号灯控制系统，可以实现交通信号的自动化控制。
该系统根据车辆流量和交叉口的情况，精确地控制红绿灯的切换时间，以优化交通流量和减少交通拥堵。
•路径规划系统：在现代导航系统中，自动控制算法可以根据实时交通数据和用户目的地，计算出最优路线，以提供用户最快捷和最经济的行驶方案。
•高速公路自动驾驶系统：自动驾驶技术是近年来快速发展的领域，通过传感器和自动化控制算法，车辆可以实现高速公路上的自动驾驶。
这种系统可以提高驾驶安全性、减少驾驶疲劳，并提升交通流量的效率。
4. 能源管理中的自动控制自动控制在能源管理中也有着广泛应用，可以优化能源使用效率、提高供能系统的可靠性。
以下是几个能源管理中的自动控制例子：•智能家居系统：通过自动控制系统对家庭中的电器设备进行控制和管理，可以实现能源的节约和优化。
第章计算机控制系统的应用实例
2．硬件设计
根据上述系统功能及技术指标的要求， 采用一台现成的STD总线IPC较为适宜。选 用某电子工厂的IPC产品，共由10块功能模 板及外设组成，如图9.4所示。
图9.4 IPC硬件组成框图
图中（1）CPU板及打印机、（2）CRT板及CRT、 （3）键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（5） 电源，构成了STD工业控制机基本系统。在自诊断板中使 用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系 统能在1～28内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作 十分可靠。 其中的（6）温度检测板，是一个由单片机构成的智能 型温度接口板，该板本身能够完成8路温度的检测，滤波处 理，铂电阻线性化处理。在这个板上利用软件技术从根本 上克服了温度漂移问题。 其中的（7）D/A转换板是流量及温度控制的驱动接口 板。计算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与设定值 进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A 转换变成模拟电压信号输出至（8）伺服放大板，从而控制 相应的4个调节阀。
由于前者任务要求适时性较强，且完成 任务所需时间较短，故安排在中断服务子程序 中完成。而后者属人机对话性质，任务完成时 间较长，且不需严格适时性，故放于主程序中 完成。 图9.6 中断服务子程序由于该控制系统小、 比较简单，功能画面要求也不复杂，因而软件 部分全部采用汇编语言编制。
图9.6 中断服务子程序IPC硬件组成框图
风机
反冲洗
污水
格栅机
调节池
生化池
压滤罐
清水池
回用
加药 加氯
排掉
集水池
图9.7 中水处理工艺流程图
（2）控制要求 该流程共有被控设备（含备用）14台泵和 电机，4个池的水位需要检测。 水位计的作用：在任何控制方式下，水位 计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报 警信号；在全自动、分组自动、半自动控制方 式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水 泵自动开、停的PLC输入信号。
工程学中的自动控制理论应用实例分析
工程学中的自动控制理论应用实例分析1. 引言自动控制理论是一门研究系统如何通过输入和输出之间的数学模型，实现自动控制的学科。
在工程学中，自动控制理论被广泛应用于各种系统的控制和优化。
本文将通过分析几个实际应用实例，来探讨自动控制理论在工程学中的应用。
2. 温室控制系统温室是一种用于种植农作物的封闭空间，通过调节温度、湿度和光照等环境参数，可以提供适宜的生长条件。
温室控制系统利用自动控制理论，实现对温室环境的精确控制，以提高作物生长效率。
温室控制系统通常包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器和执行器等组件。
以温度控制为例，传感器会实时监测温室内的温度，并将监测到的数据传输给控制器。
控制器根据设定的温度范围和作物对温度的要求，计算出需要调整的控制量，如通风和加热等。
然后，控制器会发送控制信号给执行器，执行器根据信号控制通风窗口和加热设备，以调整温室内的温度。
通过自动控制理论，温室控制系统可以精确控制温室内的温度，在不同的季节和天气条件下，维持作物所需的最佳生长温度，从而提高作物的产量和质量。
3. 汽车巡航控制系统汽车巡航控制系统是一种能够自动控制车辆速度的系统，能够帮助驾驶员在长途行驶中保持车辆的稳定速度，减轻驾驶负担。
自动巡航控制系统通常包括车速传感器、控制器和执行器等组件。
在自动巡航模式下，车速传感器会实时监测车辆的速度，并将监测到的数据传输给控制器。
控制器根据设定的巡航速度和车速差值，计算出需要调整的控制量，如油门开度。
然后，控制器会发送控制信号给执行器，执行器根据信号控制油门执行器，以调整车辆的速度。
通过自动控制理论，汽车巡航控制系统可以稳定地控制车辆的速度，在高速公路等道路条件下，为驾驶员提供更加舒适和安全的驾驶体验。
4. 电力系统自动控制电力系统是一个复杂而庞大的系统，包括发电、输电和配电等环节。
为了实现电力系统的稳定和可靠运行，自动控制理论在电力系统中得到了广泛应用。
在发电环节，自动控制系统可以通过实时监测发电机的负荷和功率输出，计算出需要调整的控制量，如燃料供应和发电机励磁系统的调整，以保持发电机的稳定运行。
自动控制原理的应用举例
自动控制原理的应用举例1. 简介自动控制是指通过控制器和执行器等设备实现对系统或过程的自动化调节和控制的技术。
它在工业生产、交通系统、家庭智能化等各个领域都有广泛应用。
本文将以几个实际例子来说明自动控制原理的应用。
2. 自动智能家居系统2.1 家庭智能化概述随着科技的进步，家庭智能化系统得到了广泛应用。
自动控制原理在家庭智能化系统中起到至关重要的作用。
通过传感器和执行器的配合，实现对家庭环境的智能感知与控制，提高家庭的舒适度和安全性。
2.2 例子：智能灯光系统智能灯光系统可以根据环境亮度和人员活动情况自动调整灯光的亮度和颜色，以提供最佳的照明效果。
系统中的光传感器会感知环境亮度，而红外传感器则可以感知人员的活动。
通过控制灯光控制器调节灯光的亮度和颜色，实现自动化的灯光控制。
2.3 例子：智能温度调节系统智能温度调节系统可以根据室内外温度的变化自动调节空调或暖气的温度，以提供舒适的室内环境。
系统中的温度传感器会感知室内外温度，并将信息传送给温度控制器。
温度控制器根据设定的温度范围和实际温度情况，自动调整空调或暖气的运行状态，实现室温的智能调节。
3. 自动化生产线3.1 生产线自动化概述在工业生产中，自动化生产线被广泛应用，通过自动控制技术实现对生产过程的自动化管理，提高生产效率和产品质量。
3.2 例子：汽车制造自动化汽车制造中的自动化生产线是一个典型例子。
在汽车制造过程中，通过各种传感器和自动控制装置，实现对汽车组装、焊接、喷涂等过程的自动化控制。
这样可以提高生产效率、降低人工成本，并能保证生产的一致性和质量。
3.3 例子：食品加工自动化食品加工行业也广泛应用自动化技术。
在食品加工生产线上，通过自动控制装置和传感器实现对食品的加工、包装、质检等环节的自动化控制。
这不仅提高了生产效率和产品质量，还确保了食品的安全性和一致性。
4. 自动驾驶技术4.1 自动驾驶概述自动驾驶技术是应用自动控制原理在交通运输领域的一个重要应用。
自动控制原理 第9章 自动控制理论的应用实例
2） 磁通在气隙处均匀分布，忽略边缘效应。
3） 忽略小球和电磁铁铁芯的磁阻，即认为铁芯和小球的磁阻为零。则电磁 铁与小球所组成的磁路的磁阻主要集中在两者之间的气隙上。
4） 假设球所受的电磁力集中在中心点，且其中心点与质心重合。
本系统的数学模型是以小球的动力学方程和电学、力学关联方程为基础建 立起来的。
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
磁悬浮系统基本组成与工作原理
电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力 F ，只要控制电磁铁绕组中的电 流，使之产生的电磁力与钢球的重力 mg 相平衡,钢球就可以悬浮在空中而处于 平衡状态。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定 具有一定的抗干扰能力。控制器的设计是磁悬浮系统的核心内容，因为磁悬浮系 统本身是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需 要为系统设计控制器。根据第六章控制系统校正设计，经典控制理论的控制器设 计有PID控制器、根轨迹法设计以及频率响应法设计。将如图9.2的磁悬浮系统工 作原理组成转化为控制系统框图形式如图9.3所示。本系统中采用光源和光电位 置传感器组成的无接触测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离x的变化，为了提 高控制的效果，还可以检测距离变化的速率。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬 浮控制对象的输入量。
自动控制原理
第九章 自动控制理论的应用实 例
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
9.1 磁悬浮控制系统设计
9.1.1 磁悬浮系统应用背景
国内外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面，进展很快，以 从实验研究阶段转向试验运行阶段。在日本，已建成多条常导和超导型试验线路。 德国的埃姆斯兰特试验线长31.5km，研制成功TR07型时速450km的磁悬浮列车。 在取得一系列研究和试验结果后，1990年日本开始建造速度为500km/h、长 48.2km的超导磁悬浮列车路线。德国则在2005年建成柏林到汉堡之间284km的 常导型磁悬浮列车正式运营路线，其速度为420km/h。此外，法国、美国、加拿 大等国也在这方面进行了总多项目的研制和开发。
自动控制原理综合案例
自动控制原理综合案例案例一：智能家居系统智能家居系统是一种应用自动控制原理的智能化系统，它通过传感器、执行器和控制器等组件，实现对家居设备的自动化控制。
例如，在智能家居系统中，可以通过设置定时器，让窗帘在特定时间自动关闭，或者通过声控功能，用语音命令打开灯光等设备。
这样的系统可以提高家居的舒适性和便利性，节省能源，提高生活质量。
案例二：自动驾驶汽车自动驾驶汽车是一种应用自动控制原理的先进技术，它通过激光雷达、摄像头、传感器等设备，采集道路信息，并通过控制器对车辆进行自动驾驶。
例如，当汽车遇到前方有障碍物时，自动控制系统可以通过传感器检测到并及时采取避障措施，保证行车安全。
自动驾驶汽车的出现，将大大提高交通流畅度和驾驶安全性。
案例三：自动化生产线自动化生产线是一种应用自动控制原理的工业生产系统，它通过传感器、执行器和控制器等设备，实现对生产过程的自动化控制。
例如，在汽车制造工厂中，自动化生产线可以实现对零部件的自动装配和检测，提高生产效率和产品质量。
自动化生产线的应用，不仅提高了生产效率，还减少了人力成本和人为误差。
案例四：智能农业系统感器、执行器和控制器等设备，实现对农作物的自动化管理。
例如，在温室中，可以利用温度传感器和湿度传感器等设备，实时监测环境参数，并通过控制器自动调节温度、湿度和光照等条件，提供适宜的生长环境，提高农作物产量和质量。
智能农业系统的应用，可以有效解决传统农业中的一些问题，提高农业生产效益。
案例五：智能医疗设备智能医疗设备是一种应用自动控制原理的医疗辅助设备，它通过传感器、执行器和控制器等设备，实现对患者的自动化监测和治疗。
例如，在心脏起搏器中，可以利用心电传感器和控制器等设备，实时监测心脏的电信号，并根据设定的参数自动调节心脏的跳动节奏，帮助患者维持正常的心脏功能。
智能医疗设备的应用，可以提高医疗效果和患者的生活质量。
案例六：智能交通系统智能交通系统是一种应用自动控制原理的交通管理系统，它通过传感器、执行器和控制器等设备，实现对交通流量和信号的自动化控制。
自动控制原理-自动化的应用举例
Motion Planning
Motion Controller
Servo Controller
Scanner Microphone
Internet
Robot
Camera
机器人系统结构的例子
精选课件
4
以机器人为单元的无人化工厂
精选课件
5
控制与管理一体化
企业间层
企业层 工程层 单元层 控制节点层 设备装置层
仅是一项大的自动化工程中的一个细胞。 ❖ 而以上例举的自动的设备
仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞
精选课件
2
自动化的应用举例：
工业自动化——自动机、自动生产线、 无人车间、无人工厂
精选课件
3
Intelligence and humanmachine interface
Linux
PMAC
Local Controller
制造业顶层信息化
现代集成制造系统
制造业底层自动化
机器人与自动化装备
精选课件
6
楼宇（管理）自动化——
能量管理系统：电、气、水全自动管理 空气质量系统：温度、湿度、空气质量管理 安全消防系统：安检、消防自动报警、
救护系统 办公自动化 ：
精选课件
7
军事自动化——无人飞机、导弹
交通自动化 机器人
精选课件
——把人从繁重的危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）
精选课件
——完成人无法完成的工作 管道机器人（各种油管、水管）、 水下6000米机器人
※扩展作用
——管理、经济、金融过程智能化
精选课件
18
8
自动控制原理综合案例
自动控制原理综合案例案例一：智能家居系统智能家居系统是一种基于自动控制原理的智能化家居解决方案。
通过使用传感器、执行器和控制器等设备，可以实现对家庭环境的智能化管理和控制。
例如，通过温度传感器和空调控制器，可以实现自动调节室内温度的功能；通过光照传感器和窗帘控制器，可以实现自动调节室内光照的功能；通过人体传感器和照明控制器，可以实现自动感知人员活动并自动调节照明亮度的功能。
智能家居系统的实现，不仅可以提高家庭生活的便捷性和舒适度，还可以节省能源并提高安全性。
案例二：自动驾驶汽车自动驾驶汽车是基于自动控制原理的创新应用。
通过激光雷达、摄像头、GPS、惯性导航等传感器和控制算法，实现了对汽车的自动驾驶功能。
自动驾驶汽车可以通过感知周围的道路、交通标志和其他车辆，自主决策并控制汽车的行驶。
例如，在高速公路上，自动驾驶汽车可以根据车辆间的距离和速度，自动调整车速和保持车辆的安全间距。
在道路上遇到交通信号灯时，自动驾驶汽车可以自动识别信号灯的状态，并自动刹车或加速。
自动驾驶汽车的出现，不仅可以提高交通安全性，还可以减少交通拥堵和节约能源。
案例三：工业自动化生产线工业自动化生产线是基于自动控制原理的现代化生产方式。
通过使用传感器、执行器和控制器等设备，可以实现对生产过程的自动化控制和管理。
例如，在汽车生产线上，通过使用机器人和自动控制系统，可以实现对焊接、喷涂、组装等工艺的自动化操作；在电子产品生产线上，通过使用自动化设备，可以实现对印刷、贴片、焊接等工艺的自动化控制。
工业自动化生产线的应用，不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以降低人力成本和减少生产过程中的人为误差。
案例四：智能农业系统智能农业系统是基于自动控制原理的农业生产解决方案。
通过使用传感器、执行器和控制器等设备，可以实现对农田环境和农作物的智能化管理和控制。
例如，通过土壤湿度传感器和灌溉控制器，可以实现自动调节灌溉水量和灌溉时间的功能；通过温湿度传感器和温室控制器，可以实现自动调节温室内的温度和湿度的功能；通过光照传感器和光照控制器，可以实现自动调节植物生长所需的光照强度的功能。
自动控制原理及其实例
先进控制理论及其应用院系：班级：姓名：学号：前言20世纪70年代以来，随着计算机即使的广泛应用，自动控制技术有了很大的发展，先进过程控制（advanced process control,pac）应运而生。
先进过程控制也称先进控制。
它是具有比常规控制更好的控制效果的控制策略的系统，是提高过程控制质量、解决复杂赴欧成问题的理论和技术。
先进控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。
在先进控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。
先进控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。
先进控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。
先进控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。
空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。
这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。
1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。
在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。
他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。
1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。
几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。
状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。
其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。
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函数，而且与其成非线性的关系。电磁铁通电后所产生的瞬时电感与气隙 x 的关
系下面式子所示。
L(x)
L1
1
L0 x
（9.4）
式中L1 是小球没处于电磁场中时的静态电感；aL0是小球处于电磁场中时线圈
中增加的电感（即气隙为零时所增加的电感）；a 是磁极附近一点到磁极表面的
气隙。
当平衡点距离电磁铁磁极面比较近时，即 x0 0 时有：L < L1 + L0 。当平
图9.3 磁悬浮控制系统框图
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
9.1.3 磁悬浮系统的数学建模
为了分析或设计一个自动控制系统，首先需要建立其数学模型，即描述系 统运动规律的数学方程。在建模时，要确定出哪些物理变量和相互关系是可以忽 略的，哪些对模型的准确度有决定性的影响，才能建立起既比较简单，又能基本 反映实际系统的模型。磁悬浮系统在建模前可进行如下假设。
图9.2中传感器装置必须采用后处理电路。当浮体（钢球）的位置在垂直方 向发生改变时，狭缝的透光面积也就随之改变，从而硅光电池的曝光度（照度） 发生变化，最后将位移信号转化为一个按一定规律（与照度成比例）变化的电压 信号输出。
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
磁悬浮系统基本组成与工作原理
自动控制原理
第九章 自动控制理论的应用实 例
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
9.1 磁悬浮控制系统设计
9.1.1 磁悬浮系统应用背景
国内外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面，进展很快，以 从实验研究阶段转向试验运行阶段。在日本，已建成多条常导和超导型试验线路。 德国的埃姆斯兰特试验线长31.5km，研制成功TR07型时速450km的磁悬浮列车。 在取得一系列研究和试验结果后，1990年日本开始建造速度为500km/h、长 48.2km的超导磁悬浮列车路线。德国则在2005年建成柏林到汉堡之间284km的 常导型磁悬浮列车正式运营路线，其速度为420km/h。此外，法国、美国、加拿 大等国也在这方面进有很多应用。如风洞磁悬浮系统、磁悬浮隔振系统、 磁悬浮熔炼等。
虽然磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都共同 具有非线性和开环不稳定的特性。
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
9.1.2 磁悬浮系统基本组成与工作原理
磁悬浮球控制系统是研究磁悬浮技术的平台，它是一个典型的吸浮式悬浮系 统。磁悬浮球实验装置主要由 LED 光源、电磁铁、光电位置传感器、电源、放 大电路及A/D、D/A数据采集卡和控制对象(钢球)等元件组成。它是一个典型的 吸浮式悬浮系统。其系统工作原理组成框图如下图 9.2所示。
4)功率放大器模型
U
(t)
Ri(t)
L1
di dt
（9.6）
功率放大器主要是解决感性负载的驱动问题，将控制信号转变为控制电流。 因系统功率低，故采用模拟放大器。
本系统设计采用电压-电流型功率放大器。在功率放大器的线性范围以内，其 主要表现为一阶惯性环节，其传递函数可以表示为：
G0
U (s) I (s)
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自动控制原理
磁悬浮系统的控制器设计
下面用第六章的频域校正法设计磁悬浮控制系统。要求设计一控制器，使得 磁悬浮系统的静态位置误差常数为5(注意传感器的输出电压与磁悬浮间隙极性相 反，实际取-5)，相位裕量为500，增益裕量等于或大于10分贝。
1） 忽略漏磁通，磁通全部通过电磁铁的外部磁极气隙。
2） 磁通在气隙处均匀分布，忽略边缘效应。
3） 忽略小球和电磁铁铁芯的磁阻，即认为铁芯和小球的磁阻为零。则电磁 铁与小球所组成的磁路的磁阻主要集中在两者之间的气隙上。
4） 假设球所受的电磁力集中在中心点，且其中心点与质心重合。
本系统的数学模型是以小球的动力学方程和电学、力学关联方程为基础建 立起来的。
mg
（9.1）
式中x为小球质心与电磁铁磁极之间的气隙（以磁极面为零点），单位为米 （m）。m为小球的质量，单位为千克（Kg）。F ( i, x)为电磁吸力，单位为牛顿 （N）。g 为重力加速度，单位是米/秒2 （m / s2）。
2）系统的电磁力模型
电磁吸力 F (i, x) 与气隙 x 是非线性的反比关系，即电磁力可写为
此磁悬浮系统是一典型的非线性系统，必需首先对其非线性部分进行线性化 处理。由于电磁系统中的电磁力F和电磁铁中绕组中的瞬时电流i、气隙x间存在着 较复杂的非线性关系，若要用线性系统理论进行控制器的设计必须对系统中各个 非线性部分进行线性化。此系统有一定的控制范围，所以对系统进行线性化的可 能性是存在的，同时实验也证明，在平衡点 (i0 , x0 ) 对系统进行线性化处理是可 行的。利用第二章的非线性系统线性化方法，可以对此系统进行线性化处理。
（9.8）
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
磁悬浮系统的数学建模
5)系统平衡的边界条件
钢球处于平衡状态时，此时加速度等于零，得钢球此时所受的合力为零。同 时钢球受到向上的电磁力=小球自身的重力，即
mg F(i0,x0 ) 0 6) 系统模型线性化处理
（9.9）
图9.1 上海磁悬浮列车
磁悬浮轴承的研究也是国外另一个非常活跃的研究方向，磁悬浮轴承广泛应 用于航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等场合。目前磁力轴承的 转速已达到80000转/分，转子直径可达12米，最大承载力为10吨。
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第九章 自动控制理论的应用实例
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自动控制原理
磁悬浮系统应用背景
X(s)
代入得系统的开环传递函数
X(s) 1 I(s) As2 B
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（9.11） （9.12）
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自动控制原理
磁悬浮系统的数学建模
如果选择控制系统的输入量是控制电压 uin ，控制系统输出量为间隙 x(t)，
其对应的输出电压为 uout ，则该系统控制对象的模型可写为：
Ka 1 Tas
（9.7）
其中K a 为功率放大器的增益， Ta 为功率放大器的滞后时间常数。在系统 实际过程当中，功率放大器的滞后时间常数非常小，对系统影响可以忽略不计。 因此可以近似认为功率放大环节仅由一个比例环节构成，其比例系数为 K a 。由 硬件电路计算得
G0 (s) Ka 5.8929
num=[77.8421]; den=[0.0311 0 -30.5250]; step(num,den)
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自动控制原理
磁悬浮系统的控制器设计
由上图可以看出，小球的位置很快发散。开环系统是一个二阶不稳定系统。 要实现悬浮体的稳定悬浮，就必须控制电磁铁中的电流，使其变化阻止悬浮体气 隙的变化，所以此系统需要设计一个控制器，使得磁悬浮系统稳定且具有良好的 控制性能。
其中 A
i0 ,B 2g
i0 x0
G(s)
U out(s) Uin(s)
Ks x(s) Kai(s)
(Ks / Ka ) As2 B
（9.13）
则可以看出系统有一个开环极点位于复平面的右半平面，根据系统稳定性 判据，即系统所有的开环极点必须位于复平面的左半平面时系统才稳定，所以磁 悬浮系统是不稳定的系统。
自动控制原理
磁悬浮系统的数学建模
3) 电磁铁中控制电压与和电流的模型
由电磁感应定律及电路的基尔霍夫定律可知有如下关系
U (t) Ri(t) d (x,t) Ri(t) d[L(x)i(t)]
dt
dt
（9.3）
电磁铁绕组中的瞬时电感 L( x) 是关于小球到电磁铁磁极表面的气隙 x(t) 的
高速磁悬浮电机(Beatingless Motors)是近些年提出的一个新的研究方向， 它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自动悬浮和驱动的能力，且具有体积小、 临界转速高等特点。国外自 90 年代中期开始对其进行了研究，相继出现了永磁 同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种结构。磁 悬浮电机的研究越来越受到重视，并有一些成功的报道，如磁悬浮电机应用的生 命科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动时磁悬浮人工心脏血泵，采用 无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝 血和血栓等问题。
磁悬浮系统的数学建模
式中
K1
F i
| i i0 ,x x0
2Ki0 x02
K2
F x
| i i0 ,x x0
2Ki02 x03
将式（9.10）经拉普拉斯变换后得
将
mg
K
i20 x20
X(s)s2
2Ki0
mx
2 0
i(s)
2Ki20
mx
3 0
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自动控制原理
9.1.4 磁悬浮系统的控制器设计
为了完成一个控制系统的设计最重要的一步便是对系统进行分析。在系统 物理建模这一节已经得到了磁悬浮系统的模型，下面利用 MATLAB 工具对已经 得到的系统模型进行一些特性分析，为设计控制器提供理论指导。
首先对系统进行阶跃响应分析，在 MATLAB 中键入以下命令，运行得到阶 跃曲线如图9.4所示。