自动控制系统分析
自动控制系统案例分析
北京联合大学实验报告课程（项目）名称：过程控制学院：自动化学院专业：自动化班级：0910030201 学号：2009100302119 姓名：张松成绩：2012年11月14日实验一交通灯控制一、实验目的熟练使用基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，掌握交通灯控制的多种编程方法，掌握顺序控制设计技巧。
二、实验说明信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，按以下规律显示：按先南北红灯亮，东西绿灯亮的顺序。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持25秒，南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮……如此循环，周而复始。
如图1、图2所示。
图 1图 2三、实验步骤1．输入输出接线输入SD 输出R Y G 输出R Y G I0.4 东西Q0.1 Q0.3 Q0.2 南北Q0.0 Q0.5 Q0.42.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。
3.启动并运行程序观察实验现象。
四、参考程序方法1：顺序功能图法设计思路：采用中间继电器的方法设计程序。
这个设计是典型的起保停电路。
方法2：移位寄存器指令实现顺序控制移位寄存器位（SHRB）指令将DATA数值移入移位寄存器。
S_BIT指定移位寄存器的最低位。
N指定移位寄存器的长度和移位方向（移位加=N，移位减=-N）。
SHRB指令移出的每个位被放置在溢出内存位（SM1.1）中。
该指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。
方法3：利用定时器实现思路：利用多个定时器逻辑组合实现控制时序。
五、思考题1．实验中遇到的问题？如何解决的？2．对单一顺序控制—交通灯控制的几种实现方法技巧进行总结。
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析电气自动控制系统分析是指对电气系统中的自动控制装置进行分析和研究，以了解其原理和性能，并进行系统优化和故障诊断。
电气自动控制系统广泛应用于工业生产和日常生活中的各个领域，如电力系统、制造业、交通运输等。
电气自动控制系统分析的第一步是对控制系统进行建模。
建模是指将实际的物理系统转换为一个数学模型，通过该模型可以描述系统的特性和行为。
常见的电气自动控制系统模型有传递函数模型、状态空间模型等。
建模的过程需要考虑系统的输入、输出、状态以及系统的动态特性等因素。
在对电气自动控制系统进行分析时，常用的方法有频域分析和时域分析。
频域分析是通过对信号的频谱进行分析，得到系统的频率响应曲线，进而了解系统的稳定性和频率特性。
常用的频域分析方法有傅里叶变换和拉普拉斯变换等。
时域分析是通过对系统的时间响应进行观察和分析，了解系统的动态特性和响应速度。
常用的时域分析方法有单位阶跃响应和单位冲激响应等。
电气自动控制系统分析的另一个重要内容是系统优化。
系统优化是指通过调整系统的参数和结构，使系统的性能达到最优。
常见的系统优化方法有比例积分微分控制器的调参、系统的结构优化等。
电气自动控制系统分析还包括故障诊断。
故障诊断是指利用分析方法来检测和诊断系统中的故障，在故障发生时能够及时采取措施修复系统。
常见的故障诊断方法有观测法、模型基础诊断法等。
电气自动控制系统分析是对电气自动控制系统进行建模、分析和优化的过程，通过该过程可以了解系统的特性和行为，并发现问题和解决故障，从而提高系统的性能和可靠性。
自动化控制系统的安全性分析与改进研究
自动化控制系统的安全性分析与改进研究自动化控制系统在各个行业中扮演着重要的角色，它们被广泛应用于工业生产、交通运输、能源供应等方方面面。
然而，随着科技的不断进步和网络的普及，自动化控制系统也面临着越来越多的安全威胁。
本文将对自动化控制系统的安全性进行分析，并提出一些建议来改进其安全性。
一、自动化控制系统的安全性分析1. 安全性威胁的类型自动化控制系统面临多种安全威胁，包括但不限于网络攻击、恶意软件、物理入侵等。
网络攻击可以导致系统被黑客入侵、数据泄露或网络服务被瘫痪。
恶意软件可以在系统内部引入病毒或恶意代码，造成系统运行异常甚至崩溃。
物理入侵可能导致系统硬件被损坏或操作人员受到伤害。
2. 安全漏洞的存在自动化控制系统中存在许多安全漏洞，例如弱口令、未及时更新的软件、缺乏紧急漏洞修复等。
这些漏洞为攻击者提供了可乘之机，可能导致系统的被入侵和数据的被窃取。
3. 人为因素的影响自动化控制系统的安全性还受制于人为因素的影响。
例如，操作人员的疏忽、训练不足或错误操作可能导致系统故障或安全漏洞的暴露。
此外，对系统安全的意识不足也是一个重要问题。
二、自动化控制系统安全性的改进研究1. 强化物理安全措施为了防止物理入侵，可以采取以下措施：建立安全区域，采用安全门禁系统，安装监控摄像头等。
此外，加强对操作人员的身份验证和访问控制，确保只有经过授权的人员才能操作系统。
2. 加强网络安全防护提升网络安全能力是保护自动化控制系统的关键。
可以采取以下措施：实施防火墙策略，限制对系统的外部访问；加密网络传输，保护数据的机密性；定期进行漏洞扫描和安全评估，及时修复发现的漏洞。
3. 完善安全策略和流程建立完善的安全策略和流程对于提升自动化控制系统的安全性至关重要。
包括但不限于：制定密码策略，要求密码复杂度和定期更改；定期备份数据，防止数据丢失；建立安全培训计划，提高操作人员的安全意识。
4. 使用安全软件和硬件设备选择和使用经过安全认证的软件和硬件设备可有效提升系统的安全性。
分析自动控制系统性能的常用方法
由过渡过程分析中的三要素法可知，电路对 时间响应常常分为两个部分：暂态响应和稳 态响应。线性电路的时间响应 c (t ) 通常可以 写成：
c(t ) ct (t ) css (t )
ct (t ) 为暂态响应，css (t ) 为稳态响应 其中：
当输入激励是为正弦周期信号时：
其输出响应为： c(t ) MAm e t MAm sin( t )
M ( ) 为该一阶RC电路的幅频特性，它是指输出正 则： 弦响应信号的最大值与输入正弦激励信号最大值之间 的比值；称 ( )为该一阶电路的相频特性，它是指 输出正弦信号的初相位与输入正弦信号初相位之差 （相位差）。
( ) c ( ) i ( ) arctan(T )
Ac 0.193 M ( ) 50 0.193 Ar 1
( ) 50 c r 78.9 0 78.9
当我们选择足够多的频率点后，通过幅值与频率，相 位与频率之间一一对应的关系，我们最后可以绘制出 如图所示的幅频率特性曲线与相频率特性曲线。并由 此曲线来分析该电路的性质
输出稳态响应的幅值 输出稳态响应的初相位
现在我们以同样的办法将输入激励信号R（jω）也写 成相量的形式，则有：
R( j ) R( j ) R( j ) Ar r
正弦激励的幅值
正弦激励的初相位
这样该线性系统的传递函数就变成了：
C ( j ) C ( j ) C ( j ) G ( j ) R( j ) R( j ) R( j ) C ( j ) C ( j ) R( j ) R( j ) Ac c r M Ar
第4章 分析自动控制系统性能的常 用方法
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析自动控制系统是一个利用电气技术控制和管理机械、化工、原子能等各种工业生产设备和生产过程的技术系统。
为了控制各种工业控制过程和监测系统状态，电气自动控制系统中包含了大量的电子元器件和各种传感器。
这些元器件和传感器能够感知、计算、控制和反馈各种生产工艺参数，在实现自动化控制的同时，也实现了智能化、高效化和高精度的监测和控制。
电气自动控制系统中常见的元器件有：微处理器、单片机、电磁继电器、电子计时器等。
它们的工作原理是通过通电后的控制信号，通过各种开关控制装置、执行机构的动作来实现控制。
传感器则是电气自动控制系统的重要组成部分之一，包括温度传感器、流量传感器、压力传感器等。
传感器的作用是将各种生产过程中的参数转化为电信号，然后输出到控制器，实现控制过程。
电气自动控制系统主要包括以下几个方面的内容：1.控制器：控制器是电气自动控制系统的核心，包括中央处理器和各个控制单元。
控制器负责集成各种传感器所反馈的数据，并进行处理，然后根据设定的控制策略来输出控制信号，实现控制过程。
控制器的性能需要考虑到其处理速度、存储容量、接口能力等因素。
2.执行机构：执行机构是根据控制器的控制信号来实现各种动作操作，例如电机、液压、气动或机械机构。
在设计执行机构时需要考虑到其性能、精度、稳定性等因素。
3.通讯系统：通讯系统是电气自动控制系统中的重要组成部分，主要用来实现各个子系统之间的信息交流和控制处理。
通讯系统可以是本地通讯，也可以是远程通讯。
在设计通讯系统时需要考虑到通信方式、通信协议、数据传输速度等因素。
4.软件：软件是电气自动控制系统的另一个重要组成部分，主要负责控制器的程序编写、控制算法设计和参数设定等。
软件设计需要考虑到程序语言、算法设计、可靠性等因素。
总之，电气自动控制系统的发展已经成为了各个工业领域发展的重点之一。
通过对这些系统的研究和开发，可以实现工业生产的自动化、高效化和高精度化，为现代工业的发展提供了强有力的支撑。
第四章分析自动控制系统性能常用的方法
第四章 分析自动控制系统性能常用的方法（10 学时）目的、教学要求：在经典控制理论中常用的分析方法有时域分析法(由时域响应及传递函 数出发去进行分析)、根轨迹分析法和频率特性分析法。
本章主要介绍其中的两种分析方法， 即：时域分析法和频域分析法。
因此在本章中主要掌握：² 时域分析法的基本概念及分析方法² 频域分析法的基本概念及分析方法重点、难点：本章的重点是： 频率特性的基本概念， 开环对数频率特性的绘制及幅值穿越频率的求取， 控制系统的对数稳定性判据，系统频域性能分析及与时域性能指标之间的关系。
本章的难点是：自动控制系统开环对数频率特性的绘制及幅值穿越频率的求取、控制系 统的频域性能分析及与时域性能指标之间的关系。
主要内容：² 频率特性的基本概念² 频率特性的图形表示法² 典型环节的 Bode 图² 自动控制系统的开环对数频率特性² 习题² 实验教学方式：该部分内容较难理解，应采用 PPT+《自动控制原理频域分析工具箱》教学软件 的多媒体教学方式；习题课采用课堂教学， 但至少应用一次课堂练习用来让学生学习绘制伯 德图。
教学设计：① 通过多媒体教学演示软件《自动控制原理频域分析工具箱》生动说明频率响应的概 念，引导学生对实验演示结果进行分析，从而引出占有率特性的基本概念。
② 通过一个案例（一阶 RC 电路）及多媒体教学演示软件来讲解：输出信号的幅值与相 位与频率之间的关系及频率特性与系统结构参数之间的关系（简要介绍，用 PPT+媒体教学 演示软件来讲）。
③ 采用课堂练习的方法，引导学生按步骤进行伯德图的绘制，学习绘制前要求学生准 备好二张以上的三级半对数坐标纸（从校园网上下载）。
教学内容：一、频率特性的基本概念1. 频率响应与频率特性频率响应的概念：线性定常系统对正弦输入信号的稳态响应称为频率响应。
线性系统的 频域分析的出发点仍然是它的传递函数。
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析电气自动控制系统分析是指对电气领域中的自动控制系统进行深入的研究和分析，以实现对该系统的优化和改进。
本文将对电气自动控制系统分析的步骤、方法和应用进行详细的介绍。
电气自动控制系统是指利用电气的原理和技术对系统实现自动化控制的一种系统。
它由传感器、执行器、控制器和连接线组成，传感器负责采集系统的状态信息，执行器根据控制器的指令对系统进行控制，控制器根据传感器的反馈信息决策执行器的动作，连接线起到传递信息的作用。
电气自动控制系统广泛应用于工业、交通、生活等各个领域。
电气自动控制系统分析的第一步是对系统进行建模和仿真。
建模是指将系统抽象为数学模型，将系统的结构和功能用符号、数学公式等形式表达出来。
仿真是指利用计算机软件模拟系统的运行过程，并观察系统在不同情况下的响应和性能。
通过建模和仿真，可以更好地了解系统的特性和行为。
电气自动控制系统分析的第二步是对系统进行性能评估。
性能评估是指对系统在不同工作条件下的稳定性、鲁棒性、动态响应等进行评估。
通过性能评估，可以知道系统在面对各种工况时的表现，从而可以找出系统存在的问题并加以改进。
电气自动控制系统分析的第三步是对系统进行优化设计。
优化设计是指根据系统的需求和限制条件，利用优化算法和方法对系统的参数和结构进行优化。
通过优化设计，可以使系统在满足规定要求的达到最佳的控制效果和性能。
电气自动控制系统分析的应用包括但不限于以下几个方面：1. 工业自动化控制系统分析。
工业自动化控制系统在生产过程中起到至关重要的作用，通过对系统进行分析，可以优化和改进控制策略，提高生产效率和质量。
2. 交通自动控制系统分析。
交通自动控制系统包括交通信号控制系统、智能交通系统等，通过对系统进行分析，可以优化信号配时、交通流控制等，提高交通效率和顺畅度。
电气自动控制系统分析是电气领域中重要的研究方向，通过对系统进行建模、仿真、性能评估和优化设计，能够更好地了解系统特性和性能，并优化和改进系统的控制策略，提高系统的效率和性能。
自动控制系统的稳定性分析
自动控制系统的稳定性分析自动控制系统在现代工程中起着至关重要的作用。
稳定性是评价自动控制系统性能的一个重要指标，系统稳定性的分析对于系统设计、调试和优化至关重要。
本文将对自动控制系统的稳定性进行分析，并探讨常用的稳定性分析方法。
1. 引言自动控制系统的稳定性是指在外部扰动或参数变化的情况下，系统能够保持稳定的能力。
稳定性分析是评价系统的关键特性之一，它决定了系统的可靠性和性能。
稳定性分析的目的是通过研究系统的传递函数或状态方程，确定系统的稳定性边界并评估系统的稳定性。
2. 稳定性的判据用于判断自动控制系统稳定性的最常见方法是分析系统的极点位置。
极点是系统传递函数或状态方程的特征根，它们的位置决定了系统的稳定性。
常见的判据有：- 实部均小于零：当系统的所有极点的实部都小于零时，系统是稳定的。
- 实部均小于等于零：当系统的所有极点的实部都小于等于零时，系统是边界稳定的。
- 实部均小于一：当系统的所有极点的实部都小于一时，系统是渐进稳定的。
- Nyquist稳定判据：通过绘制系统开环传递函数的Nyquist曲线，判断曲线与负实轴的交点个数来确定系统的稳定性。
3. 稳定性分析方法3.1 根轨迹法根轨迹法是一种图形化分析方法，通过绘制系统极点随参数变化的轨迹，可以直观地了解系统的稳定性边界。
根轨迹图能够反映了系统参数变化时的稳定性情况，并通过分析轨迹与虚轴的交点个数来判断系统的稳定性。
3.2 频率响应法频率响应法是一种以频域为基础的稳定性分析方法，它通过研究系统在不同频率下的响应特性来判断系统的稳定性。
常用的频率响应法包括振荡器法、相频曲线法和伯德图等。
这些方法通过测量输入输出之间的幅度和相位差来评估系统的稳定性。
3.3 状态空间法状态空间法是一种基于系统的状态方程进行稳定性分析的方法。
通过将系统的状态方程转化为特征方程，可以分析特征根的位置来判断系统的稳定性。
状态空间法具有较强的灵活性，可以应用于复杂的多变量系统。
自动控制系统性能分析
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
7.2 自动控制系统的稳态性能分析
稳态误差始终存在于系统的稳态工作状态之中。 系统稳态误差的概念——暂态响应与稳态响应 误差传递函数 系统稳态误差与输入信号之间的关系——自动
由以上分析可见，对三阶系统，加大增益，将使系统 稳定性变差，甚至造成不稳定。由此，伯德提出：为 了保证系统有足够的稳定裕量，在设计自动控制系统
时，要使 c附近(左、右各几个频程)L() 的斜率为
-20dB/dec(这又称伯德第一定理)。 【例7-1】分析如图7-11所示的随动系统的相位稳定 裕量。
造成系统不稳定主要有：系统内部参数结 构上的原因和外部控制上的客观原因。
稳定系统与不稳定系统
a)不稳定系统
b)稳定系统
造成自动控制系统不稳定的物理原因
系统的稳定性概念又分绝对稳定性和相对稳定性。 系统的绝对稳定性是指系统稳定(或不稳定)的条 件。
即形成系统稳定的充要条件。 系统的相对稳定性是指稳定系统的稳定程度。
量 U set / RC 会最终消失掉。
所以，在控制系统中，暂态响应定义为从激励（输入 信号）产生开始到时间趋于无穷时，输出趋近于零的 那一部分与时间有关的响应。而稳态响应则为暂态响 应消失之后余下的那一部分响应。
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析是指对电气自动控制系统进行研究和分析，以了解系统的结构、运行原理和性能，并进行评估和改进的过程。
电气自动控制系统是将电气信号作为输入，通过传感器、执行器和控制器等组成的系统，对被控对象实施自动化控制。
它在工业生产、交通运输、能源管理、环境保护等领域
起着重要作用，提高了工作效率和产品质量。
分析电气自动控制系统需要从多个角度进行，包括系统结构、控制原理、控制效果等
方面。
分析系统结构是了解系统各个组成部分之间的连接和作用关系。
电气自动控制系统通
常由传感器、控制器和执行器组成，传感器用于采集被控对象的信息，通过控制器对信号
进行处理和分析，并通过执行器对被控对象施加控制。
分析系统结构可以帮助我们更好地
理解系统的工作原理和功能。
分析控制原理是了解系统的工作机理和控制策略。
不同的电气自动控制系统采用不同
的控制原理，例如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
分析控制原理可以帮助我们评
估系统的稳定性、鲁棒性和响应速度，并根据需要对控制算法进行优化和改进。
分析控制效果是了解系统的性能指标和控制结果。
电气自动控制系统通常需要满足一
定的性能要求，如稳定性、精度、速度等。
分析控制效果可以通过实验和仿真等手段进行，以评估系统的控制能力和改进空间。
电气自动控制系统分析是一项重要的工作，可以帮助我们深入理解系统的工作原理和
性能，为系统的优化和改进提供依据。
通过不断的分析和研究，可以使电气自动控制系统
更加稳定、精确和高效。
自动控制原理控制系统灵敏度分析
优化系统设计和参数调整
提高系统性能和稳定性
降低超调量和调节时间
优化控制策略和算法
便于系统扩展和升级
预防不确定因素干扰
控制系统灵敏度分析能够预测系统 对不确定因素的响应，有助于提前 采取措施预防干扰。
灵敏度分析有助于发现系统中的潜 在问题，提高系统的可靠性和稳定 性。
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动态特性：许多 控制系统具有非 线性、时变等复 杂动态特性，这 使得灵敏度分析 的准确性受到限 制。
计算效率：灵敏 度分析的计算量 大，对于大规模 系统可能面临计 算效率问题，限 制了其在实时控 制等领域的应用。
局限性克服的策略和措施
优化算法和模型： 采用更精确的数 学模型和算法， 提高灵敏度分析 的准确性和可靠 性。
灵敏度分析的注意事项
考虑系响
考虑输入信号大 小和频率对灵敏 度的影响
考虑系统非线性 对灵敏度的影响
05
控制系统灵敏度分析的 应用
在系统设计和优化中的应用
控制系统灵敏度分 析可以帮助确定系 统设计的最优参数， 提高系统的性能和 稳定性。
通过灵敏度分 析，可以评估 系统对不同故 障的敏感程度
灵敏度分析可 以用于优化故
障排除过程
灵敏度分析有 助于确定修复 故障的最佳方
案
在控制系统性能改进中的应用
灵敏度分析帮助确定系统参 数的最优设置
灵敏度分析有助于提高控制 系统的稳定性和可靠性
灵敏度分析用于优化控制系 统性能
灵敏度分析在控制系统性能 改进中具有重要意义
灵敏度分析与优 化方法的结合： 通过灵敏度分析 确定系统参数对 性能的影响，优 化系统参数提高
性能。
灵敏度分析与稳 定性分析的结合： 灵敏度分析可以 揭示系统参数变 化对稳定性的影 响，有助于提高 系统的稳定性。
自动控制系统实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握自动控制系统的基本分析方法；3. 熟悉自动控制系统的实验操作步骤；4. 分析实验数据，提高对自动控制系统的理解和应用能力。
二、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号，通过反馈和调节作用，使系统输出信号能够自动跟踪输入信号的系统。
自动控制系统主要由被控对象、控制器和反馈环节组成。
三、实验设备1. 自动控制系统实验箱；2. 数据采集卡；3. 计算机；4. 电源；5. 实验接线板。
四、实验内容1. 自动控制系统组成原理实验；2. 自动控制系统基本分析方法实验；3. 自动控制系统实验操作步骤实验。
五、实验步骤1. 自动控制系统组成原理实验（1）观察实验箱内各模块的连接情况，了解被控对象、控制器和反馈环节的连接方式；（2）按照实验指导书的要求，将实验箱内的模块正确连接；（3）启动实验箱，观察系统运行情况，分析系统组成原理。
2. 自动控制系统基本分析方法实验（1）根据实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）采集实验数据，记录实验结果；（4）分析实验数据，掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验（1）按照实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）观察系统运行情况，分析实验操作步骤；（4）记录实验数据，分析实验结果。
六、实验结果与分析1. 自动控制系统组成原理实验实验结果表明，自动控制系统由被控对象、控制器和反馈环节组成，通过反馈和调节作用实现系统输出信号的自动跟踪。
2. 自动控制系统基本分析方法实验实验结果表明，通过实验数据可以分析自动控制系统的稳定性、速度响应、稳态误差等性能指标，从而掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验实验结果表明，按照实验指导书的要求进行实验操作，可以顺利完成实验任务，达到实验目的。
七、实验结论1. 通过本次实验，掌握了自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握了自动控制系统基本分析方法；3. 熟悉了自动控制系统的实验操作步骤；4. 提高了分析实验数据、解决实际问题的能力。
自动控制控制系统的稳定性分析资料
自动控制控制系统的稳定性分析资料自动控制系统的稳定性分析是自动控制系统设计和优化的关键步骤之一、稳定性分析旨在确定系统是否稳定，即系统的输出是否在有界范围内，并且在受到干扰或参数变化时能够保持在所需的工作状态。
下面将从稳定性定义、稳定性分析方法和稳定性判据三个方面进行详细介绍，以及控制系统的稳定性分析所需的相关资料。
稳定性定义：在自动控制系统中，稳定性通常指的是当输入信号为有界信号时，输出信号也是有界信号，且系统能够在指定的性能要求下保持在所需的工作状态。
稳定性可以分为绝对稳定性和相对稳定性。
绝对稳定性要求系统输出始终有界，而相对稳定性则允许输出信号在一定范围内震荡。
稳定性分析方法：稳定性分析方法主要包括传递函数法、根轨迹法、频率响应法和状态空间法。
传递函数法适用于线性时不变系统，通过分析系统的传递函数来确定系统的稳定性。
根轨迹法是一种图形法，通过绘制系统的根轨迹图来判断系统的稳定性和动态性能。
频率响应法主要用于对线性时不变系统进行稳定性分析，通过对系统的频率响应进行分析来判断系统的稳定性。
状态空间法是基于系统的状态方程进行稳定性分析，通过分析系统的状态转移矩阵来判断系统的稳定性。
稳定性判据：稳定性判据是判断系统稳定性的重要依据，常用的稳定性判据有极点位置法、频率判据法、Lyapunov稳定性判据和Nyquist稳定性判据等。
极点位置法通过分析系统的极点位置来判断系统的稳定性，当系统极点全部位于左半平面时，系统是稳定的。
频率判据法通过分析系统的频率响应曲线来判断系统的稳定性，当系统的增益和相位条件满足一定要求时，系统是稳定的。
Lyapunov稳定性判据通过构造系统的Lyapunov函数来判断系统的稳定性，当Lyapunov函数的导数小于等于零时，系统是稳定的。
Nyquist稳定性判据则是通过分析系统的传递函数的频率响应曲线上单位圆的绕点数来判断系统的稳定性，当绕点数为负数时，系统是稳定的。
稳定性分析资料：进行自动控制系统的稳定性分析需要掌握系统的数学模型和控制方法，因此相关的资料和文献是非常重要的资源。
自动控制系统的稳定性分析与设计
自动控制系统的稳定性分析与设计自动控制系统是现代工程中广泛应用的一种技术手段，它能够根据外部输入信号实现对被控对象的精确控制。
然而，在实际应用中，系统的稳定性是保证系统正常运行的关键。
本文将对自动控制系统的稳定性进行分析，并提出相应的设计方法。
一、稳定性分析稳定性是指当自动控制系统在受到外界扰动或参数变化的情况下，系统能够恢复到原始状态或者达到新的稳定状态的能力。
常见的稳定性分析方法有：1. 传递函数法传递函数是描述线性时不变系统的输入与输出之间关系的数学方法。
通过对传递函数进行分析，可以得到系统的特征根，从而判断系统的稳定性。
一般情况下，当系统的传递函数特征根的实部小于零时，系统是稳定的。
2. 根轨迹法根轨迹法是通过绘制系统传递函数特征根随参数变化的轨迹，来分析系统的稳定性。
根轨迹在复平面上的分布形状能够直观地反映系统稳定性的情况。
一般情况下，当根轨迹不经过右半平面时，系统是稳定的。
3. 频域法频域法是通过对系统的频率响应进行分析，来判断系统的稳定性。
常见的频域分析方法有Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据等。
这些方法能够将系统稳定性判据与频率特性相结合，更加直观地分析系统的稳定性。
二、稳定性设计在稳定性分析的基础上，我们可以针对不稳定的系统进行稳定性设计，以保证系统的正常运行。
常见的稳定性设计方法有：1. 控制增益法通过调整系统的控制增益，可以改变系统的特征根从而影响系统的稳定性。
一般情况下，增大控制增益会使系统更加不稳定，而减小控制增益会使系统更加稳定。
通过适当选择控制增益的大小，可以实现系统的稳定控制。
2. PID控制器设计PID控制器是一种常用的控制器设计方法，通过比例、积分和微分三个部分的组合来控制系统。
在稳定性设计中，可以通过调整PID控制器中的参数，如比例系数、积分时间和微分时间等，来实现对系统的稳定控制。
3. 状态反馈控制设计状态反馈控制是一种基于系统状态变量的反馈控制方法。
自控原理课件第6章-自动控制系统的性能分析
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小 结 自动控制系统性能的分析主要包括稳态性能 分析和动态性能分析。系统的稳态无误差 ess标 志着系统最终可能达到的控制精度，它包括跟 随稳态误差essr和扰动稳态误差essd。跟随误差与 系统的前向通路的积分环节个数 v 、开环增益 K 有关。 v 愈多； K 愈大，则系统的稳态精度愈高 。扰动稳态误差与扰动量作用点前的前向道路 的积分环节个数vl和增益Kl有关，vl 愈多，Kl愈 大，则系统的稳态精度愈高。对于随动控制系 统，主要考虑跟随稳态误差；而对于恒值控制 系统，主要考虑扰动稳态误差。
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此时，系统的稳定性和快速性都比较好。在工程上常 称取ξ=0.707的系统为“二阶最佳系统”。 以上的分析虽然是对二阶系统的，但对高阶系统，如 果能以系统的主导极点 ( 共扼极点 ) 来估算系统的性能，即 只要能将它近似成一个二阶系统，就可以用二阶系统的分 析方法和有关结论对三阶及三阶以上的高阶系统进行性能 分析。
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调整时间是从给定量作用于系统开始，到输 出量进入并保持在允许的误差带 ( 误差带是指离稳 态值c(∞)偏离 δ c (∞) 的区域)内所经历的时间。 δ 通常分为5％(要求较低)和2％ (要求较高)两种。 由于输出量c(t)通常为阻尼振荡曲线，c(t)进入 误差带的情况比较复杂，所以通常以输 出量的包络线b(t) 进入误差带来近似求取调整时间 ts。
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6.1.4 系统稳态性能综述 (1) 系统的稳态误差由跟随稳态误差和扰动稳态 误差两部分组成，它们不仅和系统的结 构、参数 有关，而且还和作用量(输入量和扰动量)的大小、 变化规律和作用点有关。 跟随稳态误差essr：系统开环传递函数中所含积 分环节个数(v)愈多，开环增益K愈大， 则系统的稳态性能愈好。 扰动稳态误差 essd ：扰动作用点前，前向通路所 含的积分环节个数 vl 愈多，作用点前的增益 Kl 愈 大．则系统抗扰稳态性能愈好。 (2) 作用量随时间变化得愈快，作用量产生的误 差也愈大。
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
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析电气自动控制系统是一种用于控制和监视电气设备、机器和工艺流程的系统，它能够通过传感器和执行器实现自动化和远程控制。
电气自动控制系统广泛应用于工业生产、交通运输、建筑物管理等领域，对提高生产效率、降低能耗、保障安全生产具有重要作用。
本文将从系统架构、工作原理和应用领域等方面对电气自动控制系统进行分析。
一、系统架构电气自动控制系统通常由传感器、控制器和执行器组成。
传感器用于采集被控对象的实时参数，如温度、压力、速度等，将采集到的信号转化为电信号送至控制器。
控制器根据传感器反馈的信号进行数据处理，根据预设的控制策略生成控制信号，通过执行器对被控对象进行调节。
执行器包括电机、阀门、开关等，能够根据控制信号实现对被控对象的控制。
电气自动控制系统通常还包括人机界面和通信网络，用于操作控制系统和监视被控对象的状态。
二、工作原理电气自动控制系统的工作原理是基于反馈控制的闭环控制。
传感器不断采集被控对象的参数，并将这些参数反馈给控制器进行处理。
控制器根据传感器反馈的信息与设定值进行比较，计算出误差，并据此调整控制信号，使被控对象的实际参数逐渐接近设定值。
通过反复调节执行器的控制信号，使被控对象保持在设定状态，实现控制系统对被控对象的自动调节和监控。
三、应用领域电气自动控制系统在工业自动化领域有着广泛的应用。
在制造业中，电气自动控制系统能够实现对生产设备的自动控制，提高生产效率和产品质量。
在交通运输领域，电气自动控制系统能够实现对交通信号、车辆行驶路线的智能控制，提高交通运输效率和安全性。
在建筑物管理领域，电气自动控制系统能够实现对空调、照明、电梯等设备的自动控制，降低能耗，提高建筑物的舒适性和安全性。
电气自动控制系统还在能源、环保、医疗等领域有着重要的应用价值。
电气自动控制系统是一种能够实现对电气设备、机器和工艺流程的自动化控制与监测的系统，它在工业生产、交通运输、建筑物管理等领域有着广泛的应用。
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交流电机控制
➢ 旋转磁场
➢ 方向控制
➢ 改变任意两相顺序
➢ 速度控制
➢ 转差率s ➢ 极对数p
n 60f1 (1s) p
➢ 频率f1
➢基频以下，电压频率比不变
➢基频以上，电压不变，磁通下降
➢ 转矩控制(定子相电压)
➢ 变频调速
U14.44 f1N1
交流变频控制
➢ 变频技术分类 ✓ 交－直－交变频 ✓ 交－交变频
伺服电机
➢将输入的电压信号（控制电压）转变为转轴
的角位移或角速度输出
是低速转矩
➢ 电动机的控制目标
➢ 速度：各种电机都能够满足 ➢ 转矩：直流电机、伺服电机 ➢ 位置：步进电机、伺服电机
直流电机控制
➢ 速度控制
➢ 励磁控制法(改变励磁电流) n Ua IaRa
➢ 改变电枢电压(PWM调速)
CE
➢ 改变电枢电阻
➢ 转矩控制
➢ 改变电枢电流
TCTIa
➢ 特点
➢ 速度与转矩分开控制，没有耦合，容易实现
步）
➢脉冲数增加，位移增加；脉冲频率提高，速度提高；分
配脉冲的相序改变，方向改变
➢ 特点
➢ 控制特性好：速度取决于脉冲频率，位移取决于
脉冲数量
➢ 误差不累计，步距角不受干扰影响，具有良好的
跟随性：一个脉冲一个角度
➢ 动态响应快，易于启动、停止，正反转，调速 ➢ 精度比较差，存在失步和震荡现象
步进电机原理
➢ 变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障 或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过 50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器
选件才能用途
➢ 用于交流异步电动机，实现伺服控制 ➢ 通过编程，可以对电动机的位置、转速、加速度和转矩实
➢ 负载类型：恒转矩、恒功率、风机类
➢ 变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在 高的效率值下运转。变频器的功率分级与电动机功率分级不 相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，略大 于电动机的功率。当电动机属频繁起动、制动工作或处于重 载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变 频器长期、安全地运行。
➢转子4个齿，齿距角90度（步距角30度＝齿距角/相数）
步进电机通电方式与步距角
➢通电方式
➢单相轮流通电(三相三拍)：U—V—W — U ➢双相轮流通电(三相双三拍)：UV—VW—
WU—UV
➢单双相轮流通电(三相六拍)： U—UV—V—
VW—W—WU—U
➢步距角（定子通电一次，转子转过角度）
➢三相三拍、三相双三拍：120/转子齿数（如
➢ 控制方式
✓ V/f 控制：压频比控制
✓开环、精度低
✓ 矢量控制：模拟直流电机解耦控制
✓速度闭环，一般采用编码器测速
✓ 直接转矩控制
✓高精度转矩控制
主要变频器厂家
➢ 国外
✓ 安川 Varispeed G5/G7 ✓ 西门子 SIMOVERT MASTERDRIVERS ✓ 富士 G11S、P11S ✓ ABB ACS-550 ✓ 三菱 FR E500 ✓ 东芝 ✓ 日立 ✓ 爱默生 TD3000
转磁场
➢转子（励磁绕组）：通入直流电，产生磁场 ➢定子磁场与转子磁场异性相吸，使得转子与定
子磁场同步旋转
➢调速方式
➢极对数 ➢三相交流电频率
步进电机控制
➢ 步进电机（脉冲电机，输入为脉冲电压，不是
交流/直流电源）
➢ 将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行机构。 ➢ 对电机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度（一
➢脉冲＋方向；A/B相脉冲
➢ 具有电子齿轮功能
IMS伺服控制器主回路连接
IMS伺服控制器控制回路连接
IMS伺服控制器编程
➢ 在PC上用编辑器编写IMS语言代码 ➢ 用专用的编译工具转换成IMS中间代码 ➢ 人工或通过RS232将中间代码传到控制器
交流同步电机
➢工作原理
➢定子（电枢绕组）：通入三相交流电，产生旋
➢ 国内
✓ 森兰 ✓ 华为
三菱FR E500变频器
➢ 动力线
✓ L1、L2、L3 ✓ U、V、W
➢ 输入
✓ 正反转控制
❖STF、STR
✓ 速度控制（频率控制）
❖RH、RM、RL ❖模拟输入
✓ 输出 ✓ 报警输出 ✓ 频率检测 ✓ 模拟量输出
➢ 通信
✓ RS485
西门子MM440变频器
变频器选型
计算机自动控制系统
➢ 自动控制系统组成与电机控制 ➢ 低压控制电器与选择 ➢ 控制电气图
自动控制系统组成
➢ 动力执行部件
➢ 电动机
➢运动电机：直流电机、交流异步电机、交流同步电机 ➢控制电机：步进电机、伺服电机
➢ 液压与气压
➢ 控制与保护回路
➢ 低压控制电器（空气开关、接触器、继电器、
熔断器等）
➢ 控制逻辑与计算机
行高性能的灵活控制
➢ 特点
➢ 采用位置控制方式，可以实现精确定位（1个脉冲） ➢ 具有零伺服锁定功能 ➢ 采用专用的QMCL语言进行编程控制，简单 ➢ 具有通信功能，可以由PC、PLC、单片机等上位机进行
控制和监测
➢ 丰富的输入输出口
➢16个数字输入、13个数字输出，2个模拟量输入、2个模拟量输出 ➢RS232、RS422/485通信接口（可由上位机控制15个控制器） ➢单/双PG输入（双轴联动同步），脉冲输出
➢ U相通电：转子齿1、3吸引到定子U极
➢V1/V2定子齿与转子齿2、4错开30度
➢ V相通电：转子顺时针转30度，与V相定子对齐
➢W1/W2定子齿与转子齿1、3错开30度
➢ W相通电：转子顺时针转30度，与W相定子对齐
➢U1/U2定子齿与转子2、4错开30度
➢ U/V/W轮流通电，磁场转一周，转子转一个齿距
转子齿数为40，则齿距角为3度）
➢三相六拍：60/转子齿数（如转子齿数为40，
则齿距角为1.5度）
步进电机控制系统
➢控制系统组成
➢控制器：产生指定频率的电脉冲信号 ➢环形分配器：将电脉冲信号按一定顺序加到电
机的各相绕组
➢功率放大器：使电机能够输出足够的功率 ➢步进电机：执行机构
➢控制内容
➢位置控制、速度控制、方向控制
➢ PLC、专用计算机（如DTC）、工控PC
电动机的选择与控制
➢ 电动机选择
➢ 满足机械运动的转矩和速度要求
➢根据负载计算转矩；由转矩和转速计算电机的功率；
校核电机发热。
➢ 没有运动位置要求时，一般选择交流异步或同
步电机（早期选择直流电机）；需要位置控制 时，选择步进或伺服电机
➢ 需要考虑电机在不同转速下的转矩特性，特别