第10章 控制系统设计分析共84页
控制系统设计及分析
控制系统设计及分析一、SISO 控制系统的模型1、环节串联G(s)=G1(s)*G2(s)*…*Gn(s)sys=sys1*sys2*…*sysn或:sys=series(sys1,sys2); sys==series(sys,sys3); …;sys=series(sys,sysn)或：[num,den]= series(num1,den1,num2,den2);[num,den]= series(num,den,num3,den3);…;[num,den]= series(num,den,numn,denn);sys=tf(num,den)Ex311.m ：求三个控制环节串联后的传递函数：3256:3)1(32:2)1(1:122+++++++s s sys s s sys s s s s sys%sys1的传递函数num1=[1,1];den1=conv([1,0],[1,1,1]);sys1=tf(num1,den1);%sys2的传递函数num2=[2,3];den2=conv([1,1],[1,1]);sys2=tf(num2,den2);%sys3的传递函数num3=[6,5];den3=[2,3];sys3=tf(num3,den3);%系统串联总的传递函数sys=sys1*sys2*sys32、环节并联G(s)=G1(s)+G2(s)+…+Gn(s)sys=sys1+sys2+…+sysn或:sys=parallel(sys1,sys2);sys=parallel (sys,sys3);…; sys= parallel (sys,sysn)或:[num,den]= parallel (num1,den1,num2,den2); [num,den]= parallel (num,den,num2,den2);…;[num,den]= parallel (num,den,numn,denn);sys=tf(num,den)Ex312.m ：求三个控制环节并联后的传递函数：321:3)1(32:2)1(1:122+++++++s s sys s s sys s s s s sysnum1=[1,1];den1=conv([1,0],[1,1,1]);sys1=tf(num1,den1);num2=[2,3];den2=conv([1,1],[1,1]);sys2=tf(num2,den2);num3=[1,1];den3=[2,3];sys3=tf(num3,den3);%系统并联总的传递函数sys=sys1+sys2+sys33、反馈连接)()(1)()()(s H s G s G s X s X i o ±= “+”为负反馈，“-”为正反馈sys 为系统闭环传递函数；sys1表示G(s)；sys2表示H(s):格式：sys=feedback(sys1,sys2,sign)sign=1表示“-”为正反馈；sign=-1表示“+”为负反馈，缺省为负反馈。
《控制系统分析方法》课件
频域分析法
总结词
通过频率域来描述系统的性能。
详细描述
频域分析法是一种间接的分析方法，通过将系统函数转换为频率域中的传递函数来研究系统的性能，如稳定性、 带宽、相位和增益等。
状态空间分析法
总结词
通过状态空间模型来描述系统的动态行为。
详细描述
状态空间分析法是一种基于状态变量的方法，通过建立和解决状态方程来研究系统的动态行为，如稳 定性、可控性、可观测性等。
《控制系统分析方法》PPT课 件
• 控制系统概述 • 控制系统分析方法 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统优化设计 • 控制系统应用实例
01
控制系统概述
控制系统的定义与组成
01
02
03
04
总结词
控制系统的定义、组成和控制 方式
控制系统的定义
控制系统是一种通过反馈机制 来调节和控制系统参数，以达
VS
详细描述
温度控制系统广泛应用于各种工业领域， 如化工、制药、食品加工等。通过温度控 制，可以确保生产过程中的温度参数稳定 ，提高产品质量和生产效率。
液位控制系统
总结词
利用液位传感器检测液位高度，控制器根据 设定值与实际值的偏差进行计算，输出控制 信号调节进液或出液阀门的开度，以实现液 位的自动控制。
到预期目标的系统。
控制系统的组成
控制系统通常由控制器、受控 对象、执行机构和反馈装置等
部分组成。
控制方式
控制方式可分为开环控制和闭 环控制，其中闭环控制具有更
好的稳定性和适应性。
控制系统的基本类型
总结词
连续控制系统、离散控制系统和计算机 控制系统
离散控制系统
离散控制系统是指系统中信号的传递 和处理是按照时间序列进行的，常见
控制系统的设计与实施
闭环控制在日常生活中应用
普通电饭煲的结构：普通电饭煲主要由发热盘、限温器、 保温开关、杠杆开关、限流电阻、指示灯、插座等组成。
1、发热盘：
这是电饭煲的主要发热元件。这是一个内嵌电发热管的铝 合金圆盘，内锅就放在它上面，取下内锅就可以看见。
2、限温器：
又叫磁钢。它的内部装有一个永久磁环和一个弹簧，可以 按动，位置在发热盘的中央。煮饭时，按下煮饭开关时，靠磁 钢的吸力带动杠杆开关使电源触点保持接通，当煮米饭时，锅 底的温度不断升高，永久磁环的吸力随温度的升高而减弱，当 内锅里的水被蒸发掉，锅底的温度达到103±2C时，磁环的吸 力小于其上的弹簧的弹力，限温器被弹簧顶下，带动杠杆开关， 切断电源。
控制过程：
转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲 水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直 到指定水位时，进水阀关闭。
讨论:
在抽水马桶水箱自动控制系统 的设计案例中，如果要节约用水， 减少水箱每次冲水的量，你能设计 哪几种方案？
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变 化的，即
冲水量＝水箱横截面积X设定高度
设计分析：
根据设计要求，选择闭环控制系统。被控 对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水 箱水位的高度，控制量是进水管的水流量，水 箱水位的高度与进水量之间呈线形关系，主要 干扰因素是水箱的出水流量。
方案构思：
采用浮球作为水位高度的检测装置。 当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出 现了水位差（给定的水位高度与实际水位 高度之差），这个信号通过浮球、连杆机 构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱 进水；当水箱的水位达到水箱的某个高度 时，水位差为零，进水阀关闭。
3、保温开关：
又称恒温器。它是由一个弹簧片、一对常闭触点、一 对常开触点、一个双金属片组成。煮饭时，锅内温度升高， 由于构成双金属片的两片金属片的热伸缩率不同，结果使 双金属片向上弯曲。当温度达到80C以上时，在向上弯曲 的双金属片推动下，弹簧片带动常开与常闭触点进行转换， 从而切断发热管的电源，停止加热。当锅内温度下降到 80C以下时，双金属片逐渐冷却复原，常开与常闭触点再 次转换，接通发热管电源，进行加热。如此反复，即达到 保温效果。
《控制系统设计方法》课件
现代设计方法
最优设计法
基于最优化原理进行系统分析和 设计，如线性规划、二次规划等
。
鲁棒设计法
考虑系统的不确定性，通过鲁棒性 分析和设计提高系统的稳定性和性 能。
可靠性设计法
基于可靠性理论进行系统设计和分 析，以提高系统的可靠性和可用性 。
《控制系统设计方法 》ppt课件
目 录
• 控制系统概述 • 控制系统设计方法 • 控制系统分析 • 控制系统实现 • 控制系统应用案例
01
控制系统概述
控制系统的定义与组成
总结词
控制系统的定义
控制系统的组成
控制流程
控制系统的定义、组成和控制 流程
控制系统是一种通过反馈机制 来调节和控制系统输出，使其 达到预期目标的系统。
详细描述
工业控制系统的应用案例包括自动化生产线控制、过程控制、智能制造等领域。 这些系统通过传感器、控制器和执行器等设备，实现对生产过程的实时监测和控 制，提高生产效率和产品质量，降低能耗和减少人力成本。
航空航天控制系统应用案例
总结词
航空航天控制系统的精度和可靠性要求极高，通过先进的控制算法和技术，实现飞行器的稳定可靠运 行。
控制系统通常由控制器、受控 对象、执行器、传感器和反馈 通道等部分组成。
传感器检测受控对象的输出， 并将其反馈给控制器；控制器 根据设定值和反馈值的偏差， 通过执行器产生控制作用，调 节受控对象的输入，从而控制 其输出。
控制系统的基本类型
总结词
开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统的 特点和应用
设计合理的软件架构，包括主程序、中断服 务程序、任务调度程序等。
控制系统的分析方法PPT
G (s) s6 1s5 4 13 s s 1 4 3 5 1 0 s s 2 2 6 3 4 1 8 s 1 4 2 s2 9 2 84 1 s 1 11 72
4
ii=find(条件式) 用来求取满足条件的向量的下标向量，以列向量表示。
例如 exp4_1.m中的条件式为real(p>0)，其含义就是找出极点
3
例exp4_1.m 已知某系统的模型如右所示：
x
1 2 4
2 6 7
0
u
5 0
7 2 1
6
1
y 2 5 6 1x 7u
要求判断系统的稳定性及系统是否为最小相位系统。
例exp4_2.m
系统模型如下所示，判断系统的稳定性，以及系统 是否为最小相位系统。
[y,x,t]=step(num,den)：此时时间向量t由系统模型的特性自动生成, 状 态变量x返回为空矩阵。
[y,x,t]=step(A,B,C,D,iu)：其中A,B,C,D为系统的状态空间描述矩阵，iu 用来指明输入变量的序号。x为系统返回的状态轨迹。
如果对具体的响应值不感兴趣，而只想绘制系统的阶跃响应曲线，可 调用以下的格式：
➢ 控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分析、频域 分析及根轨迹分析。
1
第一节 控制系统的稳定性分析
一、系统稳定及最小相位系统判据
对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半 平面，则系统是稳定的。 对于离散时间系统，如果系统全部极点都位于Z平面 的单位圆内，则系统是稳定的。 若连续时间系统的全部零极点都位于S左半平面；或 若离散时间系统的全部零极点都位于Z平面单位圆内， 则系统是最小相位系统。
pzmap(p,z) 根据系统已知的零极点p和z绘制出系统的零极点图
控制系统的设计与实施课件
设计分析： • 采用开环控制系统，被控对象是国旗，被
控量是上升的速度，控制量是电动机的转 动与停止（或速度）。 • 这一开环控制系统由计时装置和控制升旗 的装置共同完成。 • 计时装置和控制升旗装置的实现可以有多 种方案。例如，采用机械定时器和电动机 实现；采用成品电子定时器和电动机实现， 采用自制电子定时器和带有可调速电路的 电动机实现；采用音频信号、触发电路和 电动机实现。 采用任何一种方案实现控制，都要经过若 干次调试，直到符合设计要求为止。
电吹风的控制工作过程：
电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个 小电风扇扩散出去。
方案构思：
选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。 设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的 阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动， 产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设 定的风种相对应的风。 确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必 要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件， 进行组装、调试。
世界100大发明之一，生活必备，每天都要使用
闭环控制系统的设计
不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也 不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：
1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过动态调整 使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系 统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来， 还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。 2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量 与给定值之差应控制在允许的范围之内。 3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
升旗简易控制装置的设计
案例分析：自动升旗简易控制装置的设计
陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完《技术 与设计2》模块后，他决定利用所学知识设计一套 能实现自动升旗的简易控制装置的模型。 设计要求：
控制系统设计PPT课件
三、系统的过渡过程和性能指标
(1)稳态性能 对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响
应的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号 作用下，时间t趋向于无穷大时的稳态输出与参考 输入整定的希望输出之差。
对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下 的系统响应的稳态误差就是：
• (2). 参量模型 • 当数学模型是采用数学方程式来描述时，
称为参量模型。参量模型按其讨论域可分 为时域模型、复数域模型和频域模型。 •
三、 数学模型的建立
建立数学模型的主要方法有： 分析法和实验法
分析法特点：方程复杂，难解算
实验法关键：测试方法和测试信号的选 择；常用测试方法有：时域法、频率 法和统计法；常用的测试信号：单位 阶跃信号
4．按系统输出的变化规律分类 (2)程序控制系统 特点：在外界条件的作用下系统的输出按预定程
序变化 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的
时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的 温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类 系统的例子。
4．按系统输出的变化规律分类 (3) 随动控制系统
(Qi Qo )dt Adh
三、 数学模型的建立
• Q变、i量Q，、o得h出都只是有时间Qi和的h变为量变，量因的而关还系需式消。去考中虑间到
变化量很微小，可以近似认为Qo与h成正比，与
阀门2的阻力系数Rs成反比，即
h
Qo
和上式合并，可得：
Rs
h (Qi Rs )dt Adh
三、 数学模型的建立
随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变 系统与时不变系统
控制系统的综合和设计PPT课件
Aˆ P1APAˆc 0
AAˆˆ1c2,Bˆ P1BB0ˆc
其中Aˆc Rkk，即rankQc k
特征值 实部小 于零
状态反馈镇定矩阵的算法
判断(A,B)的能控性。若不完全能控，进入下一步； Step 1 若完全能控，去Step 5。
SStteepp 22 Step 3
对(A,B) 按能控性结构分解，构造变换矩阵P，计算
x& Ax Bu
y
Cx
输出反馈控制器： uFyRv
其中，v为参考输入；F为输出反馈增益矩阵； R为前馈增益矩阵。
vR
u
B
－
+
x C y
A
F
指令位置 r(t)
－
K
1 Ts 1
速度 1
s
位置 y(t)
位置反馈构成的闭环系统
输出反馈后闭环系统： x&(ABFC)xBRv yCx
闭环系统的传递函数为：
给定一个极点集合，能通过状态反馈进行配置的充 分必要条件是该极点集合包含开环系统所有不能控 极点。
状态反馈对传递函数零点的影响
0
0
A M
0
0
10 0O OO L0
1 L
L O 1 0
n2
c 1 2 L n
0
M
0 ,
1
n1
0
0
b M 0
1
G (s) c(sI A ) 1 bsn n 1 n s n 1 s 1 n 1 L L 1 s1 s 00
lk+1,…, ln；
4. 则 P l1l2Llk lk 1Lln
状态反馈下的极点配置算法
Step 1 Step 2 Step 2
控制系统设计总结完整版
一. 频谱分析1. 频谱概念答：傅里叶级数的系数表示了各次谐波的幅值和相位，这些系数的集合成为频谱。
2. 线状谱，连续谱答：周期信号对其求傅里叶级数，可得到其频谱，周期信号的频谱是离散的；非周期信号一般可视为T →∞的周期信号，对其取傅氏变换得到频谱，一般来说，其频谱是连续的。
非周期信号可以进行周期延拓，这时它的频谱就是对应周期信号的频谱的包络线，但幅值有可能不同。
3. 典型频谱特性（阶跃谱，常值谱，脉冲谱，余弦谱）答：脉冲信号的频谱是一常值A 且包含所有的频率，频谱丰富。
余弦谱若输入为t A 1cos ω，则其线谱为 -1δ处的两个f f ±=函数（脉冲函数）构成，脉冲函数的面积为2A ，即幅值是2A 。
常值谱在所有的频段上均为零，仅在零频率（直流）上有一个-δ函数。
阶跃谱有一个连续变化的部分和一个-δ函数，-δ函数代表直流分量，其他各次谐波构成以连续谱，连续谱随频率增加很快衰减。
（P18） 4. 离散，快速傅里叶变换的区别答：①DFT 为离散傅里叶变换，是用数值计算的方法求信号的频谱。
其一般公式为：()()1-1,0,/2-1-0*N k e n f k F N jnk p N n ⋯==∑=π对一段给定的信号，在一个周期内取N 个采样点，求其离散傅里叶变换，再除以N 就可得对应的线谱。
②FFT 为快速傅里叶变换，它是为了提高DFT 的计算效率而提出的。
对FFT 而言，一般要求时间点数为2的整数次方，即rN 2=。
5. 如何改变谱密度答：线谱之间的距离T w /2π=∆，增大周期T ，谱线距离减小，谱密度增大。
6. 频谱的参数有什么影响 答：二．输入信号和跟踪误差1. 典型输入信号设计答：系统设计时，输入信号是从工作信号中提取抽象的，也就是典型工作信号作为系统设计时的输入信号，一般也作为系统鉴定时的检测信号。
典型信号的确定P36：①根据系统预定执行的任务来确定 ②确定典型输入时要对实际情况做一些简化2. 计算误差方法 答：P41；令)()()(s A s B s K s G γ=，当γ=0时为0型系统，K 用p K 表示，γ=1时为I 型系统，K 用v K 表示，γ=2时为II 型系统，K 用a K 表示，静态误差： 系统类型γ低频部分)(s G静态误差系数位置 速度 加速度 0 0 p K 1/(1+p K )∞∞I 1 v K /s 0 1/v K ∞II2a K /s1/a K3. 动态误差的频域解释（动态系数法的频率）答：当输入信号变化时，跟踪过程中的误差信号可以看作是由输入信号中的位置，速度，加速度等分量引起的，各项误差与相应的分量的比例系数就成为动态误差(P42)（为什么动态误差系数法计算误差时只进行有限项计算数就可以达到极高精度？）因为系统对输入的响应一段时间以后会趋于稳定，所以误差经一定时间后也趋于很小范围，也就是说误差主要体现在相应的初始阶段，所以动态误差系数法计算误差时可以计算有限项即可。
控制系统设计与调节
控制系统设计与调节控制系统设计与调节是一门研究如何设计和调整控制系统的学科。
在现代工程领域，控制系统广泛应用于工业自动化、机器人技术、机械控制等各个领域。
在本文中，我们将详细探讨控制系统设计和调节的基本原理、方法和应用。
一、控制系统设计1.1 控制系统的定义和分类控制系统是指对被控对象进行监测、测量和控制的一组设备和程序的集合。
根据被控对象的性质和控制需求的不同，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
1.2 开环控制系统设计原理开环控制系统是指控制器的输出不受被控对象的反馈控制信号影响的系统。
开环控制系统设计的关键是根据被控对象的特性和控制要求，选择合适的传感器和执行器，并设计适当的控制算法。
1.2.1 传感器的选择在开环控制系统中，传感器用于对被控对象的状态进行监测和测量。
传感器的选择应考虑被控对象的特性和控制要求，确保传感器能够提供准确的状态信息。
1.2.2 控制器的设计控制器是开环控制系统的核心部分，负责根据传感器提供的状态信息，生成控制信号来控制被控对象的行为。
控制器的设计应考虑被控对象的特性和控制要求，选择合适的控制算法和参数。
1.2.3 执行器的选择执行器是开环控制系统中负责执行控制信号的设备，如马达、电机等。
在选择执行器时，需要考虑被控对象的特性和控制要求，确保执行器能够实现预期的控制效果。
1.3 闭环控制系统设计原理闭环控制系统是指控制器的输出受到被控对象的反馈控制信号影响的系统。
闭环控制系统设计的关键是建立合适的反馈环路，使控制系统能够根据被控对象的实际状态进行调节。
1.3.1 反馈环路的建立在闭环控制系统中，需要将被控对象的状态信息传回给控制器，从而实现对控制信号的调节。
建立反馈环路时需要选择合适的传感器，并设计适当的反馈算法。
1.3.2 控制器的设计闭环控制系统中，控制器需要根据反馈信号对控制信号进行调节。
控制器的设计应综合考虑被控对象的特性、控制要求和反馈信息，选择合适的控制算法和参数。
过程控制工程控制系统的分析与设计
简单控制系统
概述
简单控制系统的特点：
系统结构简单，投资少，易于调整和投运； 能满足一般生产过程的控制要求，尤其适用于被控对象时滞和时间常数都较小，负荷 和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。
按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种 控制系统。
简单控制系统
控制阀的选择
控制阀流量特性及其选择
气动控制阀的特性一般可以用一阶滞后环节 T s 1 形式描述。放大系数 K v 是阀 的静态特性；时间常数 T v 反映阀的动态特性。
v
Kv
流量特性的定义：是指流体通过阀门的相对流量与相对开度之间的函数关系。
Q Q
Q
max
f(
l L
合理选择操纵变量?合理选择ห้องสมุดไป่ตู้纵变量?关联系统的控制器参数整定?合理匹配控制通道增益?串级控制法?设置解耦器简单控制系统简单控制系统的整定及投运?系统投运前的准备?三熟悉电气线路检查?电气线路检查?一次表与变送器的检查?控制器的检查?控制阀的检查?综合检查?控制系统的投运通过适当的方法使控制器从手动工作状态平稳地转到自动工作状态
( s 1 T f )[ 1 G o ( s ) G c ( s )] 0
(t ) L
1
t [G f ( s ) F ( s )] K f (1 e
f
)
，则系统的特征方
1）由干扰通道的输出方程可见， 应尽可能的小。 K T 2）由干扰通道的输出方程可见， 越大，干扰通道对扰动信号 的滤波能力越强，干扰对被控变量的影响也越缓和。 3）由系统的特征方程可见， 越大，过渡过程的动态分量幅值 T 越小，相应的超调量也越小，使控制质量得到提高。
控制系统分析方法
LabVIEW
LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛应用于测试 和测量领域的控制系统仿真。
Simulink/Stateflow
Simulink是MATLAB的一个模块，用于建立 和仿真动态系统，Stateflow则用于状态图 设计和控制逻辑设计。
03
控制系统稳定性分析
稳定性定义与判定
稳定性定义
如果一个系统受到扰动后能够回到原 来的平衡状态，则称该系统是稳定的 。
判定方法
通过分析系统的极点和零点，判断系 统的稳定性。
线性系统的稳定性分析
线性系统的稳定性条件
如果线性系统的极点均位于复平面的 左半部分，则系统是稳定的。
劳斯稳定判据
通过计算劳斯表，判断线性系统的稳 定性。
极点配置是一种通过状态反馈配置系统极点的设计方法，通过选择适当的 极点以实现系统的性能要求。
状态反馈是将系统的状态变量反馈到控制器中，用于调整控制输入，以改 善系统的性能。
极点配置与状态反馈控制设计通常应用于多输入多输出系统，通过状态反 馈矩阵的求解和极点配置实现系统的最优控制。
06
控制系统仿真技术
控制器是控制系统的核心，负责接收 输入信号，并根据控制规律产生控制 指令。
反馈通路是连接受控对象和控制器之 间的通道，用于将受控对象的输出信 号反馈给控制器。
控制系统的基本类型
01
02
03
开环控制系统
没有反馈回路的控制系统， 输入信号直接作用于受控 对象，输出信号不反馈给 控制器。
闭环控制系统
具有反馈回路的控制系统， 输出信号通过反馈回路回 到控制器，控制器根据反 馈信号调整控制指令。
电气自动化控制系统设计分析
电气自动化控制系统设计分析摘要：在当前社会经济不断发展的情况下，人们对于工业生产的需求不断增加，对于生产效率有了更高的要求，为进一步提升社会工业化水平，电气自动化控制系统的重要性逐渐得以凸显。
科学合理地进行控制系统的设计，能够进一步提高电气工程运行的稳定性以及可靠性。
因此加强对于电气自动化控制系统的设计和应用研究是十分有必要的。
关键词：电气自动化；控制系统设计；控制要点1导言人们的生活节奏随着现代信息科技的发展不断加快，人们的工作效率和对生活工作舒适性要求不断提高，通过合理利用电气自动化技术能够提升建筑产品功能，为人们创造便捷舒适的环境。
鉴于此，文章针对电气自动化控制系统设计控制要点进行了分析，以供参考。
2电气工程自动化技术的设计原则第一，综合性原则。
进行电气工程自动化技术设计时，需要遵守综合性原则。
综合性原则要求设计人员将理论与实践相结合进行设计，并结合工作经验与相关技术经验。
将企业的工业生产情况、设计活动作为设计的基础指标，再选择合适的电子元件，利用辅助设备进行设计，以保证组装系统的科学性、合理性，使其与企业的生产活动方式相契合，以提高企业电气工程的自动化水平、智能化水平，提升工作效率。
第二，经济性原则。
设计人员应遵守经济性原则，在保障企业经济效益的前提下进行系统设计。
进行系统设计时，需要设计人员在保障系统设计质量的同时，合理控制设计成本。
进行硬件设计时，需要选择经济性较高的材料，严格控制采购装备的价格，制定相关的设计优化方案，避免盲目采购。
第三，既定原则。
在电气工程软件设计的过程中，需要遵守既定原则，市场中软件具有多样性，不同软件具备的优势存在差异。
为了保证系统与企业生产活动的契合性，设计人员应结合企业的自动化技术、生产活动现状等方面，再选择针对性强的软件，为了保证其质量，需要从正规渠道获取软件。
设计人员在进行软件设计的过程中，需要结合企业的电气工程实际情况、自动化技术开展系统设计，只凭借主观经验，会导致系统设计与企业的生产活动不匹配，影响工作效率。
电气自动化控制系统设计分析
电气自动化控制系统设计分析发布时间：2021-07-26T10:21:32.633Z 来源：《科学与技术》2021年9期作者：于晓红王建军[导读] 自第二次工业革命完成后，电力成为人们日常生产生活中必不可少的二次能源于晓红王建军浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州分公司浙江杭州 310000摘要：自第二次工业革命完成后，电力成为人们日常生产生活中必不可少的二次能源，随着计算机技术以及电力技术的发展，如何使得电力的供给更加智能化成为了人们关注的热点，电气自动化技术也由此而生。
相较于传统技术，电气自动化控制系统具有效率高、误差小、准确率高等突出优点；同时在电网中，由于发电站负担着发电、调峰调频、事故备用的重要作用，而发电站的位置一般远离城市，工作环境和工作条件都比较差，单靠人力无法保障其安全稳定的运行，因此电气自动化控制系统在发电站中应用十分广泛。
关键词：电气自动化；控制系统；设计1 电气自动化系统设计原则及规范电气自动化系统一般是基于对各种数据处理之上的，因此在进行其系统设计时首先应对发电站内的设备输入、输出量进行细致分析，设计好数据库，然后才能通过相应的功能模块和网络结构进行硬件及软件的选型。
电气自动化系统设计应遵循的标准有：DL/T578-95《电厂计算机监控系统基本技术要求》、DL/T5065-1996《发电厂计算机系统设计规定》、DL5002《地区电网调度自动化设计技术规程》等。
2 电气自动化设计原则2.1安全性电气自动化工程开展过程中，电气设备的安全运行是非常关键的，这不仅仅是为了更好的完成节能，在很大程度上也关系着生产作业的安全性，因此要将电气自动化的相关技能设计应用在实际的电气自动化工程中，一定要保证相关节能设计的安全性，这样才能更好的保证电气自动化工程的有效运行。
首先从材料来说，电气自动化节能设计中所应用的相关材料要有相应的安全标准其次，在相关设计应用过程中要进行安全检测，避免其中出现问题，影响最终的电气自动化工程质量。
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第10章 控制系统设计分析
(1) 修改系统模型，如图10.3所示。 其中Inport、Outport分别表示系统的输入与输出，增 益模块的作用是将速度单位km/h转变为mph，其值为5/8。 (2) 求取滑艇速度控制系统在此工作点处的平衡状态。 在MATLAB命令窗口中使用trim命令获得系统在输出 为100 mph时的平衡状态： >> [x, u, y, dx]=trim('wherry_control', [ ], [ ], 100, [ ], [ ], 1)
A= -0.3190 B= 1.0000e-003
第10章 控制系统设计分析
C= 0.6250 D= 0
从而得到线性化后系统的状态空间描述，其中A、 B、C与D是线性系统的状态空间矩阵。故相应的线性 系统的状态空间描述方程为
x0.319x0.00u1 y0.625x
第10章 控制系统设计分析
4. 使用LTI Viewer进行非线性系统的线性分析 除了使用前面的命令行方式对非线性系统进行线
第10章 控制系统设计分析
10.1 控制系统的线性分析
10.1.1滑艇动态方程及其线性化
1. 滑艇动力学方程
在滑艇的运行过程中，滑艇主要受到如下作用力的
控制：滑艇自身的牵引力 F ，滑艇受到的水的阻 力 f 。其中水的阻力 f v2 v ，为滑艇的运动速
度。由运动学的相关定理可知，整个滑艇系统的动力
(1) 在滑艇速度控制系统模型中加入Input point与 Output point，如图10.5所示。
第10章 控制系统设计分析
从Model_Inputs_and_Outputs 模块库中将参考输入点与参 考输出点拖动到滑艇速度控 制系统模型中
S-函数源文件
* my_sfunction
#define S_FUNCTION_NAME my_sfunction #define S_FUNCTION_LEVEL 2 #include "simstruc.h"
获得胜利，则滑艇必须在尽可能短的时间内达到最大 速度。设此速度控制器所能达到的最大速度为100 mph （miles per hour，英里每小时）。而在前面所提供的滑 艇牵引力仅为1000，故需要设置合适的牵引力对速度 控制器进行操纵。
第10章 控制系统设计分析
既然滑艇速度最大值为100 mph，因此在对滑艇速度 控制系统进行线性化时，希望此系统能够使滑艇的速 度基本稳定在最大速度处。换句话说，系统的工作点 应该选择为使速度达到100 mph时的系统输入与系统状 态。由于对非线性系统进行线性化表示需要给出系统 所在的操作点（即平衡点），因此在对滑艇速度控制 系统进行线性化之前，需要获得滑艇速度稳定在100 mph处的系统平衡点。按照如下步骤可以获得滑艇速 度控制系统的平衡点：
第10章 控制系统设计分析
LTI Viewer 线 性时不变 系统浏览
器窗口
图10.4 LTI Viewer窗口界面
第10章 控制系统设计分析
在对非线性系统进行线性分析时，用户必须指定所 分析的非线性系统中的参考输入点（即系统分析输入 点 Input point ） 与 参 考 输 出 点 （ 即 系 统 分 析 输 出 点 Output point）；对于wherry_control滑艇速度控制系统 而言，使用LTI Viewer对其进行线性分析的步骤如下：
第10章 控制系统设计分析
(3) Sinks模块库中的Scope模块：输出滑艇的速度。 (4) Functions & Tables模块库中的Fcn模块：求取水的 阻力。 (5) 其 它 模 块 ： Math 模 块 库 中 的 Gain 模 块 、 Continuous模块库中的Integrator模块。 使用Simulink建立的系统模型框图如图10.1所示。
x =0 u=
第10章 控制系统设计分析
2.5440e+004 y=
100 dx = -1.0914e-014
第10章 控制系统设计分析
(3) 求取滑艇速度控制系统的线性系统描述。 在获得使滑艇速度稳定在100 mph处时系统的平衡点 x、u与y之后，在MATLAB命令窗口中使用linmod命令 便可以获得相应的线性系统描述，如下所示： >> [A,B,C,D]=linmod('wherry_control',x,u)
性化处理分析之外，Simulink还提供了友好的图形界面 对非线性系统进行线性分析。使用图形界面可以使用 户对非线性系统的性能有一个非常直观的认识与理解。
在滑艇控制系统模型wherry_control中，选择Tools菜 单下的Linear Analysis命令。此时将打开LTI线性时不变 系统浏览器窗口，如图10.4所示。
学方程为
v1(F-(v2 v)) m
第10章 控制系统设计分析
其中为滑艇的质量。由滑艇系统的动力学方程易 知，此系统为一非线性系统。下面来建立此系统的 Simulink模型并进行线性分析。
2. 滑艇速度控制系统的模型建立与仿真 使用下面的Simulink模块建立滑艇速度控制系统的模 型： (1) Sources模块库中的Step模块：用来产生滑艇的牵 引力。 (2) Subsystems模块库中的Subsystem模块：构成滑艇 速度控制器子系统。
第10章 控制系统设计分析 图10.1 滑艇速度控制系统模型框图
第10章 控制系统设计分析
然后设置正确的系统模型参数与仿真参数对此系 统进行仿真，其中Step的Final Value值设置为1000（即 滑艇牵引力）、子系统中增益模块Gain的取值为1/1000 （即1/m）、Fcn模块的expression设置为u^2-u（求取水 的阻力）、系统仿真时间为0至100 s。图10.2为系统仿 真的结果。
第10章 控制系统设计分析
滑艇在牵引力为
滑艇在牵引力（值
1（00值0）1的00作0）用的下作，用 速下度，在速经度过在808s0左s 右左 的并右时稳由到间定03后在上3，3k升3m由k/并hm0。上/稳h 升定
图10.2 滑艇系统仿真结果
第10章 控制系统设计分析
3. 滑艇速度控制器系统的线性化 对于滑艇速度控制器系统而言，如果要在比赛中