简单控制系统的设计
过程控制系统简单控制系统
控制系统设计基本内容
① 确定控制方案
调研,论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点
的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方 案设计说明书等等.
② 仪表及装置的选型
要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑ 供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素.
说明 ：
框图中的各个信号都是增量.
各环节的增益有正、负之别.
通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象.
简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操 纵变量作用到被控变量的通道.扰动通道是扰动作用到被控变量 的通道.
设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统
设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控 制系统.
④ 参与施工和试车 设计代表应该到现场配合施工,并参加试车和考核.
⑤ 设计回访 在生产装置正常运行一段时间后,应去现场了解情况,听取意见,总结经 验.
4.2.2 被控变量与操纵变量的选择
被控变量选择应遵循下列原则：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变 量；
所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效 的要求
气体流量检测时,若检测点温度、压力与设计值不一致,因此需要 进行温度和压力的补偿；
精馏塔内介质成分与温度、塔压有关,正常操作时,塔压保持恒定, 可直接用温度进行控制,当塔压变化时,需要用塔压对温度进行补 偿等.
② 线性化
检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被 控变量的,它们有些存在非线性,例如,热电势与温度、 差压与流量等,这些非线性会造成控制系统的非线 性,因此,应对检测变送信号进行线性化处理.可以采 用硬件组成非线性环节实现,例如,采用开方器对差 压进行开方运算,也可用软件实现线性化处理.
《简单控制系统的设计作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术粤科版》
《简单控制系统的设计》作业设计方案第一课时引言：本作业设计旨在帮助学生加深对简单控制系统的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。
通过设计一个简单的控制系统，学生将能够掌握控制系统的基本原理和实现方法，并在实践中培养解决问题的能力。
一、作业内容：1. 设计一个简单的温度控制系统，要求能够实现在设定温度范围内保持恒温。
2. 使用Arduino或Raspberry Pi等开源硬件平台进行搭建，并编写相应的控制程序。
3. 要求控制系统能够实时监测环境温度，并根据设定值分别启动加热或制冷设备。
4. 学生需要设计原理图、程序代码，并进行实际的硬件搭建和调试。
二、作业步骤：1. 硬件准备：准备Arduino或Raspberry Pi开发板、温度传感器、继电器模块、加热或制冷设备等硬件材料。
2. 硬件连接：将温度传感器和继电器模块连接到开发板上，并连接相应的加热或制冷设备。
3. 软件编写：学生需要编写相应的控制程序，实现对温度传感器数据的读取和对加热或制冷设备的控制。
4. 调试测试：学生需要对控制系统进行调试测试，验证系统的稳定性和准确性。
5. 报告撰写：学生需要撰写控制系统设计原理、程序代码、实验步骤和结果分析等内容的实验报告。
三、作业要求：1. 学生需要独立完成控制系统的设计和搭建，不能抄袭他人作品。
2. 学生需要按时提交实验报告，并参与实验结果的讨论和分享。
3. 学生需要积极思考控制系统设计过程中的问题，并提出改进意见。
4. 学生需要在实践中培养团队合作和创新意识，共同探讨解决方案。
结语：通过本次作业设计，相信学生将能够深入理解简单控制系统的设计原理和实现方法，提高实际操作能力和创新思维，为将来的科研和工程实践打下坚实基础。
希望学生们能够认真对待这次作业，并在实践中不断学习和成长。
第二课时一、设计背景本次设计方案是针对《简单控制系统的设计》这门课程的一项学生作业设计方案。
控制系统是现代工程领域中非常重要的一个概念，通过对控制系统的设计实践，可以帮助学生更好地理解控制系统的原理和应用。
《控制系统的设计与制作作业设计方案》
《控制系统的设计与制作》作业设计方案一、项目背景控制系统是摩登工程领域中非常重要的一部分，它可以应用于各种领域，如机械、电子、自动化等。
本次作业设计旨在帮助学生深入理解控制系统的原理和应用，通过设计与制作一个简单的控制系统，来提高学生的动手能力和实践能力。
二、设计目标1. 了解控制系统的基本原理和组成结构；2. 掌握控制系统的设计与制作方法；3. 提高学生的动手能力和实践能力。
三、设计内容1. 硬件设计：设计一个简单的控制系统，包括传感器、执行器、控制器等组件；2. 软件设计：编写控制系统的程序，实现对系统的控制和监控；3. 系统调试：对设计的控制系统进行调试，确保系统正常运行。
四、设计步骤1. 硬件设计：a. 选择传感器和执行器：根据设计要求选择合适的传感器和执行器，例如温度传感器、电机等；b. 设计电路：根据传感器和执行器的特性，设计控制系统的电路；c. 组装硬件：将传感器、执行器等组件按照设计要求组装成一个完备的控制系统。
2. 软件设计：a. 编写程序：根据控制系统的功能需求，编写相应的控制程序，实现对系统的控制和监控；b. 调试程序：对编写的程序进行调试，确保程序能够正常运行。
3. 系统调试：a. 毗连硬件和软件：将设计好的硬件和软件毗连起来，进行系统调试；b. 调试系统：对系统进行调试，检查系统是否正常运行，调整参数以优化系统性能。
五、作业要求1. 学生需按照设计要求完成硬件设计、软件设计和系统调试；2. 学生需提交设计文档和实验报告，包括设计思路、实验过程和结果分析等内容；3. 学生需在规守时间内完成作业，并参与作业展示和讨论。
六、评分标准1. 硬件设计：20分2. 软件设计：30分3. 系统调试：20分4. 设计文档和实验报告：30分七、作业展示学生需将设计好的控制系统进行展示，展示内容包括系统功能、设计思路、实验结果等，同时需要回答老师和同砚的问题，展示作业的完成情况和进修效果。
简述可编程控制器控制系统的设计步骤
简述可编程控制器控制系统的设计步骤
可编程控制器（PLC）控制系统的设计步骤如下：
1. 确定系统要求：收集用户对控制系统的功能、性能和可靠性要求，并确定系统的输入、输出和操作模块的类型和数量。
2. 制定硬件配置：根据系统要求，选定PLC主机、I/O模块、
通信模块和其他必要的外围设备。
设计电源系统、信号调理电路及接线等。
3. 确定软件结构：根据系统要求，设计PLC程序的结构，包
括输入和输出模块的配置、逻辑控制、数据处理和通信功能等。
4. 开发PLC程序：根据软件结构，编写PLC程序，包括输入
和输出的连接、逻辑控制的设计、数据处理的算法和通信功能的设置等。
5. 联调测试：将开发好的PLC程序下载到PLC主机中，与实
际的硬件连接起来，进行联调测试。
对输入和输出进行检查，验证系统的功能和性能。
6. 调试和优化：根据联调测试的结果，调试PLC程序并优化
系统的性能。
解决可能出现的问题，确保系统正常运行。
7. 文档编制：编写控制系统的设计文档和用户手册，包括系统框图、PLC程序说明、操作说明和维护手册等。
8. 安装和调试：按照设计文档和用户手册，进行控制系统的安装和调试。
确保系统按照设计要求进行安装，并满足用户的需求。
9. 系统运行和维护：控制系统正常运行后，进行系统的运行和维护工作。
定期检查系统的运行状态，及时处理故障，保证系统的可靠性和稳定性。
以上是可编程控制器控制系统设计的一般步骤，具体的设计步骤和流程可能会根据不同的项目和要求有所差异。
控制系统设计：探讨控制系统设计的原则、方法和流程
控制系统设计：探讨控制系统设计的原则、方法和流程引言控制系统设计是现代工程领域中的重要组成部分，用于实现对复杂系统的监控和调节。
无论是电子设备、机械系统、工业生产线还是交通系统，控制系统的设计都扮演着关键角色。
本文将探讨控制系统设计的原则、方法和流程，帮助读者了解如何设计高效可靠的控制系统。
原则在进行控制系统设计之前，有一些重要的原则需要遵循。
1. 目标明确设计控制系统的首要原则是明确目标。
这包括确定系统需要控制的参数、设定期望的输出以及制定达到这些目标的策略。
明确的目标有助于设计师理解系统的需求，为设计提供明确的指导。
2. 抽象和模型化控制系统设计需要将复杂的实际系统抽象为数学模型。
这样可以简化设计过程，并更好地理解系统的行为和响应。
通过建立准确的数学模型，设计师可以设计出能够稳定、有效地控制系统的控制器。
3. 系统分析在设计控制系统之前，需要对所需控制的系统进行全面的分析。
这包括对系统的性能要求、约束条件以及可能的故障情况进行评估。
通过系统分析，设计师可以更好地了解系统的特性，为设计选择合适的控制策略和参数。
4. 可行性和可靠性分析控制系统设计的可行性和可靠性是非常重要的。
设计师需要评估设计方案的可行性，并确保系统能够在各种情况下正常工作。
可靠性分析可以帮助发现设计中可能存在的问题，并采取相应的措施来提高系统的可靠性和稳定性。
5. 可调节性和适应性设计的控制系统应具有可调节性和适应性，以应对系统参数和环境条件的变化。
一个良好的控制系统能够自动调整参数和策略，以保持系统的稳定性和性能。
可调节性和适应性是一个控制系统设计的关键要素。
方法设计一个有效的控制系统需要使用适当的方法。
以下是一些常用的方法来实现控制系统设计。
1. 反馈控制反馈控制是一种常见的控制系统设计方法。
它基于对系统输出的实时测量和比较，从而调整输入并实现期望的输出。
反馈控制在许多实际应用中被广泛使用，例如电子设备、机器人和工业生产线。
单片机温度控制系统设计及实现
单片机温度控制系统设计及实现温度控制是很多自动化系统中的重要部分，可以应用于许多场景，如家用空调系统、工业加热系统等。
本文将介绍如何利用单片机设计和实现一个简单的温度控制系统。
一、系统设计1. 硬件设计首先,我们需要选择合适的硬件来搭建我们的温度控制系统。
一个基本的温度控制系统由以下几个组件组成：- 传感器：用于检测环境的温度。
常见的温度传感器有热敏电阻和温度传感器。
- 控制器：我们选择的是单片机，可以根据传感器的读数进行逻辑判断，并控制输出的信号。
- 执行器：用于根据控制器的指令执行具体的动作，例如开启或关闭空调。
2. 软件设计温度控制系统的软件部分主要包括，传感器读取、温度控制逻辑和执行器控制。
我们可以使用C语言来编写单片机的软件。
- 传感器读取：通过串口或者模拟输入端口来读取传感器的数据，可以利用类似的库函数或者自己编写读取传感器数据的函数。
- 温度控制逻辑：根据读取到的温度值，判断当前环境是否需要进行温度调节，并生成相应的控制信号。
- 执行器控制：将控制信号发送到执行器上，实现对温度的调节。
二、系统实施1. 硬件连接首先，将传感器连接到单片机的输入端口，这样单片机就可以读取传感器的数据。
然后，将执行器连接到单片机的输出端口，单片机可以通过控制输出端口的电平来控制执行器的开关。
2. 软件实现编写单片机的软件程序，根据前面设计的软件逻辑，实现温度的读取和控制。
首先，读取传感器的数据，可以定义一个函数来读取传感器的数据并返回温度值。
其次，根据读取到的温度值，编写逻辑判断代码，判断当前环境是否需要进行温度调节。
如果需要进行温度调节，可以根据温度的高低来控制执行器的开关。
最后，循环执行上述代码，实现实时的温度检测和控制。
三、系统测试和优化完成软硬件的实施之后，需要对温度控制系统进行测试和优化。
1. 测试通过模拟不同的温度情况，并观察控制器的输出是否能够正确地控制执行器的开关。
可以使用温度模拟器或者改变环境温度来进行测试。
PLC控制系统的设计（经典）
PLC控制系统的设计一、PLC控制系统设计原则与步骤1.PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统主要是实现被控对象的要求提高生产效率和产品质量其设计应遵循以下原则1 最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究搜集资料并拟定电气控制方案。
2 在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
3 保证控制系统安全、可靠。
4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC的容量时应适当留有欲量。
N 满足要求Y N 满足要求2 .PLC控制系统设计的步骤PLC控制系统的设计过程如图所示1. 根据生产工艺过程分析控制要求分析控制要求确定人机接口设备PLC硬件系统设置分配I/O点设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试设计制作控制柜现场安装接线分析控制要求现场总调试交付使用这一步是系统设计的基础设计前应熟悉图样资料深入调查研究与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合共同讨论以解决设计中出现的问题。
应详细了解被控对象的全部功能例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁系统要求哪些工作方式例如手动、自动、半自动等设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系PLC与其他智能设备例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人之间的关系PLC是否需要通信联网需要显示哪些数据及显示的方式等等。
还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。
有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。
对于大型的复杂控制系统需要考虑将系统分解为几个独立的部分各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制并考虑它们之间的通信方式。
1. 选择和确定人机接口设备I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。
PLC本身的数字输入和数字显示功能较差可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示但是占用的I/O点多甚至还需要用户自制硬件。
控制系统方案的初步设计
控制系统方案的初步设计一、引言控制系统是利用各种传感器和执行器来监测和控制特定过程或设备的技术体系。
一个控制系统方案的初步设计关乎到整个控制系统的性能和稳定性。
本文将介绍控制系统方案的初步设计的内容和步骤。
二、控制目标和需求分析在进行控制系统方案的初步设计之前，需要对控制目标和需求进行充分的分析和明确。
这包括对被控对象的特性、控制变量的选择、控制目标的界定、系统稳定性要求等方面的内容。
只有通过充分的目标和需求分析，才能确保控制系统方案的有效性和可行性。
三、系统建模和模型选择在进行控制系统方案的初步设计之前，需要进行系统的建模和模型的选择。
系统建模是将被控对象和控制器进行数学建模的过程，可以采用传统的数学建模方法或者基于数据的建模方法。
模型选择是指选择合适的系统模型，包括经典的连续时间模型、离散时间模型、状态空间模型等。
通过系统建模和模型选择，可以为控制系统的初步设计提供基础。
四、控制器的选择和设计控制器是控制系统中最核心的部分，控制系统方案的初步设计需要选择合适的控制器，并进行系统的控制器设计。
控制器的选择可以根据系统的特性和控制要求来确定，可以选择PID控制器、模糊控制器、模型预测控制器等。
控制器的设计需要根据系统的数学模型和控制目标进行，可以采用各种控制策略和优化方法来设计。
五、传感器和执行器的选择和配置控制系统方案的初步设计还需要选择合适的传感器和执行器，并进行系统的传感器和执行器的配置。
传感器用于测量被控对象的状态变量，执行器用于控制被控对象的控制变量。
选择合适的传感器和执行器可以提高系统的测量和控制性能，配置传感器和执行器可以提高系统的稳定性和可靠性。
六、系统仿真和优化在完成控制系统方案的初步设计之后，还需要进行系统的仿真和优化。
系统仿真可以通过建立系统的仿真模型，模拟系统在不同工况下的运行情况，评估控制系统的性能和稳定性。
通过仿真结果可以调整和优化控制系统的参数和配置，进一步提高控制系统的性能。
第5章 简单控制系统的设计及参数调整方法
第五章 简单控制系统的设计
2. 控制参数的选择（重要选择）
依据过程特性对控制质量的影响，不难归纳选择控制参数的 一般原则：
K P越大越好 ， TP 适当小一些 ； （a）
（b） P 越小越好 ， P
/ TP 0.3
(c)K f 尽可能小， T f 尽可能大，尽可能多，尽可能将大的纯滞 后置于干扰通道，干扰进入系统的位置尽可能远离被控参数。
由此可见，时间常数越错开，K 0 越大，对系统稳定性越有 利，在保持一定稳定性的条件下，对保持质量越有利。
小结
控制通道的K P 越大越好，TP适当减小， P 越小越好，多个 时间常数的大小越错开越好。
第五章 简单控制系统的设计
（三）控制方案的确定
1、系统被控参数选取的一般原则 （a）应选取对产品的产量、质量、安全生产、经济运行、环 境保护有决定性作用、又可直接进行测量的工艺参数作为被 控参数（直接参数）； （b）选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被 控参数； （c）间接参数对产品质量应有足够的灵敏性； （d）应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等； 特别说明：被控参数一般由工艺工程师确定，控制工程师无 多大选择余地。
第五章 简单控制系统的设计
c）按下表计算出P、I、D调节器的参数
（2）优缺点：
a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过程的动态特性； b）方法简单，使用方便；
第五章 简单控制系统的设计
第五章 简单控制系统的设计
（2）P调节对系统质量的影响：
a）比例调节是一种有差调节？ b）比例调节系统的静差随比例带的增大而增大？比例带 的减少，意味着系统稳定性降低？ c）比例调节不适合给定值随时间变化的情况；
d）增大 K C（即减小比例带），可以减少系统的静差，加 快系统的响应速度？这是因为： KP KC KC K P TP s 1 C (s) K KP R( s) TP s 1 K C K P Ts 1 1 KC TP s 1 KC K P TP K ,T (惯性减小） 1 KC K P 1 KC K P
plc控制系统的系统设计方案
plc控制系统的系统设计方案PLC控制系统的系统设计方案主要包括以下几个方面：1. 系统结构设计：确定PLC控制系统的整体结构，包括主控单元、输入输出模块、执行机构等组成部分的选择和连接方式，确保系统的稳定性和可靠性。
2. 硬件设计：根据系统需求和控制要求，选择合适的PLC控制器和相关的输入输出模块，并按照系统结构设计确定它们的安装位置和连接方式，同时考虑传感器、执行器等外围设备的连接和配套。
3. 软件设计：根据系统的控制逻辑和功能要求，设计PLC的程序控制逻辑，包括输入输出信号的采集和处理，控制策略的制定和执行，报警和故障处理等功能，并进行编程和调试，确保系统的稳定运行。
4. 人机界面设计：根据用户的操作习惯和控制要求，设计人机界面，包括显示界面、操作界面和报警界面等，以便用户能够方便地监控和操作系统，及时获取系统状态和处理信息。
5. 通信设计：根据系统的需要，选择合适的通信方式，如以太网、RS485等，设计PLC与其他设备之间的通信协议和接口，实现PLC与上位机、下位机、仪器仪表等设备的联网通信，进行数据传输和控制命令的交互。
6. 安全设计：确保PLC控制系统的安全运行，包括设定合理的权限管理和访问控制策略，保护系统的数据安全和程序的完整性，防止非法操作和恶意攻击。
7. 故障诊断与维护设计：设计合适的故障诊断和维护策略，包括监测和记录系统的运行状态和故障信息，及时报警和采取措施，同时设定合理的维护周期和维护计划，保障系统的稳定运行和长期可靠性。
8. 成本效益评估：根据系统需求和投资预算，对PLC控制系统的设计方案进行成本和效益的评估，包括硬件设备、软件编程、安装调试和维护等方面，综合考虑成本和效益的平衡，以实现最佳的设计方案。
简单控制系统设计
根据前面的讨论，图可以8标－出5各方框的作用方向。
图8－5 控制系统方框图
假设执行器也是正作用
假设执行器也是正作用，此时，来确定 控制器的作用方向。
如果h受到扰动而增加，则有：
扰动→h↑→Y↑→e↓
（5）比例积分微分
微分作用对于克服容量滞后有显著效果， 对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的 基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，
如再加上积分作用消除余差，又有 ，TI ，
TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较 高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变 化大、控制质量要求高的场合，如反应器、 聚合釜的温度控制。
比例控制作用于控制通道滞后较小、时 间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不 大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。 如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的 蒸汽压力的控制等。
（3）比例积分控制
引入积分作用能够消除余差，因此比例积分 控制是使用最多、应用最广泛的控制规律，但是， 加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须加 大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下 降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加 长。
1、控制规律选择
控制规律主要根据过程特性和要求来选： （1）位式控制
常见的位式控制有双位和三位两种。一般 适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控 制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内 波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制 等。
（2）比例控制
是最基本的控制规律，当负荷变化时， 克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程 时间短，但过渡过程结束时存在余差，且负 荷变化越大余差也越大。
简单控制系统的教学设计
简单控制系统的教学设计一、教学目标：1.理解什么是控制系统，掌握控制系统的基本原理和组成部分。
2.掌握控制系统的设计方法，能够根据实际情况设计简单控制系统。
3.培养学生的动手能力和解决问题的能力。
二、教学内容：1.控制系统的定义和基本原理。
2.控制系统的组成部分，包括传感器、执行器、控制器和控制对象。
3.控制系统的设计方法，包括开环控制和闭环控制。
三、教学过程：1.导入（10分钟）通过展示一个简单的控制系统实例引导学生思考什么是控制系统，并简要介绍控制系统的定义和基本原理。
2.理论讲解（30分钟）（1）控制系统的组成部分：传感器、执行器、控制器和控制对象。
分别介绍它们的作用和常见的类型。
（2）控制系统的设计方法：开环控制和闭环控制。
分别介绍它们的原理、特点和适用场景。
3.实例分析（30分钟）选择一个简单的实际问题，例如温度调节系统。
通过分析问题要求和系统的组成部分，引导学生思考如何设计一个控制系统来实现温度调节。
鼓励学生积极参与，提出自己的思路和解决方案。
4.设计实践（40分钟）组织学生分成小组，每个小组选择一个实际问题进行控制系统的设计。
鼓励学生自己动手搭建系统，并运行实验，观察系统的控制效果。
教师及助教在一旁指导和解答学生提出的问题。
5.总结（10分钟）学生小组之间进行互相展示，分享各自的设计思路和实验结果。
教师总结控制系统的设计方法和注意事项，再次强调控制系统的重要性和应用领域。
四、教学资源：1.课件：包括控制系统的定义、组成部分和设计方法的介绍。
2.实验设备：可提前准备一些基础的传感器、执行器和控制器，供学生使用。
3.实验材料：例如温度调节系统所需的温度传感器、加热器等。
4.辅助工具：例如计算器、螺丝刀等。
五、教学评价：1.实验报告：要求学生写出自己设计的控制系统的详细方案和实验结果。
2.分组展示：根据学生的展示内容、设计思路和实验结果进行评价。
3.课堂讨论：根据学生的问题和参与度进行评价。
计算机控制系统的经典设计方法-精品文档
经ZOH后：
j T 1 e u ( j ) E * ( j ) D * ( j ) D j
j T 1 e s i n ( T / 2 ) j T / 2 G ( j ) T e Z O H j T / 2
ZOH传递函数：
s i n ( T / 2 ) u ( j) e D * ( j) E ( j j n ) D s T / 2 n
② 一阶保持器z变换法（斜坡响应不变法）
由于和零阶保持器z变换法类似的原因，这种方法应用的较少。
10
2. 一阶向后差分法
(1)离散化公式
实质：将连续域中的微分 用一阶向后差分替换
d c ( t ) / d t c ( k ) c ( k 1 ) ] / T tk T[
s与z之间的变换关系： （直接代入）
2
2
2
j T j T / 2 j T / 2 D D D 2 1e 2 e e j j A D j D T T / 2 j / 2 D T 1e T e e T
图5-10 双线性变换映射关系
2s ji n ( T / 2 ) 2 T 2 D j t a nD T 2 c o s ( T / 2 ) T 2 D
j T / 2 必有： D * ( j ) e D ( j )
补偿器 模拟控制器
uj ( )e D
jT / 2
D * ( j )( E j)
数字控制器
补偿器：补偿ZOH带来的相位延迟－T/2 当T较小时可以忽略其影响，可以不补偿
7
连续域-离散化设计的步骤如下：
控制系统的课程设计
控制系统的课程设计一、教学目标本节课的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握控制系统的定义、分类和基本原理；技能目标要求学生能够运用控制系统的基本原理分析和解决实际问题；情感态度价值观目标要求学生培养对控制系统的兴趣和好奇心，提高学生的问题解决能力和创新意识。
通过本节课的学习，学生将能够：1.正确理解控制系统的概念，掌握控制系统的基本分类和原理。
2.能够运用控制系统的基本原理分析和解决实际问题。
3.培养对控制系统的兴趣和好奇心，提高问题解决能力和创新意识。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括控制系统的定义、分类和基本原理。
首先，介绍控制系统的定义，解释控制系统在工程和科学领域的重要性。
然后，介绍控制系统的分类，包括开环系统和闭环系统，并解释它们的特点和应用。
最后，讲解控制系统的基本原理，包括反馈控制和前馈控制，并通过实例来说明这些原理的应用。
具体的教学大纲如下：1.控制系统简介：介绍控制系统的定义和重要性。
2.控制系统的分类：讲解开环系统和闭环系统的特点和应用。
3.控制系统的基本原理：讲解反馈控制和前馈控制的概念和应用。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课将采用多种教学方法。
首先，采用讲授法，教师将系统地讲解控制系统的定义、分类和基本原理。
然后，采用讨论法，学生将分组讨论控制系统的实际应用案例，并分享自己的见解。
此外，还将采用案例分析法，通过分析具体的控制系统案例，使学生更好地理解和应用所学知识。
最后，进行实验操作，让学生亲自动手进行控制系统的实验，巩固所学知识。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，将选择和准备适当的教学资源。
教材将作为主要的教学资源，用于提供系统的理论知识。
参考书将用于提供更多的实例和案例，以丰富学生的学习体验。
多媒体资料，如教学视频和动画，将被用于直观地展示控制系统的原理和应用。
实验设备将用于进行实际的控制系统实验，让学生亲身体验控制系统的操作和效果。
《简单控制系统的设计作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术粤科版》
《简单控制系统的设计》作业设计方案## 一、引言控制系统是摩登工程领域中的重要组成部分，其在自动化、机器人、航空航天等领域都有着广泛的应用。
本作业设计旨在通过设计一个简单的控制系统，让学生了解控制系统的基本原理和设计方法，培养学生的实践能力和创新认识。
## 二、作业目标1. 理解控制系统的基本观点和原理。
2. 掌握控制系统的设计方法和流程。
3. 培养学生的动手能力和解决问题的能力。
## 三、作业内容### 1. 系统设计学生需要设计一个简单的控制系统，可以选择以下其中一个项目：- 温度控制系统：通过传感器检测环境温度，并通过控制执行器（如风扇、加热器）来调节温度。
- 水位控制系统：通过传感器检测水位，并通过控制执行器（如水泵）来控制水位。
- 车辆避障系统：通过超声波传感器检测前方障碍物，并通过控制执行器（如电机）来避开障碍物。
### 2. 硬件搭建学生需要根据设计的系统，选购相应的传感器、执行器和控制器，并进行硬件搭建和毗连。
### 3. 程序编写学生需要编写控制系统的程序，包括数据采集、数据处理和控制执行器等部分。
### 4. 调试测试学生需要对设计的控制系统进行调试测试，验证系统的功能和稳定性，并对系统进行优化改进。
## 四、作业要求1. 作业需以小组形式完成，每组2-3人。
2. 需提交包括系统设计方案、硬件搭建图纸、程序代码和调试测试报告在内的完备文档。
3. 鼓励学生在设计中加入创新元素，提升系统性能和用户体验。
4. 作业评分将思量系统功能完备性、程序设计规范性、调试测试结果等因素。
## 五、参考资料1. 《控制系统工程导论》，朱自强，清华大学出版社。
2. 《控制工程基础》，王小川，高等教育出版社。
3. 相关网络资源和教学视频。
通过本作业设计，学生将深入了解控制系统的基本原理和设计方法，提升动手能力和解决问题的能力，为将来从事相关工程领域打下良好的基础。
单片机控制系统的设计和实现
单片机控制系统的设计和实现单片机是一种集成电路，经常被用于设计和实现各种控制系统。
这篇文章将深入讨论单片机控制系统的设计和实现。
一、单片机控制系统的基础知识单片机控制系统的基础是单片机的控制功能。
单片机是一种集成电路芯片，它集成了微处理器、存储器和输入输出接口等组件，可以通过编程控制其输入输出，完成各种控制功能。
单片机一般采用汇编语言或高级编程语言进行编程，将程序保存在存储器中，通过输入输出接口与外部设备交互。
单片机控制系统一般包括硬件和软件两个部分。
硬件部分包括单片机芯片、外设、传感器等，软件部分则为程序设计和开发。
二、单片机控制系统的设计步骤1. 确定系统需求：首先要明确需要控制什么，控制什么范围以及需要什么样的控制效果，从而确定控制系统的需求。
2. 选定合适的单片机：根据控制系统的需求，选择功能强大、接口丰富且价格合理的单片机，以便实现复杂的控制功能。
3. 确定硬件电路：根据单片机的控制需求设计相应的硬件电路，包括传感器、执行器、通信接口等。
4. 编写程序代码：将控制逻辑转化为编程指令，使用汇编语言或高级编程语言编写程序代码。
5. 完成程序烧录：将编写好的程序代码烧录到单片机芯片中，使它能够正确地执行控制任务。
6. 测试调试：将单片机控制系统连接至外设并进行测试和调试，优化程序代码及硬件电路，确保系统正常运行。
三、实例：智能家电控制系统的设计和实现以智能家电控制系统为例，介绍单片机控制系统的设计和实现。
智能家电控制系统主要负责监测家庭环境，对家用电器进行自动化控制，为用户提供便利。
1. 硬件设计：智能家电控制系统的硬件设计主要包括传感器、执行器和通信接口等。
传感器：设计温度传感器、湿度传感器、气压传感器、烟雾传感器等，用于监测家庭环境的变化情况。
执行器：通过单片机控制继电器、电机等执行器，实现对室内照明、风扇、空调等家电的自动控制。
通信接口：通过单片机的网络通信模块，实现系统与家庭无线网络连接，允许用户通过访问互联网从外部对家电进行远程控制。
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
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简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
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简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
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简单控制系统示例
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一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
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设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
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六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
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二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
《简单控制系统的设计作业设计方案》
《简单控制系统的设计》作业设计方案一、作业目标：本次作业旨在让学生通过设计一个简单的控制系统，加深对控制系统原理和设计方法的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。
二、作业要求：1. 设计一个包含传感器、执行器和控制器的简单控制系统，实现对某一物理量的监测和控制。
2. 确定控制系统的输入和输出信号，设计传感器和执行器的接口电路。
3. 编写控制器的程序，实现对传感器采集数据的处理和对执行器的控制。
4. 调试控制系统，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告，详细记录设计过程、实验结果和分析结论。
三、作业步骤：1. 确定控制系统的功能和结构：起首确定控制系统要监测和控制的物理量，例如温度、湿度等，然后确定控制系统的结构，包括传感器、执行器和控制器的选择和毗连方式。
2. 设计传感器和执行器的接口电路：根据控制系统的需求，设计传感器和执行器的接口电路，确保信号的稳定和可靠传输。
3. 编写控制器的程序：根据传感器采集的数据和控制系统的逻辑干系，编写控制器的程序，实现对执行器的控制。
4. 调试控制系统：毗连各个部件，进行控制系统的调试，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告：详细记录设计过程、实验结果和分析结论，总结经验和教训，提出改进建议。
四、作业评分标准：1. 设计的控制系统功能完备，结构合理，实现对物理量的准确监测和控制。
2. 传感器和执行器的接口电路设计合理，信号传输稳定可靠。
3. 控制器程序编写规范，逻辑清晰，实现对传感器数据的有效处理和对执行器的精确控制。
4. 调试过程详细，结果准确，实验报告内容完备、结构清晰、表达流畅。
5. 学生在实验过程中表现积极主动，动手能力强，创新认识突出。
五、参考资料：1. 《控制系统工程导论》，刘宗林，机械工业出版社，2018年。
2. 《自动控制原理与设计》，张三，电子工业出版社，2019年。
3. 《控制系统设计与实践》，李四，清华大学出版社，2020年。
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在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标和系统的动、静态特性 进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。
5．系统仿真与实验研究 系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与 综合正确与否的重要步骤。 其中Matlab语言 是进行系统仿真的有效工具。
6．工程化设计
3．重视对测量信号的预处理 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量 减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差
4．注意系统的安全保护
一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高 危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。
总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统 设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具 体分析，才能获得预期的效果。
工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点 的确定、仪器仪表的选型与定购、控制室及仪 表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计、信 号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设以 及保证系统正常运行的有关软件的设计等。
7．工程安装 工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。
8．控制器的参数调整 控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪 器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下 ，使系统运行在最佳状态的重要步骤。
控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。 是控制方案设计的主要依据之一。
2．建立控制系统的数学模型
控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。 系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。
3．确定控制方案
系统的控制方案包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统 设计的关键。控制方案的确定要依据被控过程的特性、技术指标和控制任务 的要求，还要考虑方案的简单性、经济性及技术实施的可行性等，并且要进 行反复研究与比较 ，方可确定。
点掌握调节器参数的整定方法。
5.1 简单控制系统设计概述
1 水箱 2 压力变送器 3 液位调节器 4 调节阀
图1 水箱液位控制系统流程图
简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基 本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：
5.1.1 控制系统设计的任务及其开发步骤
5.2 控制方案的确定
控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正 、反作用的确定等内容。
5.2.1 被控参数的选取
被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都 具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则：
一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示
5.1.2 设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性 深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备 之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。
第5章 简单控制系统的设计
本章要点
1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握
被控参数、控制参数的设计原则； 3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节
规律的选择方法； 4）掌握调节器作用方式的选择 5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题； 6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重
(2) 干扰通道 T的f 影响 由式2可知， G f (s)为惯性环节，对干扰 F(s) 具有“滤波”作用，T f 越大，“滤波”
效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越
小，因而越有利于系统控制质量的提高。
(3) 干扰通道 的f 影响 由式3可知， f 的存在，仅仅使干扰引起的输出推迟了一段时间
1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济 运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数 。
2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的 所谓间接参数作为被控参数。
3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则 难以保证对产品质量的控制效果。
4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、 售后服务等因素 。
对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。
5.2.2 控制参数的选择
5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响 1. 干扰通道特性对控制质量的影响 对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为
则：C(s) F(s)
1
Gf (s) Gc (s)Gv (s)Gp (s)H (s)
• e f s
(式3)
分析干扰通道特性对控制质量的影响如下: (1)干扰通道 K的f 影响：
由式2可知当 K f 越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。 在系统设计时应尽可能选择静态增益 K f 小的干扰通道，以减小干扰对被控参数 的影响。当K f 无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。
的存在并不影响系统的控制质量。
f 因此， f
(4) 干扰进入系统位置的影响
C Gc (s)Gv (s)Gp (s)H (s)
假设 G f (s) 为一单容过程，其传递函数为
Gf
(s)
K Tf s
f
1
则： C(s)
1
• Kf
F(s) 1 Gc (s)Gv (s)Gp (s)H (s) Tf s 1
(式2)
若单容过程具有纯时延时间
f
如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成 过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的 参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等
其中，控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统 设计的重要内容。
过程控制系统开发的主要步骤叙述如下： 1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标