自动控制作业
热工控制理论与技术
学院能源与环境学院
学号150376
姓名潘晗
指导老师张雨飞
课后作业1.1 ：
1、在内部扰动作用下，Kp 的大小，对稳定性、稳态误差、过渡过程如何影响？
2、在外部扰动、设定值扰动时， Kp 的大小，对稳定性、稳态误差、过渡过程如何影响。 受控对象分别采用二阶有自平衡和无自平衡。 解答：
仿真对象：1.二阶有自平衡： 02
1
(s)(12s)G =
+ 2.二阶无自平衡： 02
1
(s)s(12s)G =
+
（1）Simulink 仿真模型： 二阶有自平衡：
二阶无自平衡：
（2）响应曲线：1、内扰作用：
有自平衡：
Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳态误差小，稳定性较差无自平衡：
Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳态误差小，稳定性较差2、给定值扰动：
有自平衡：
Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳态误差小，稳定性较差无自平衡：
Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳定性较差
3、外扰动作用：
有自平衡：
Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳态误差小，稳定性较差无自平衡：
Kp ↑调节速度快，总体动态偏差小，稳定性较差
（3）总结
Kp 增大，调节作用增强，总体动态偏差减小，系统稳定性变差，稳态误差变小。并且，对于无自平衡对象，在给定值扰动以及外扰时稳态误差为0。但是，内扰情况下不可能实现稳态误差为0.
课后作业1.2：
PID 控制。使用matlab 的simulink ，进行控制仿真：
（1）改变Kp 、Ti 、Td 的大小，对稳定性、稳态误差、过渡过程的影响怎样？受控对象分别采用二阶有自平衡和无自平衡。
（2）改变对象的增益值k, 观察对控制过程的影响。 对象为： 二阶有自平衡： 02
1
(s)(12s)G =
+ 二阶无自平衡： 02
1
(s)s(12s)G =
+
（3） 改变对象的阶次，n=3，n=4，…，观察控制效果， 得出结论。
simulink仿真图
一、二阶有自平衡对象：
1、保持Ti=2，Td=1不变，调节Kp使之分别等于1,3。
结论：Kp↑调节速度快，总体动态偏差小，稳态误差小。
2、保持Kp=1，Td=1不变，调节Ti使之分别等于0.5，2。
结论：Ti↑调节速度慢，快速性变差，稳态误差变大，稳定性变好。
3、保持Kp=1，Ti=2不变，调节Td使之分别等于0.5，2 。
结论：Td增加可以加快调节作用的速度，增强稳定性，减小总体动态偏差。
4.改变对象增益，Kp=1 ，Ti=2 ，Td=0.5。
结论：对象增益K1的增大，使得快速性变好，稳定性变好。
5.改变对象阶次，Kp=1 ，Ti=0.5 ，Td=5，n=2/3/4。
结论：对象阶次的增高使得稳定性变差，快速性变差，过渡过程时间长。
二、二阶无自平衡对象：
1、
结论：Kp↑，调节速度快，稳定性较差。2、
结论：Ti↑，难以调平。
3.
结论：Td 增大 ，总体动态偏差减小， 快速性变好， 稳定性增强， 稳态误差增大。
课后作业1.3：
PID 控制编程实现，用MFC++6.0或.m 编程。受控对象分别采用二阶有自平衡和无自平衡。 仿真时， 对象也需要离散化， 采用后向差分。
1
02102
00102
0()(T s 1)1
()T (T s 1)a a K G s G s s =+=
+
,有自平衡 K =2,T =2,无自平衡 T =2,T =1
（1）用Z 变换对象离散化 有自平衡对象：
12
0(s)(s)(1s)K y u T =+
1
22212
00000222()
()
(12)(22)K y z T T T T T u z Z Z
T T T T T --=++-++22
20000012
22
(12)()(22)(1)(2)()T T T T T y k y k y k K u k T T
T
T T ++-+-+-=22
00022
1222
000000222(22)(k)()(1)(2)
(12)(12)(12)
T T T K T T T y u k y k y k T T T T T T T T T T T T
+=+---++++++
无自平衡对象：
12
0(s)(s)s(1s)
a K y u T T =+ 1
2
1
1
0(z)
(z)
11()1()a K y u Z Z T T T T --=??--+??
??
22223
0000032220000000(34)32(k)()(1)(2)(3)
(12)(12)(12)
T T TT T TT T T y u k y k y k y k T T T T T T T T T T +++=+---+-++++++
（2）MATLAB 程序
clf; clear;
T0=1.5;k1=1;k2=1; T=0.04;
kp=1;Ti=1.5;Td=3; kp2=1;Ti2=1.5;Td2=3;
k11=kp*(1+Td/T+T/Ti); k12=-kp*(1+2*Td/T); k13=kp*Td/T;
ky1=k1/(1+2*T0/T+T0*T0/T/T);
ky2=(2*T0/T+2*T0*T0/T/T)/(1+2*T0/T+T0*T0/T/T); ky3=(T0*T0/T/T)/(1+2*T0/T+T0*T0/T/T);
k21=kp2*(1+Td2/T+T/Ti2); k22=-kp2*(1+2*Td2/T); k23=kp2*Td2/T;
kw1=k2*T^3/(T*T+T0*T0+2*T0*T);
kw2=(T*T+3*T0*T0+4*T0*T)/(T*T+T0*T0+2*T0*T); kw3=(3*T0*T0+2*T0*T)/(T*T+T0*T0+2*T0*T); kw4=(T0*T0)/(T*T+T0*T0+2*T0*T); r=1;
e=zeros(2,3); u=zeros(2,2); y=zeros(2,4);
a=zeros(2,100/T); for i=1:100/T a(1,i)=y(1,1);
e(1,1)=r-y(1,2);
u(1,1)=u(1,2)+k11*e(1,1)+k12*e(1,2)+k13*e(1,3);
e(1,3)=e(1,2);e(1,2)=e(1,1);
y(1,1)=ky1*u(1,1)+ky2*y(1,2)-ky3*y(1,3);
u(1,2)=u(1,1);y(1,3)=y(1,2);y(1,2)=y(1,1);
a(2,i)=y(2,1);
e(2,1)=r-y(2,2);
u(2,1)=u(2,2)+k21*e(2,1)+k22*e(2,2)+k23*e(2,3);
e(2,3)=e(2,2);e(2,2)=e(2,1);
y(2,1)=kw1*u(2,1)+kw2*y(2,2)-kw3*y(2,3)+kw4*y(2,4);
u(2,2)=u(2,1);y(2,4)=y(2,3);y(2,3)=y(2,2);y(2,2)=y(2,1);
end
for i=1:100/T
A(1,i)=T*i;
end
plot(A,a(1,:));hold on;
plot(A,a(2,:),'--');
legend('óD×???oa','?T×???oa');
xlabel('t');
ylabel('y');
grid on
课后作业1.4 ：
过热汽温串级控制系统仿真，系统对象结构如图。
导前对象（oC/kg/s ） 惰性对象（oC/ oC ）
50%负荷，D=242.2 kg/s 23.067(125)s -
+ 7
1.119
(142.1)s + 100%负荷，D=527.8 kg/s 20.815(118)s -
+ 6
1.276
(118.4)s +
分别在内扰（给水流量）、外扰、设定值扰动时，仿真控制过程。主调PID ，付调PI 。
解答：
仿真控制模型：
PID 控制器：P+I*(1/s)+D*s PI 控制器：P+I*(1/s) 50%负荷控制器参数：
主调PID ： P=0.3709745 I=0.00279 D=0.00001 副调 PI ： P=-137 I=-0.002 100%负荷控制器参数：
主调PID ： P=0.619 I=0.0053 D=-27.55 副调 PI ： P=-1.982 I=-0.017
各种扰动下系统响应曲线（黄色曲线为50%负荷时的曲线，紫色曲线为100%负荷时的曲线）：
1、 给定值扰动仿真控制过程：
2、内扰仿真控制过程：
3、外扰下仿真控制过程
课后作业2.1 ：
推导饱和放大器的描述函数。放大倍数k ，饱和值D 。使用饱和放大器，控制一个4阶象：
4
1
(s)(1)k W Ts =
+
求 （1）求系统稳定时k ·k1是多少？
（2）若k ·k1=15，T=10s ，判断系统是否发生自持震荡?A=?W=?
k
D
-D
解答： ①A>D
210
1
220
1
1
()sin ()
4
4
4
()sin ()sin sin ()sin ()
b y t wtd wt y t wtd wt kA wt wtd wt kD wtd wt π
ππθθ
π
πππ===
+
?
?
?
?
1sin A D θ=
111sin ,cos arcsin D D
A A
θθθ===
141[(arcsin 22(arcsin
D D b Ak kD A A k
D A A ππ
=?-+=+
122(arcsin =arcsin
22sin 2(sin cos )()
2
24'=1+cos 2=cos 0
+0+b k D Ne A A D
A k k Ne k k
Ne Ne Ne A e A N πθθ
θθθθππθθθπ
π
θθ==+=+=+>↓?↓→∞→?→∞令则对关故当增大时，于求导，得（）且时，
②A 1b Ak = Ne k = (1)、=arcsin D A θ令 22sin 2(sin cos )()2 k k Ne θ θθθθππ= += + 则 224'=1+cos 2=cos 0k k Ne Ne θθθππ >对关于求导，得（） +00Ne A Ne A θθ↓?↓→∞→?→且故，增时当大时， 11 +111=1 yquist 0A A Ne Ne A D Ne Ne k N k --∴↓→∞→-∞ ----∴随增大，；当时，最大值为取最小值即时，此时当系统稳定时，曲线不包围点（，） 4arctan 1222 ()(1) j T k W j e T ω ωω-= + 12224arctan 1 (1) T k k T ωπω==+????? 得： 1T ω= 14kk = 结论：当14kk <是系统稳定；14kk =系统临界稳定；14kk >系统自持震荡。 （2）4arctan T ωπ= 1 222 (1)k T ω=+1=15 10kk T Q ，= 0.1/s ω∴ = 0.21D A = 课后作业2.2 ： （1）求非线性调节器的描述函数Ne(A)（A>D ）。 （2）画出-1/Ne 稍精确曲线与对象频率特性曲线，并对系统稳定性进行说明。 （3）若C=4，D=1，采用描述函数分析法，判断系统是否发生自持振荡；如发生 ，求自持振荡频率与幅值A 。 （4）分析参数D 对该系统稳定性的影响。 解答： （1） 非线性过程是三位置继电器，关于原点对称，则a0=a1=0 输入正弦波，输出如右图所示： 控制工程大作业(打印轮的 控制分析) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 控制工程基础大作业打印机中打印轮控制系统分析 学院：机械工程及自动化学院 班级：车辆工程2班 姓名： 学号： 图1 图1所示为打印机中打印轮控制系统的原理图。系统由打印轮 （负载）、直流电动机及用于速度反馈的增量编辑器等组成。打印轮一般有96个字符位置。控制打印轮的位置，就是使需要的字符放在硬拷贝打印锤前。打印轮直接安装在电动机轴上能在正反两个方向旋转。编码器是一种将直线或旋转位移变换为数码或脉冲信号的装置。 打印轮控制系统的控制目标是控制打印轮的位置。其原理是：当给出打印某个字符的指令时，通过指令传输电路，控制系统首先将它转换成总距离及行进方向信号，然后命令电动机驱动打印轮去校正位置。在此过程中，控制系统首先通过速度控制方式，驱动电动机打印轮系统按一定规律的转速旋转。当负载驱动到希望的位置附近后，通过位置控制方式，把位置误差控制到零，驱动打印轮在没有延迟或过大震荡的条件下尽快精确到位。 对于编码器—误差检测器，有 )()()(t t t t o i θθθ-=.................... )()(s t K t e e θ=......................② 式中：s K ——编码器增益。 在位置控制方式中，微处理机只不过把编码器的输出与给定参考位置进行比较，在送出与该两信号之差成比例的误差信号。 对于增益为A K 的功率放大器，有 )()(a t e K t e A =.........................③ 对于永磁直流电动机，有 )()()() (a t e t e t i R dt t di L b a a a a -=+...............④ )()(t w K t e M b b =...............................⑤ )()(T t i K t T a M =................................⑥ )()() (t T t Bw dt t dw J M M M =+................⑦ 式中：b K ——电动机反电动势常数； T K ——电动机转矩常数； M w ——电动机转速； M T ——电动机输出转矩； J ——折算到电动机轴上的总转到惯量； B ——折算到电动机轴上的总粘贴阻尼系数； 其余符号意义见图1。 电动机输出量为 )(d (d t w t t M M =） θ...............................⑧ )()(o t t M θθ=...................................⑨ 作业一： 第一章 1-2【P7】 (1)在结构上，系统必须具有反馈装置，并按负反馈的原则组成系 统。 (2)由偏差产生控制作用。 (3)控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控制量尽量接近期望 值。 1-3【P8】 1-7 优点缺点 开环控制系统结构简单、造价低控制精度低、适应性不强闭环控制系统适应性强、控制精度高结构复杂、稳定性有时难 保证 补充1：自动控制系统有什么基本要求？【P14】 1-8 开( 2-1. （a） 1121 1112211 i o o R i i dt C u R i u i i i R i idt u C ?=?? -=?? +=??+=?? ??L L L L L L L L ① ② ③④ 化简得： 212121 211212121211 ()(1)i o i i o o du du R C R C R C u u dt R C u u dt dt R C R C dt R C R C +++=++++?? 2-1(d) 2-2 (a) 011020()()i i i d x x x f k x x f kx dt dt -+-=+ 化简 01212011()()i i dx dx f f k k x f k x dt dt +++=+ （b ） 处于静止时刻（平衡的时候），质量块m 的重力mg 已经被弹簧跟阻尼器所平 衡掉，所以列方程的时候不应该出现重力mg 。 以质量块m 为研究对象，由牛顿第二定律得： 22()()()d y t dz t m kz t f dt dt =--L L L ① 结合： ()()()z t y t x t =-L L L ② 消去()y t 得： SHANGHAI UNIVERSITY 课程项目 MATLAB的模拟仿真实验专业课：自动控制原理 学院机自学院 专业（大类）电气工程及其自动化 姓名学号 分工：蒋景超负责MATLAB仿真部分 顾玮负责分析结论 其它共同讨论 二阶系统性能改善 一、要求 （1）比例-微分控制与测速反馈控制的传递函数求解 （2）性能分析与对比 （3）举出具体实例，结合matlab分析 二、原理 在改善二阶系统性能的方法中，比例-微分控制和测速反馈控制是两种常用的方法。（1）比例-微分控制： 比例-微分控制是一种早期控制，可在出现位置误差前，提前产生修正作用，从而达到改善系统性能的目的。 图1 比例微分控制系统 （2）测速反馈控制： 测速反馈控制是通过将输出的速度信号反馈到系统输入端，并与误差信号比较，其效果与比例微分-控制相似，可以增大系统阻尼，改善系统性能。 图2测速反馈控制系统 (3)经典二阶控制系统 图3经典二阶控制系统 三、实例分析 1、标准传递函数 )2()(G 2n n s s s ζωω+= 22)2()(n n n s s s ωζωω++=Φ 00.2n =ω 15.0=ζ MATLAB 代码： num=[4]; den=[1,0.6,4]; G=tf(num,den); t=0:0.1:10; step(G,t); 图4标准传递函数仿真 2、比例微分控制系统与经典二阶系统比较 22 )2()1()(n n d n d s s s T s ωωζω+++=Φ 2n d d T ωζζ+= 设置d T =0.15 d ξ=0.30 00.2=n ω ξ=0.15 MATLAB 代码： 2014年上学期《计算机控制技术》复习大作业及参考答案========================================================== 一、选择题（共20题） 1.由于计算机只能接收数字量，所以在模拟量输入时需经（ A ）转换。 A．A/D转换器B．双向可控硅 C．D/A转换器D．光电隔离器 2.若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构，需要接入（ D ）器件完成控制量的切换工作。 A．锁存器锁存B．多路开关 C．A/D转换器转换D．反多路开关 3.某控制系统中，希望快速采样，保持器的保持电容CH应取值（ A ）。 A．比较小B．比较大C．取零值D．取负值 4. 在LED显示系统中，若采用共阳极显示器，则将段选模型送至（ B ）。 A．阳极B．阴极 C．阴极或阳极D．先送阴极再送阳极 5. 电机控制意味着对其转向和转速的控制，微型机控制系统的作法是通过（B ）实现的。 A．改变定子的通电方向和通电占空比 B．改变转子的通电方向和通电占空比 C．改变定子的通电电压幅值 D．改变转子的通电电压幅值 6.计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是（B） A．接收测量值和管理命令并提供给DDC计算机 B．按照一定的数学模型计算给定植并提供给DDC计算机 C．当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作 D．SCC计算机与控制无关 7. 键盘锁定技术可以通过（C）实现。 A．设置标志位 B．控制键值锁存器的选通信号 C．A和B都行 D．定时读键值 8. RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是（C）。 A．0．3 伏以下B．0．7伏以上 C．-3伏以下D．+3伏以上 9. 在工业过程控制系统中采集的数据常搀杂有干扰信号，（D）提高信/躁比。 A．只能通过模拟滤波电路 B.只能通过数字滤波程序 C.可以通过数字滤波程序/模拟滤波电路 D.可以通过数字滤波程序和模拟滤波电路 10．步进电机常被用于准确定位系统，在下列说法中错误的是（B ）。 A．步进电机可以直接接受数字量 B．步进电机可以直接接受模拟量 C．步进电机可实现转角和直线定位 D．步进电机可实现顺时针、逆时针转动 一、 设计任务书 设计任务是考虑到飞机的姿态控制问题，姿态控制转换简化模型如图所示，当飞机以4倍音速在100000英尺高空飞行，姿态控制系统的参数分别为： 4,0.1,0.1,0.11 1====a a a K ωεωτ 设计一个校正网络(),s G c 使系统的阶跃响应超调量小于5%，调节时间小于5s （按2%准则） 2、计算机辅助设计 （1）simulink仿真框图 Simulink仿真框图 双击scope显示图像，观察阶跃相应是否达到指标 放大图像观察超调量为s t s p 7.4%,3==σ满足要求 （2）绘制bode 图 校正前的bode图 校正后的bode图 （3）绘制阶跃相应曲线 校正前的阶跃相应曲线 校正后的阶跃相应曲线 三、校正装置电路图 前面为放大装置放大25倍，后面为超前补偿电路，它自身的K 为0.1，相乘之 后为指标中的2.5，校正装置电路完成1 60 ) 16( 5.2++= s s G c 。 四、设计结论 设计的补偿网络为1 60 ) 16( 5.2++=s s G c 。经过仿真得出超调量为s t s p 7.4%,3==σ满足 要求。 五、设计后的心得体会 实际的控制系统和我们在书中看到的标准系统差别很大，参数的要求比书 中要求相对要苛刻，在设计校正网络的过程中，遇到很多困难超前滞后用根轨迹法无法求出，只能用simulink 画出仿真框图，通过经过一定的计算大概确定某些参数，通过不断地尝试修改，才能最终得到满足指标要求的阶跃相应曲线，很多时候现实中的参数没有书中的参数给的那么简单，会遇到很多难以想象的复杂状况，所以我们学习控制原理关键是学习怎么处理，如何应用好软件来配合完成系统的设计，现代控制理论不能单纯的通过简单的计算得出结论的，需要我们熟练运用软件来辅助设计，这样我们才能设计好一个校正网络。 5.1 （1）)(20)(20)(20)(12)(t r t r t c t c t c +=++ （2）21)10)(2()1(20)(s s s s s C ?+++= = s s s s 4 .0110275.02125.02+++-++- 所以 c(t)=4.0275.0125.0102++----t e e t t c(0)=0;c(∞)=∞; （3）单位斜坡响应，则r(t)=t 所以t t c t c t c 2020)(20)(12)(+=++ ，解微分方程加初始条件 解的： 4.04.02)(102++-+=--t e e t c t t c(0)=2, c(∞)=∞; 5.2 (1)t t e e t x 35.06.06.3)(---= (2)t e t x 2)(-= (3) t w n n n t w n n n n n n n e w b w a e w b w a t x )1(22)1(22221 2)1(1 2)1()(----+----+-+ -+----= ξξωξξωξξξωξξξω(4)t a A t a Aa e a a b t x at ωωωωωωωcos sin )()(2 22222+-++++=- 5.3 (1)y(kT)=)4(16 19 )3(45)2(T t T t T t -+-+-δδδ+…… (2) 由y(-2T)=y(-T)=0;可求得y(0)=0,y(T)=1; 则差分方程可改写为y[kT]-y[(k-1)T]+0.5y[(k-2) T]=0;,k=2,3,4…. 则有0))0()()((5.0))()(()(121=++++----y T y z z Y z T y z Y z z Y 2 11 5.015.01)(---+--=z z z z Y =.....125.025.025.05.015431----++++z z z 则y *(t)=0+)5(25.0)4(25.0)3(5.0)2()(T t T t T t T t T t -+-+-+-+-δδδδδ+… (3)y(kT)=k k k k k T T k T T )1(4 )1(4)1(4)1(4++---- 5.4 自动化仪表与过程控制课程大作业 1、（15分）如图所示为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a ）、（b ）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。 2、（15分）如图所示为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，储槽内液 体严格禁止滥出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式及调节器的正、反作用。 （1）选择流入量Qi 为操纵变量； （2）选择流出量Q0为操纵变量。 （3）以上2种情况分别出其系统框图。 3、（20分）（用MATLAB 仿真实现）实验测得某液位过程的矩形脉冲响应数据如下： 矩形脉冲幅值△μ=20%阀门开度变化，脉冲宽度△t=20s ： （1）将该矩形脉冲响应曲线转化为阶跃响应曲线； （2）根据阶跃响应曲线确定该过程的数学模型及相关参数（如K 、T 和τ等），并根据这些参数整定PI 控制器的参数，用仿真结果验证之。 4、（25分）已知副被控对象的传递函数为模型为1 1 )(+= s s G ，主被控对象传函为1 121 )(01+= s s G ，执行器传递函数为1)(=s G v ，主检测变送器的传递函数为1)(1=s G m ， 副检测变送器的传递函数为1)(2=s G m 。干扰源为0.4的单位阶跃信号。 （1）画出串级控制系统的框图及同等条件下的单回路系统框图； （2）在Matlab 的Simulink 下完成上面的两个系统； （3）设定PID 调节器的参数，并画出相应的单回路及串级控制系统的单位阶跃响应曲线； 5、（25分）已知被控对象的传递函数为 1121 )(+= s s G ，干扰通道的传递函数为 521 )(2++= s s s D ，执行器传递函数为1)(=s G v ，检测变送器的传递函数为1)(1=s G m ， 干扰信号为0.4的单位阶跃信号。 （1）确定前馈控制器的传递函数Gff （s ），画出反馈-前馈控制系统的框图； （2）在Matlab 的Simulink 下完成上面的两个系统； （3）设定PID 调节器的参数，并画出相应的单位阶跃响应曲线 （4）加入干扰后，观察两系统的阶跃响应曲线的变化。 要求： 1、第1和第2题可以采用手写，其它3题要进行仿真设计，手写和打印均用A4纸； 2、严禁抄袭，发现雷同，一律不及格； 3、时间安排：12月10日下午4点前，以班级为单位收齐后交到东6B301，未位交的一律不准参加答辩。12月11日-12日在东6B301答辩，具体时间到时再通知，不参加答辩的按缺考处理。 红色为重点（2016年考题） 第一章 1-2仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机反转带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如下图所示。 1-4 题1-4图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？ 解工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水 流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。 系统方块图如下图所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。 1-5图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及各部件的作用，画出系统方框图。 解加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压Uc的平方成正比，Uc增高，炉温就上升，Uc 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压Uf。Uf作为系统的反馈电压与给定电压Ur进行比较，得出偏差电压Ue，经电压放大器、功率放大器放大成au后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T°C，热电偶的输出电压Uf正好等于给定电压Ur。此时，Ue=Ur-Uf=0，故U1=Ua=0，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使Uc保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T°C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程,控制的结果是使炉膛温度回升，直至T°C的实际值等于期望值为止。 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压ru（表征炉温的希望值）。系统方框图见下图。 已知飞轮升降系统模型对象： G(s) = e?30s (10s+1)2= e?30s 100s2+20s+1 要求：根据下列方法进行PID整定，写出整定后的PID参数，并画阶跃响应曲线表示M p、t s、t p。 1.根据响应曲线法整定参数； 2.使用衰减曲线法整定参数； 3.使用临界比例度法整定参数； 4.使用smith预估器法整定参数。 将四种方法图像放在一张图中比较，并用表格比较动态特性参数。 解： 1.根据响应曲线法整定参数： τ=30s，T=10s，K=1 则PID调节器的整定参数值为： K c K= 1.35(τ T )?1+ 0.27 = 1.35×(30 10 )?1+ 0.27 = 0.72 T i T = [2.5（τ T ）+ 0.5(τ T )2]/[1 + 0.6（τ T ）] = [2.5×(30 10 )+0.5(30 10 )2]/[1+0.6(30 10 )] = 4.286 T d T = 0.37（τ T ）/[1 + 0.2（τ T ）] = 0.37×(30 10 ) /[1+0.2(30 10 )] = 0.6938 进而可以求得理论的PID参数为：K p=K c= 0.7200 K i= K p T i = 0.72 42.86 = 0.01680 K d= K p T d= 0.72×6.938 = 4.995 将理论PID参数带入MATLAB仿真框图： 显示结果： 可以看出，曲线超调量虽然很小，但过渡过程时间依然很长，则仍需继续调节PID参数。 当K p= 0.68；K i= 0.019；K d=7时 显示结果： 此时M p＜10%，t s较之前大大缩短，曲线效果好 2.使用衰减曲线法整定参数： 把调节器置成纯比例控制系统，用MATLAB进行试验，不断调节比例带，直 自动控制原理大作业 1.题目 在通常情况下，自动导航小车（AGV ）是一种用来搬运物品的自动化设备。大多数AGV 都需要有某种形式的导轨，但迄今为止，还没有完全解决导航系统的驾驶稳定性问题。因此，自动导航小车在行驶过程中有时会出现轻微的“蛇行”现象，这表明导航系统还不稳定。 大多数的AGV 在说明书中都声明其最大行驶速度可以达到1m/s ，但实际速度通常只有0.5m/s ,只有在干扰较小的实验室中，才能达到最高速度。随着速度的增加，要保证小车得稳定和平稳运行将变得越来越困难。 AGV 的导航系统框图如图9所示，其中12=40ms =21ms ττ， 。为使系统响应斜坡输入的稳态误差仅为1%，要求系统的稳态速度误差系数为100。试设计合适的滞后校正网络，试系统的相位裕度达到50o ，并估计校正后系统的超调量及峰值时间。 ()R s () Y s 2.分析与校正主要过程 2.1确定开环放大倍数K 100) 1021.0)(104.0(lim )(lim =++==s s s sK s sG K v （s →0） 解得K=100 ) 1021.0)(104.0(100++=s s s G s 2.2分析未校正系统的频域特性 根据Bode 图： 穿越频率s rad c /2.49=ω 相位裕度?---=?-?--=99.18)2.49021.0(arctan )2.4904.0(arctan 9018011γ 未校正系统频率特性曲线 由图可知实际穿越频率为s rad c /5.34=ω 2.3根据相角裕度的要求选择校正后的穿越频率1c ω 现在进行计算： ???--=+=---55550)021.0(arctan )04.0(arctan 901801111c c ωω 则取s rad c /101=ω可满足要求 2.4确定滞后校正网络的校正函数 由于1120 1~101c ωω）（= 因此取s rad c /1101 11== ωω）（，则由Bode 图可以列出 . 第一章引论 1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。答： 自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。如下图所示为自动控制系统的基本组成。 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。 闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。 闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。 < 1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。 答： 自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。 快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 准确性用稳态误差来衡量。在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的精度 Harbin Institute of Technology 自动控制大作业 哈尔滨工业大学课程设计任务书 已知技术参数和设计要求：如图所示的系统，设计一个校正装置，使得稳态误差常数等于50/s，相位裕度为50度，幅值裕度不小于8分贝。利用MATLAB画出已校正系统和未校正系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应曲线。 （1）人工设计过程 1数据计算，确定补偿形式 校正之前系统的传递函数为()0G s = (1) K S S + ,由题目要求，系统的稳态速度误差常数Kv 为50-1 秒 ，由公式()0 lim(1) 1 11 e lim ()lim () 50 s ss s s s sE s sG s K Kv →→∞→∞+== == =得开环放大系数为K=50。0G 由放大环节、积分环节和一个惯性环节构成。未校正时系统的幅值穿越频率为 0c w =7.07rad/s 。γ0=180-90-arctan(0c w )=8.05。可见，未加补偿时，系统是稳定的，但是相位 裕度不满足要求。由于设计后要求γ=50，而对校正后的幅值穿越频率无要求，若取c w <=0c w ， γ-γ0=41.95，所以可以采用滞后补偿来实现。 2确定补偿装置参数并设计期望的剪切频率 补偿装置的传递函数为1 11(s)=1 12 s w Gc s w ++ ,其中21w w β=。原系统的Bode 图以-40Db/dec 穿越0dB 线，有可能满足要求。原系统的转折频率为1rad/s ，令校正后的相位裕度γ（Wc ）=γ0(0c w )+ ?≥50,(其中?为相角余量，取?为-6，即90- arctan(Wc )-6=50，解得Wc =0.67,则1 w =0.067rad/s,再由20lg|()0G jWc |+20lg|β|=0,解得β=0.0223,所以2w =0.0015rad/s 。所以校正装置的传递函数为 11 1110.067(s)=111120.0015 s s w Gc s s w ++=++， 校正后的传递函数为()()Ge s Gc s =*()0G s =1 1 500.067 (1)10.0015 s s s s +++ 。 自动化仪表与过程控制课程大作业 1、（15分）如图所示为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a ）、（b ）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。 解：图A 为串级控制系统，主变量为加热炉出口温度T ，福变量为燃料油流量Q ，引入副变量Q 的目的是为了及时克服由于燃料油压力波动对主变量T 的影响，以提高主变量T 的控制质量。 图B 调节器TC 和FC 串级工作，但没有副回路，所以不是串级控制系统。如果FC 选为比例调节器，那么原油的流量变化仍能及时通过FC 来改变燃料油的流量，起到静态前馈作用，而TC 能根据被控量?的变化起到反馈作用。为前馈反馈控制系统，系统的被控变量时原油的出口温度T 两种控制系统的比较： （1）（1）串级控制包含一个主回路和一个副回路，改善了被控制过程的动态特性，增强了对一次和二次扰动的克服能力，提高了对回路参数变化的自适应能力。 （2）从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前馈信号的干扰产生校正作用。从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的负担。 2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下： t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 h(mm) 0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3 （3）如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T，，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。 （4）解：（1）输入命令 （5）t=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100]; （6）h=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3]; （7）plot(t,h); （8）xlabel('时间t(s)'); （9）ylabel('液位h(mm)'); （10）grid on; （11）hold on; （12）[x,y]=ginput(1) （13）[x1,y1]=ginput(1) （14）gtext('tao=5.5326') （15）gtext('T=34.3') 自动控制原理 大作业 (设计任务书) 姓名: 院系: 班级: 学号: 5、 参考图 5 所示的系统。试设计一个滞后-超前校正装置,使得稳态速度误差常数为20 秒-1,相位裕度为60度,幅值裕度不小于8 分贝。利用MATLAB 画出 已校正系统的单位阶跃与单位斜坡响应曲线。 + 一.人工设计过程 1、计算数据确定校正装置传递函数 为满足设计要求,这里将超前滞后装置的形式选为 ) 1)(()1)(1()(2 12 1T s T s T s T s K s G c c ββ++++ = 于就是,校正后系统的开环传递函数为)()(s G s G c 。这样就有 )5)(1()(lim )()(lim 00++==→→s s s K s sG s G s sG K c c s c s v 205 ==c K 所以 100=c K 这里我们令100=K ,1=c K ,则为校正系统开环传函) 5)(1(100 )(++=s s s s G 首先绘制未校正系统的Bode 图 由图1可知,增益已调整但尚校正的系统的相角裕度为? 23.6504-,这表明系统就是不稳定的。超前滞后校正装置设计的下一步就是选择一个新的增益穿越频率。由)(ωj G 的相角曲线可知,相角穿越频率为2rad/s,将新的增益穿越频率仍选为2rad/s,但要求2=ωrad/s 处的超前相角为? 60。单个超前滞后装置能够轻易提供这一超前角。 一旦选定增益频率为2rad/s,就可以确定超前滞后校正装置中的相角滞后部分的转角频率。将转角频率2/1T =ω选得低于新的增益穿越频率1个十倍频程,即选择2.0=ωrad/s 。要获得另一个转角频率)/(12T βω=,需要知道β的数值, 自动控制原理大作业 学院：航天学院 专业：飞行器设计与工程 姓名：XX 学号：XXXXXXXXXXX 目录 自动控制原理大作业................... 错误!未定义书签。设计任务书............................ 错误!未定义书签。 一、设计过程 错误!未定义书签。 1.人工设计 错误!未定义书签。 2.系统校正前后bode图 错误!未定义书签。 3.性能指标验算数据 错误!未定义书签。 二、计算机辅助设计 错误!未定义书签。 1.Simulink仿真框图 错误!未定义书签。 2.Bode图 错误!未定义书签。 3.校正后的bode图： 错误!未定义书签。 4.校正前的bode图 错误!未定义书签。 5.阶跃响应曲线 错误!未定义书签。 校正后阶跃响应曲线.............. 错误!未定义书签。 校正前阶跃响应曲线.............. 错误!未定义书签。 6.校正装置电路图 错误!未定义书签。 三、设计结论 错误!未定义书签。 四、设计后的心得体会 错误!未定义书签。 五、参考文献 错误!未定义书签。 设计任务书 （钻机控制系统）技术要求：增益；阶跃信号输入时超调量22%，调整时间为；阶跃输入且干扰为零时误差为0；干扰为阶跃，输入为0时，稳态响应为。 一、设计过程 1.人工设计 已知阶跃信号输入时超调量,调整时间 根据高阶系统性能指标关系的经验公式 可得：，， 系统是单位负反馈系统，所以误差信号就是偏差信号E(s)。设和分别为R(s)、D(s)产生的误差信号，那么有 按题目要求 解得K=100 代入可知，校正前的开环传递函数为： 采用超前补偿即可满足。 超前补偿网络公式 满足： 解得,取， 网络教育学院《可编程控制器》大作业 题目：十字路口交通灯设计 学习中心：河北沧州黄骅奥鹏学习中心 层次：高中起点专科 专业：电力系统自动化技术 年级：2012年03 春/秋季 学号：121389128470 学生姓名：韩云龙 2013年9月份《可编程控制器》大作业具体要求： 1 作业内容 从以下五个题目中任选其一作答。 2 正文格式 作业正文内容统一采用宋体，字号为小四，字数在2000字以上。 3. 作业提交 学生需要以附件形式上交离线作业（附件的大小限制在10M以内），选择已完成的作业，点“上交”即可。如下图所示。 4. 截止时间 2013年9月3日。在此之前，学生可随时提交离线作业，如需修改，可直接上传新文件，平台会自动覆盖原有文件。 5. 注意事项 请同学独立完成作业，不准抄袭其他人或者请人代做，如有雷同作业，成绩以零分计！ 题目五：十字路口交通灯控制设计 起动后，南北红灯亮并维持30s。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，东西绿灯亮25s 后闪亮，3s后熄灭，东西黄灯亮，黄灯亮2s后，东西红灯亮，与此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。南北绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，南北黄灯亮，黄灯亮2s后，南北红灯亮，东西红灯灭，东西绿灯亮。依次循环。 十字路口交通灯控制示意图及时序图如下图所示。 设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分 类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍； （2）设计选用西门子S7－200 系列PLC，对其I/O口进行分配，并使用 STEP7-MicroWIN编程软件设计程序梯形图（梯形图截图后放到作 业中）； 吉林大学网络教育学院2019-2020学年第一学期期末考试《自动控制原理》大作业 学生姓名专业 层次年级学号 学习中心成绩 年月日 作业完成要求：大作业要求学生手写，提供手写文档的清晰扫描图片，并将图片添加到word 文档内，最终wod文档上传平台，不允许学生提交其他格式文件（如JPG，RAR等非word 文档格式），如有雷同、抄袭成绩按不及格处理。 综合题（每小题10分，共100分） 1、试用部分分式法、幂级数法和反演积分法，求下列函数的z反变换： (1) )2 )(1 ( 10 ) ( - - = z z z z E (2) 2 1 1 2 1 3 ) ( - - - + - + - = z z z z E 2、试确定下列函数的终值： (1) 2 1 1 ) 1( ) ( - - - = z Tz z E (2) )1.0 )( 8.0 ( ) ( 2 - - = z z z z E 3、设开环离散系统如图所示，试求开环脉冲传递函数G(Z)。 第3题图 4、当 z z z z z z C 5.0 5.1 1 2 ) ( 2 3 2 3 + - + + =时，计算系统前4个采样时刻c(0)，c(T)，c(2T)和c(3T)的响应。 5、已知线性离散系统的闭环脉冲传递函数为 2.0 1.0 ) ( 2 2 - + + = Φ z z z z z，试判断该系统 是否稳定。 6、设有零阶保持器的离散系统如下图所示，试求： （1）当采样周期T为1s和0.5s时，系统的临界开环增益K c； （2）当r(t)=1(t)，K=1，T分别为2s，4s时，系统的输出响应c(kT)。 第一章 习题答案 1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态； (2) 画出系统方框图。 解 （1）负反馈连接方式为：d a ?，c b ?； （2）系统方框图如图解1-1 所示。 1-2 题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 题1-2图 仓库大门自动开闭控制系统 解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图解1-2所示。 1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 题1-3图 炉温自动控制系统原理图 解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流 电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。f u 作为系统的反馈电压与给定 电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程： 控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 ?→T C ?→↑→↑→↑→↑→↑→↓→↓T u u u u u c a e f θ1C ↑ 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u （表征炉温的希望值）。系统方框图见图解1-3。 哈工大自动控制原理大 作业 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】 Harbin Institute of Technology 课程设计说明书（论文） 课程名称：自控控制原理大作业 设计题目：控制系统的矫正 院系：自动化测试与控制系 班级： 设计者： 学号： 指导教师：强盛 设计时间： 2016.12.21 哈尔滨工业大学 题目8 8. 在德国柏林，磁悬浮列车已经开始试验运行，长度为 1600m的M-Bahn号实验线路系统代表了目前磁悬浮列车的发展水平。自动化的磁悬浮列车可以在较短的时间内正常运行，而且具有较高的能量利用率。车体悬浮控制系统的框图模型如图 8 所示，试设计一 个合适的校正网络，使系统的相位裕度满足45°≤ γ ≤55°，并估算校正后系统的阶跃响应。 图 8 题 8 中磁悬浮列车悬浮控制系统 一、人工设计 利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出 校正装置的传递函数。验算校正后系统是否满足性能指标要求。 1)未校正系统的开环频率特性函数应为： γ0(γγ)= 1 γ2(γ+10) 2)未校正系统的幅频特性曲线图如下： 由图中可以得出: γγ=√γ=0.316 rad/s 对应的相位裕度为: γ(γγ)=180°?180°?arctan( γγ 10 )=?1.81° G c(s) 1 3)超前校正提供(m)=50° 4)γ?1 γ+1 =γγγ50°解得 a=7.5 5)?10γγγ=?8.75γγ,得到γγ=0.523 rad/s 6)1 γ=√γγγ=1.43 rad/s 1 γγ =0.19 rad/s 7)γγ(γ)=1+5.3γ 1+0.7γ 二、计算机辅助设计 利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试 g = tf(1,[1 10 0 0]); gc = tf([5.3 1],[0.7 1]); ge = tf([5.3 1],conv([0.7 1],[1 10 0 0])); bode(g,gc,ge); grid legend('uncompensated','compensator','compensated') [kg,r,wg,wc]=margin(ge) 第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说 明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变）？ （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4()dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt += 第1章控制系统概述 【课后自测】 1-1 试列举几个日常生活中的开环控制与闭环控制系统,说明它们的工作原理并比较开环控制与闭环控制的优缺点。 解:开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。 工作原理:被控制量为衣服的干净度。洗衣人先观察衣服的脏污程度,根据自己的经验,设定洗涤、漂洗时间,洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。系统输出量(即衣服的干净度)的信息没有通过任何装置反馈到输入端,对系统的控制不起作用,因此为开环控制。 闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统与空调、冰箱的温度控制系统。 工作原理:以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例,系统的被控制量(输出量)为蓄水箱水位(反应蓄水量)。水位由浮子测量,并通过杠杆作用于供水阀门(即反馈至输入端),控制供水量,形成闭环控制。当水位达到蓄水量上限高度时,阀门全关(按要求事先设计好杠杆比例),系统处于平衡状态。一旦用水,水位降低,浮子随之下沉,通过杠杆打开供水阀门,下沉越深,阀门开度越大,供水量越大,直到水位升至蓄水量上限高度,阀门全关,系统再次处于平衡状态。 1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用就是什么？ 解:自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件与执行元件。各个基本单元的功能如下: (1)被控对象—又称受控对象或对象,指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。 (2)给定元件—可以设置系统控制指令的装置,可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。 (3)检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量,再反馈到系统输入端作比较,一般为各类传感器。 (4)比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较,分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置与电桥等。 (5)放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时,可通过放大元件将微弱信号作线性放大。如电压偏差信号,可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器与功率放大级加以放大。 (6)执行元件—用于驱动被控对象,达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。 (7)校正元件:又称补偿元件,它就是结构或参数便于调整的元件,用串联或反馈的方式连接在系统中,以改善控制系统的动态性能与稳态性能。 1-3 试阐述对自动控制系统的基本要求。 解:自动控制系统的基本要求概括来讲,就就是要求系统具有稳定性、准确性与快速性。 稳定性就是对系统最基本的要求,不稳定的系统就是无法正常工作的,不能实现预定控制控制工程大作业(打印轮的控制分析)
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