采样系统的自动化控制
自动控制原理知识点总结
自动控制原理知识点总结自动控制原理是一门研究自动控制系统的分析与设计的学科，它对于理解和实现各种工程系统的自动化控制具有重要意义。
以下是对自动控制原理中一些关键知识点的总结。
一、控制系统的基本概念控制系统由控制对象、控制器和反馈通路组成。
控制的目的是使系统的输出按照期望的方式变化。
开环控制系统没有反馈环节，输出不受控制，精度较低；闭环控制系统通过反馈将输出与期望的输入进行比较，从而实现更精确的控制。
二、控制系统的数学模型数学模型是描述系统动态特性的工具，常见的有微分方程、传递函数和状态空间表达式。
微分方程是最直接的描述方式，但求解较为复杂。
传递函数适用于线性定常系统，将输入与输出的关系以代数形式表示，便于分析系统的稳定性和性能。
状态空间表达式则能更全面地反映系统内部状态的变化。
三、时域分析在时域中，系统的性能可以通过单位阶跃响应来评估。
重要的性能指标包括上升时间、峰值时间、调节时间和超调量。
一阶系统的响应具有简单的形式，其时间常数决定了系统的响应速度。
二阶系统的性能与阻尼比和无阻尼自然频率有关，不同的阻尼比会导致不同的响应曲线。
四、根轨迹法根轨迹是指系统开环增益变化时，闭环极点在复平面上的轨迹。
通过绘制根轨迹，可以直观地分析系统的稳定性和动态性能。
根轨迹的绘制遵循一定的规则，如根轨迹的起点和终点、实轴上的根轨迹段等。
根据根轨迹，可以确定使系统稳定的开环增益范围。
五、频域分析频域分析使用频率特性来描述系统的性能。
波特图是常用的工具，包括幅频特性和相频特性。
通过波特图，可以评估系统的稳定性、带宽和相位裕度等。
奈奎斯特稳定判据是频域中判断系统稳定性的重要方法。
六、控制系统的校正为了改善系统的性能，需要进行校正。
校正装置可以是串联校正、反馈校正或前馈校正。
常见的校正方法有超前校正、滞后校正和滞后超前校正。
校正装置的设计需要根据系统的性能要求和原系统的特性来确定。
七、采样控制系统在数字控制系统中，涉及到采样和保持、Z 变换等概念。
(自动控制原理)采样控制系统
且有 deg M( s ) ≤ deg N( s )以及 deg N( s ) = n . 展开成部分分式和的形式， 将 X(s)展开成部分分式和的形式，即
n
Ai X(s)= ∑ i =1 s + si 式中： 的零点， 的极点， 式中： i 为 N(s)的零点，即 X(s) 的极点，且设为 s
①线性性质 若 Z[ x1(t )] = X 1( z ), Z[ x2(t )] = X 2( z ) , a1, a2为常数 则 Z[a1 x1(t )+ a2 x2(t )] = a1 X 1( z )+ a2 X 2( z ) ②平移定理 若 Z[ x(t )] = X( z )
Z[ x(t + kT )] = z k X( z )− z k − j x( j ) ∑ 则 j =0 Z[ x(t − kT )] = z − k X( z ) 若 k = 1时，有 Z[ x(t + T )] = z[ X( z )− x(0)] Z[ x(t − T )] = z −1 X( z )
若上述级数收敛，则称 E ( z ) 为采样信号的z变换。 为采样信号的z变换。 若上述级数收敛， 为了书写方便， 为了书写方便，通常写成 E ( z ) = Z [e(t )] ,但仍理 变换。 解为是对取 Z 变换。
（2）常用函数的 Z 变换和 Z 变换的性质 变换见表8 1）常用普通时间函数的 Z 变换见表8-1 表8-1 Z 变换表
* n=0
+∞
( n 式中 e nT ) = e t )t = nT ， (
自动化控制系统组成部分及其作用
自动化控制系统组成部分及其作用自动化控制系统是由多个组成部分组合而成的，每个组成部分都有其独特的作用。
下面将逐一介绍这些组成部分及其作用。
1. 传感器：传感器是自动化控制系统中的重要组成部分，其作用是将被控对象的物理量转换为电信号或其他形式的信号，以便系统对其进行监测和控制。
传感器可以感知温度、压力、湿度、速度等多种物理量，并将这些信息转化为电信号输出。
2. 执行器：执行器是自动化控制系统中的另一个关键组成部分，其作用是根据控制信号来执行相应的动作。
常见的执行器包括电动执行器、气动执行器和液压执行器等。
通过执行器，控制系统可以对被控对象进行控制，实现预定的动作或操作。
3. 控制器：控制器是自动化控制系统的核心部分，其作用是根据输入信号（传感器信号）和输出信号（执行器信号），进行逻辑判断和运算，从而实现对被控对象的精确控制。
控制器可以是硬件设备，如可编程逻辑控制器（PLC）或单片机，也可以是软件程序，如嵌入式控制系统。
4. 信号处理单元：信号处理单元是自动化控制系统的重要组成部分，其作用是对传感器采集到的信号进行处理和分析，以提取有用的信息并进行决策。
信号处理单元可以对信号进行滤波、放大、采样和数字化等操作，从而使得控制系统能够更好地对被控对象进行监测和控制。
5. 人机界面：人机界面是自动化控制系统中与操作人员交互的界面，其作用是将系统的运行状态、数据和报警信息以可视化的方式展示给操作人员，并接收操作人员的指令和设定参数。
人机界面可以是显示屏、触摸屏、键盘、鼠标等设备，使得操作人员能够直观地了解系统运行情况，并对系统进行调整和控制。
6. 通信网络：通信网络是自动化控制系统中不可或缺的组成部分，其作用是实现各个子系统之间的信息交换和数据传输。
通过通信网络，传感器、执行器、控制器和人机界面等不同部分可以相互协调工作，实现数据共享和远程监控。
7. 电源系统：电源系统为自动化控制系统提供电能供给，确保各个组成部分正常运行。
采样系统
2020/6/29
北科大 信息工程学院 自动化
4
2.1 采样控制
一个典型的采样控制系统如图：
r
＋
e
e u *
*
脉冲
T
控制器
u
保持器
G(S)
C
图2-1 采样控制系统
e*
e是连续的误差信号，经采样开关后，变成一组脉冲序列 ，
e u 脉冲控制器对 *进行某种运算，产生控制信号脉冲序列 * ，保 u 持器将采样信号 * 变成模拟信号 u ，作用于被控对象 G(S) 。
11
将上述式子代入式
e* t
e(t)
有(t : kT )
k
e * (t) 1
e(t )e jkst
T k
对上式取拉氏变换，运用复位移定理，我们得到 E*(s):
E* s
1 T
E(s
k
jks )
将S=jw代入上式中，得到e*(t)的傅里叶变换为
E*
j
1 T
E(
k
j
jks )
解：由
E*
s
e(nT )enTs
n0
得
E* s 1 eTS e2TS
1 , eTS 1 1 eTS
2020/6/29
北科大 信息工程学院 自动化
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2020/6/29
C. Shannon(1916-2001)，毕业 于麻省理工学院数学系，贝尔实验 室研究员及麻省理工学院电机系教 授。早市曾跟随 V. Bush 参与模拟 计算机的研究并提出续电器路逻辑 自动化理(1938)。二战期间在参加 Bode 领导的火炮控制系统研究过 程中发表了著名《通信的数字理 论》，从而奠定了信息的基础 (1948)，被誉为信息论之父。 1956年回到MIT任职电子工程系 教授。
煤炭机械化采样机的采样过程
煤炭机械化采样机的采样过程煤炭是一种重要的能源资源，其质量的稳定性对于工业生产具有重要意义。
为了确保煤炭质量的稳定性，煤炭的采样工作显得尤为重要。
传统的人工采样方式效率低，采样结果不稳定，存在着很大的误差。
而煤炭机械化采样机是一种能够自动进行煤炭采样的设备，其采样过程更为准确、稳定，极大地提高了采样效率。
煤炭机械化采样机主要由进料系统、采样系统、灰分分离系统、样品收集系统和控制系统等组成，其采样过程主要包括以下几个步骤：1. 进料系统煤炭机械化采样机的进料系统主要是用于将待采样的煤炭送入采样机内部。
通常采用振动给煤机或者皮带输送机将煤炭送入采样机内部，确保煤炭能够均匀、稳定地进入到采样机内部。
2. 采样系统采样系统是煤炭机械化采样机的核心部件，其主要作用是对进入系统的煤炭进行采样。
采样系统通常由一根旋转的取样槽和一组旋转的取样刀组成。
当煤炭进入到取样槽内部时，取样刀开始旋转，并对煤炭进行切割。
取样槽内部通常会设置有一定数量的样品收集盒，采样刀切割的煤炭样品会落入到对应的样品收集盒内，以便后续的分析检测。
3. 灰分分离系统煤炭中的灰分是一个很重要的指标，煤炭的灰分含量对于燃烧炉的热效率具有很大的影响。
为了确保采样结果的准确性，煤炭机械化采样机通常会配备有灰分分离系统。
灰分分离系统主要是通过对采样过程中得到的样品进行筛分和分级，将煤炭中的灰分与其他杂质分离出来，以保证采样结果的准确性。
4. 样品收集系统样品收集系统是用于收集采样过程中得到的样品的部件。
在采样过程中，取样刀切割的煤炭样品会落入到样品收集盒内，而样品收集系统会负责将这些样品收集起来，并储存在特定位置，以便后续的分析检测。
5. 控制系统控制系统是煤炭机械化采样机的智能核心，它负责控制整个采样过程的进行。
通过对进料系统、采样系统、灰分分离系统、样品收集系统等部件进行灵活的控制，确保采样过程的准确、稳定进行。
煤炭机械化采样机的采样过程是一个自动化的过程，主要包括煤炭的进料、采样、灰分分离、样品收集以及控制等几个基本步骤。
入厂煤机械化自动采样装置控制系统的开发
圈 １ 系 统 的 逻辑 拉 铽 田
采样 头旋 转 ， 降机 构下 降到一 定深 度 ， 升 稍停后 即上 升 ， 成一 次采样 过程 。随后 太车行 走 、 完 小车行 走确
定 下 一 个 采 样 点 ， 成 采 样 过 程 。 车 和 大 车 到 达 极 完 小
量 有 着 不 容 置 疑 的 重 要 意 义 。 且前 计 量 设 备 的 计 量 精度 已达 到 ０ ２ ～０ ５ ， 本 满 足商业 计 量 标准 ． ． 基 的 要 求 ， 取 样 及 分 析 系 统 的 精 度 尚 达 不 到 ８ 。 但 ０
大多 数 用户均 采用 人工取 样方 式 ， 其科学 性 、 准确 性 自然 存 在很 多 问题 ， 因此 研 制 开 发高 效 准确 的 人 厂 煤取 样装 置 有深远 的意 义 。我们设 计 开发 的人厂 煤
Ｄｅ ｅ ｏｐ ｅ ｔ ０ ｎｔ ｏ ｙｓ ｅ ｏ ｕ ｏ ｓ ｍ ｐ ｉ ｏ ａ ｖ ｌ ｍ ｎ ｎ Ｃｏ ｒ ｌＳ ｔ ｍ ｆＡ ｔ — ａ ｌ ｎｇ ｆ ｒ Ｃｏ ｌ
吴超 宇 任 ，
（＿ １ 长春 第二热 电有 限责任 公 司 ， 吉林 长春
摘
萍 。高 显 忠 ，
维普资讯
２０ ０ ２年 ４月
第 ２期 （ 第 １ ９期） 总 ５
吉 林 电 力 Ｊｌ ｌｃｒｃ Ｐ ｗｅ ｉｉ Ｅ ｅ ｔ ｏ ｒ ｎ ｉ
Ａｐｒ ２ ０２ ． ０
Ｎｏ ２ （ ｅ ． ． ５ ． Ｓ ｔ Ｎｏ １ ９）
人 厂煤 机 械化 自动采 样 装 置 控 制 系统 的开 发
ｅ 趋 势 曲线数 据 收集 ． 可实 时记 录 各 电 机运 行 电流 ， 运行 人 员 提 供 给 运行依 据 。 实时记 录运行 人员 的所 有操 作 ， 可 以便 进 行 事 故 追 忆 ， 作 记 录测 点 为 ６ ０点 ， 多保 留 ５ｄ 操 ０ 最 数 据 ； 进 行 实时 报 表及 历史 报 表 显示 并 可 以 进行 可 数据打印； 对于 采 样 的 文本 文 件 可 进行 本 地 或 网 络
控制系统的离散化与采样频率选择
控制系统的离散化与采样频率选择控制系统是现代工程领域中不可或缺的一部分，它们广泛应用于自动化、机械、电力等领域。
在实际应用中，控制系统的离散化和采样频率的选择是非常关键的环节，不仅影响到系统的性能和稳定性，还涉及到资源的利用和成本的控制。
本文将对控制系统的离散化和采样频率选择进行探讨，并给出一些建议。
1. 离散化的原理和方法离散化是将连续时间的控制系统转化为离散时间的系统，使其可以通过数字计算进行分析和控制。
离散化的原理和方法有多种，常见的有零阶保持器（ZOH）、一阶保持器（FOH）和塞门（Tustin）法等。
其中，ZOH方法能够较好地保持系统的幅频响应特性，FOH方法则能更好地保持相频响应特性，而塞门法则结合了二者的优点，常用于实际工程中。
2. 采样频率选择的影响因素采样频率的选择直接影响到系统的性能和稳定性。
合理选择采样频率可以有效减小系统抖动、提高控制精度，并减少计算资源的浪费。
采样频率的选择主要受以下几个因素的影响：2.1 系统动态响应要求：系统的动态响应要求通常由所需的超调量、响应时间和稳态误差等指标来定义。
较高的采样频率可以提高系统的动态响应性能，但也会增加计算资源的消耗。
2.2 控制信号带宽：控制系统的控制信号带宽与采样频率有关，需要确保采样频率能够满足控制信号的带宽要求，防止信息丢失或失真。
2.3 硬件资源限制：在实际应用中，硬件资源通常是有限的。
选择适当的采样频率可以有效利用硬件资源，避免资源的浪费。
3. 采样频率选择的建议在选择采样频率时，需要综合考虑以上因素，并根据具体的系统和应用需求做出合理的决策。
以下是一些采样频率选择的建议：3.1 确定系统的动态性能要求，根据系统的超调量、响应时间和稳态误差等指标，选择适当的采样频率。
通常情况下，采样频率不宜过高，避免过高的计算复杂度和资源消耗。
3.2 根据控制信号的带宽要求确定采样频率。
控制信号的带宽通常与被控对象的特性有关，需要选择足够高的采样频率以满足带宽要求。
采样控制系统的稳定性分析
稳定性分析的重要性
系统性能的保证
01
稳定性是控制系统正常工作的基础，只有稳定的系统才能保证
其性能。
避免系统失控
02
不稳定系统可能导致系统失控，造成严重后果，因此需要进行
稳定性分析。
优化系统设计
03
通过稳定性分析，可以指导系统设计，优化系统参数，提高系
统性能。
稳定性分析的方法与工具
时域分析法
通过分析系统的响应曲线来判断系统的稳定 性。
采样周期过长
可能导致系统对快速变化的过程参数响应不足，同样影响系统的 稳定性。
合适采样周期
选择合适的采样周期是确保系统稳定性的关键，需要根据具体应 用场景和系统特性进行合理设置。
控制参数对系统稳定性的影响
01
02
03
控制增益过大
可能导致系统超调量增大， 甚至出现振荡，影响系统 的稳定性。
控制增益过小
案例二：某电力系统的采样控制稳定性改进
总结词
该案例针对某电力系统的采样控制稳定 性问题，提出了一种改进方案。
VS
详细描述
该案例中，研究者首先对电力系统的采样 控制进行了稳定性分析，发现系统存在不 稳定性问题。为了解决这个问题，他们提 出了一种新的采样策略和控制算法。通过 实验验证，新方案有效地提高了电力系统 的稳定性和响应速度。
效果。
采样控制系统的应用有助于推动 相关领域的技术创新和产业升级， 为社会经济的发展提供重要支撑。
采样控制系统的历史与发展
采样控制系统的概念最早可以追溯到20世纪50年代，随着计算机技术的发展，采样 控制系统逐渐得到广泛应用。
近年来，随着数字信号处理、嵌入式系统、物联网等技术的快速发展，采样控制系 统的理论和应用得到了进一步拓展和完善。
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． Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙＡｐ ｌ ａ ｉｎ： ……ｔ ｝ ｐｉ ｔ ｃ ｏ ： ・ ・
据计时器的设置首先进行等间隔一次采样 ，接着将 样 品进行破碎 ，输送到一次给料机 ， 然后进行二次 采样 ， 将本次采样输送至取样罐 ，而余料则通过斗 提机经二次给料机返 回到输送皮带上。同时 ，工控 机还可以对现场运行情况进行实时监控。
图 ２ 系统 软 件 流 程 图
另外 ，软件菜单功 能可 以根 据现场实 际需 要 而 定 ，功 能强 大 且 实 用 性 比较 强 ，能够 较 好 地 满 足工矿企业实 际生产 的需要 。由于篇 幅限制 ，仅 仅列 出部分设计状态图和部分程序。 ３ ． 系统 主要功 能 ２
３ ． 主 界面 ．１ ２
一
主 界 面 用 来 描 述 自动 采 样 系 统 的工 作 状 态 ，
包括系统 自动与手动状态 、皮带运行状态 、给料
机运 行状 态 、采 样 机 运 行 状 态 、斗 提 机 运 行 状 态
等等。如果 系统 出现故 障 ，会 自动报警 ，并提示 故障部位 ，从而动态对系统运行情况进行总体把 握 ，保证系统正常有效 的运转 。同时 ，通过系统
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● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
ｅ最 Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｐ ｌ ａｉｎ： ： ｅ ｈ ｏｏ ｙＡ ｐｉ ｔ ｃ ｏ ： ………
～
３ 系统 软 件及 主要 功能 ３１ 系统软 件设 计 ．
软件设计 是实现 自动 化控制 的核心 和关键 ， 既要考 虑软件 的实用性 ，又要兼顾具有 良好 的使
用 性能 。本 软件 采 用 Ｖ ６编 写 的 ｗＩＤＯ Ｂ Ｎ ｗＳ下 的
串口通讯程序 ，系统具有 良好 的人 机操作 界面 ， 简单方便 ，只需对工作人 员进行 简单培训 即可 。 其软件流程 图如图 ２ 所示 。