常见的复杂控制系统
一阶系统和二阶系统区分方法
一阶系统和二阶系统是控制系统中常见的两种类型，它们可以通过以下几个方面进行区分： 1. 数学模型形式：一阶系统的数学模型通常由一个一阶微分方程描述，例如 RC 电路。而二 阶系统的数学模型则由一个二阶微分方程描述，例如振动系统或者 RLC 电路。
2. 阶数：一阶系统的阶数为1，即系统的最高导数为一阶导数。而二阶系统的阶数为2，即 系统的最高导数为二阶导数。
3. 动态响应：一阶系统的动态响应相对简单，通常具有指数衰减的特点。例如，一阶惯性 系统的响应可以用指数函数来描述。而二阶系统的动态响应则更加复杂，通常具有振荡、超调 和稳定性等特点。
一阶系统和二阶系统区分方法
4. 频率响应：一阶系统的频率响应通常是单调递减的，即随着频率的增加，系统的增益逐 渐减小。而二阶系统的频率响应则可能具有共振现象，即在某个特定频率处，系统的增益达 到最大值。
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5. 控制器设计：由于其较简单的动态特性，一阶系统的控制器设计相对简单。而二阶系统 的控制器设计则需要考虑更多的因素，例如稳定性、超调和振荡等。
通过对以上方面的观察和分析，可以较为准确地区分一阶系统和二阶系统。但需要注意的 是，实际系统可能具有更复杂的特性，可能不严格符合一阶或二阶系统的定义，因此在实际 应用中需要综合考虑多种因素。
电磁阀种类及工作原理
电磁阀种类及工作原理电磁阀是一种通过电磁力来控制液体或气体流动的装置。
根据不同的工作原理和应用场景，电磁阀可以分为多种类型。
下面将对几种常见的电磁阀进行介绍。
1.直动电磁阀直动电磁阀是最基本的一种电磁阀，其工作原理是通过电磁铁产生的磁场来控制阀芯的运动，从而实现对流体的开启和关闭。
当电磁铁通电时，磁场会吸引阀芯，使其与阀座分离，流体得以通过；当电磁铁断电时，阀芯会被弹簧推回原位，阀门关闭。
直动电磁阀结构简单、可靠性高，广泛应用于工业自动化控制系统中。
2.比例电磁阀比例电磁阀是一种根据输入信号的大小来调节流量的电磁阀。
它通过电磁阀芯的位置来改变流体通道的开启程度，从而实现对流量的精确调节。
比例电磁阀通常由一个电磁铁和一个伺服阀芯组成。
当输入信号改变时，电磁铁会产生相应的磁场，使伺服阀芯的位置发生变化，从而调节流量。
3.脉冲电磁阀脉冲电磁阀是一种通过脉冲信号来控制开关的电磁阀。
它通过脉冲信号的频率和宽度来控制阀芯的开启时间和关闭时间，从而实现对流体的精确控制。
脉冲电磁阀主要应用于喷墨打印机、气动控制系统等领域。
4.分动式电磁阀分动式电磁阀是一种通过多个电磁阀组合而成的复杂控制系统。
它可以实现多种不同状态的组合和切换，从而实现复杂的流体控制功能。
分动式电磁阀通常由多个电磁阀组合而成，每个电磁阀负责一个控制任务，通过合理的组合和切换，实现复杂的控制要求。
以上介绍了几种常见的电磁阀类型及其工作原理。
电磁阀作为一种重要的自动化控制元件，广泛应用于各个领域，如工业生产、农业灌溉、环境保护等。
随着科技的进步和应用需求的不断增加，电磁阀的种类也在不断增加和改进，以满足更多不同的控制要求。
实时系统中的实时操作系统选择与比较(七)
实时系统中的实时操作系统选择与比较引言：实时系统是指对时间要求非常严格的计算机系统，特别是对于任务的响应时间有严格要求的系统。
这些系统常见于航空航天、自动控制、工业控制等领域。
为了满足实时系统的需求，选择适合的实时操作系统是至关重要的。
本文将从实时性、可靠性、性能和适用环境四个方面进行分析和比较。
一、实时性：实时操作系统的核心特点就是保证任务的实时性。
硬实时是指对任务的响应时间有严格的时间限制，一旦错过了截止时间，可能会导致系统故障。
软实时是指对任务的响应时间有一定的限制，但是可以容忍一定的延迟。
1. 实时性要求高的系统：VxWorksVxWorks是一款被广泛应用于嵌入式实时系统的操作系统。
它具有高度可靠性和精确的任务调度机制，可以满足硬实时系统的要求。
VxWorks采用微内核架构，具有优秀的实时性能和可扩展性，适用于复杂实时任务的处理。
2. 实时性要求中等的系统：FreeRTOSFreeRTOS是一款开源的实时操作系统，适用于中小型嵌入式系统。
它具有较好的实时性能和低延迟，可以满足软实时系统的要求。
FreeRTOS采用可抢占式调度算法，支持多任务并发执行，适合处理简单的实时任务。
二、可靠性：实时系统对于任务的可靠性要求很高，要能够在各种不确定的环境下保证任务的正确性。
1. 可靠性要求高的系统：QNXQNX是一款广泛应用于工业控制和汽车电子领域的实时操作系统。
它具有高度的可靠性和容错能力，可以有效防止系统崩溃。
QNX采用微内核架构，通过进程间通信实现任务的隔离，从而保证系统的稳定性和可靠性。
2. 可靠性要求中等的系统：uC/OS-IIuC/OS-II是一款常用于嵌入式实时系统的实时操作系统。
它具有较好的可靠性和高可移植性，适用于中小型实时系统的开发。
uC/OS-II采用事件驱动的任务调度方式，可以方便地处理实时任务的同步与通信。
三、性能：实时系统对于性能的要求取决于任务的复杂度和响应时间限制。
闭环控制与开环控制
闭环控制与开环控制控制系统在工业自动化领域中起着至关重要的作用，其中闭环控制和开环控制是两种常见的控制策略。
本文将介绍闭环控制和开环控制的基本概念、原理及其应用，并探讨两者的优缺点以及在实际应用中的选择。
一、闭环控制闭环控制，又称反馈控制，是一种通过测量输出并将其与期望值进行比较，然后根据差异来调整输入，以实现系统稳定运行的控制方式。
闭环控制系统一般由传感器、控制器和执行器组成。
其基本原理是通过不断监测和调整系统输出，使其接近或稳定于期望状态。
闭环控制可以提供更稳定、更精确的控制效果。
通过实时的反馈信息，闭环控制可以补偿外部环境变化和系统误差，使系统更具鲁棒性。
闭环控制广泛应用于诸多领域，如温度控制、位置控制、速度控制等。
在这些应用中，闭环控制可以实现精确的控制目标，并对系统的稳定性和鲁棒性有较高的要求。
然而，闭环控制也存在一些缺点。
首先，闭环控制系统的设计和调试较为复杂。
其次，闭环控制需要传感器对系统的输出进行实时监测，从而增加了系统的成本和复杂度。
此外，闭环控制往往需要较快的反应速度，因此需要较高的计算能力和实时性。
二、开环控制开环控制，又称前馈控制，是一种根据预先设定的输入信号来控制系统的运行，而无需实时的反馈信息。
开环控制系统一般由输入设备、控制器和执行器组成。
开环控制通过预先确定的输入信号来指导系统运行，而忽略了系统输出与期望值之间的差异。
开环控制具有设计简单、调试容易的优点。
由于不需要实时的反馈信息，开环控制可以在很多应用中实现较低成本和复杂度的控制。
因此，在一些对控制精度和稳定性要求不高的应用中，开环控制是一个有效的选择。
然而，开环控制也存在一些限制。
首先，开环控制系统对外部环境的干扰和系统误差较为敏感，无法自动调整。
其次，由于没有反馈信息，开环控制无法实时纠正系统偏差，导致输出与期望值之间可能存在较大的误差。
因此，在一些对控制精度和稳定性要求较高的应用中，开环控制无法满足需求。
三、闭环控制与开环控制的应用闭环控制和开环控制在不同的应用场景中表现出各自的优势。
三阶系统的分析与校正
三阶系统的分析与校正引言：在控制系统中，三阶系统是一种常见且重要的系统。
它具有更高的阶数，因此对于控制系统的性能和稳定性有着更高的要求。
因此，对于三阶系统的分析和校正具有一定的复杂性。
本文将围绕三阶系统的分析和校正展开讨论，并介绍常见的校正方法。
一、三阶系统的基本特点和模型表示三阶系统是一个具有三个自由度的系统，可以用如下的传递函数表示：G(s)=K/(s^3+a*s^2+b*s+c)其中，K为传递函数的增益，a、b、c分别为系统的阻尼、震荡频率和系统自然频率。
二、三阶系统的稳定性分析稳定性是控制系统设计和校正的基本要求。
对于三阶系统的稳定性分析可以采用Bode图和Nyquist图等方法。
1. Bode图分析通过绘制传递函数的幅频响应和相频响应曲线，可以得到系统的幅度余弦曲线和相位余弦曲线。
根据Bode图的特点，可以确定系统的稳定性。
2. Nyquist图分析Nyquist图是对传递函数的极坐标表示。
通过绘制传递函数的Nyquist图，可以分析系统的稳定性。
以上两种方法都可以用来评估系统的稳定性。
如果系统的Bode图和Nyquist图图像均在单位圆内，则系统是稳定的。
三、三阶系统的校正方法校正是为了使控制系统具有所需的性能指标，通过调整系统中的参数和控制器等手段实现。
1.PID控制器的设计PID控制器是最常用的控制器之一，具有简单、稳定、易于实现等特点。
PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
通过调整PID控制器中的三个参数，可以实现对三阶系统的控制。
2.根轨迹法根轨迹法是一种经典的校正方法，通过分析系统的根轨迹来设计合适的校正器。
根轨迹是描述系统根位置随参数变化而变化的曲线。
通过调整参数，可以使根轨迹满足设计要求，进而实现对系统的校正。
3.频率响应方法频率响应方法基于传递函数的幅频响应和相频响应特性进行校正。
根据系统的特性，通过调整增益和相位等参数，可以实现对系统的校正。
以上是常见的三阶系统的校正方法，可以根据实际需求选择合适的方法进行校正。
第1课 自动控制系统 课件(共13张PPT) 六下信息科技浙教版(2023)
学习内容
1.常见的自动控制系统。 2.计算机在控制系统中的作用。
探索 智慧农场为什么可以实现自动灌溉?
建构
生产生活中有很多自动控制系统，为人类社会的发展提 供了帮助。
一、常见的自动控制系统
随着科学技术的发展，控制技术也得到了迅速发展，出现了自 动控制。自动控制系统在无人参与的情况下能自动实现目标。
例如，智慧农场的灌溉系统通过计算机指令，不仅能根 据土壤的湿度来实现自动灌溉，还能根据种植的不同农作物 ，实现分类灌溉。
想一想
智慧农场的自动灌溉系统，除了根据不同的农作 物进行分类灌溉之外，还可以利用计算机实现什么控 制?
练习
制作一份电子小报，介绍一个生活中常见的计算机自 动控制系统，说一说它的特点，并简单说明计算机在其 中的作用。
水箱水位自动控制
全自动干手机
通过设定空调温度实现降温
汽车中的定速巡航
二、计算机在自动控制系统中的作用
计算机在自动控制系统中的作用主要体现在两个方面： 首先，计算机利用指令实现更精准、更复杂的控制；其次， 利用计பைடு நூலகம்机指令能实现智能的控制方式，使系统的改动更加 便利。
二、计算机在自动控制系统中的作用
谢谢聆听！
INTERNET OF THINGS
DCS系统常见故障分析
DCS系统常见故障分析DCS是分散控制系统。
这种系统由一个或多个处理器组成，每个处理器可以控制一个或多个功能。
DCS系统用于自动化过程控制，最常见的是石化、发电和制造等行业。
因为这种控制系统涉及到复杂的过程体系和大量的控制参数，所以在使用过程中可能会遇到各种故障。
本文将讨论DCS系统的常见故障及其原因。
1. 硬件故障硬件故障是DCS系统中最常见的故障之一。
这种故障通常由于硬件组件的老化或设备的不适当使用引起。
常见的硬件故障包括CPU故障、内存故障、硬盘故障、电源故障、IO 卡故障等。
软件故障是DCS系统中比较常见的问题之一。
这种故障通常由于操作系统故障、应用软件故障和网络通信问题引起。
常见的软件故障包括操作系统死机、软件崩溃、应用软件无法启动、网络通信故障等。
3. 传感器故障传感器故障通常由于传感器组件老化、损坏或不正确的安装引起。
这种故障可能导致采集的数据不准确或丢失，并可能影响生产过程。
4. 通信故障通信故障通常由于网络故障、连接故障或网络拥塞引起。
通信故障会导致设备不能正常通信的问题，这可能导致DCS控制系统失控。
5. 电源问题电源故障可能是由于电源组件的损坏、电线的断路或电源的漏电引起。
6. 技术支持问题这种故障通常由于缺乏DCS控制系统技术支持团队或专业人员引起。
如果没有正确的培训和支持，DCS系统可能无法正常运行。
总结DCS系统作为自动化过程控制的核心，必须保持良好的工作状态。
需要及时的维护和常规检查以避免故障发生，如果出现故障需要及时处理。
在检查和维护DCS系统时需要重点关注设备的硬件和软件组件、传感器、通信和技术支持。
这样可以确保系统的安全可靠性并避免生产中的不必要的停机和损失。
《生活中的控制系统》 讲义
《生活中的控制系统》讲义在我们的日常生活中，控制系统无处不在。
从简单的家用电器到复杂的交通系统，控制系统在维持秩序、提高效率和保障安全方面发挥着至关重要的作用。
那么，什么是控制系统呢？控制系统是指通过对系统输入和输出的监测和调节，使系统按照预定的目标或规律运行的一组装置或方法。
让我们先从家庭中的控制系统说起。
比如，家里的空调系统就是一个典型的控制系统。
当我们设定了一个期望的室内温度后，空调内部的传感器会不断检测室内的实际温度。
如果实际温度高于设定温度，控制系统就会启动制冷模式，降低室内温度；反之，如果实际温度低于设定温度，控制系统则会切换到制热模式，提升室内温度。
通过这种不断的监测和调整，空调能够保持室内温度在一个舒适的范围内。
再来看冰箱，它也有自己的控制系统。
冰箱内部的温度传感器会感知冰箱内的温度变化。
当温度升高到一定程度时，制冷系统会启动，将温度降低到设定的低温，以保证食物的新鲜和储存。
在厨房中，电饭煲也是一个具有控制系统的设备。
我们可以选择不同的烹饪模式，如煮饭、煮粥、煲汤等。
电饭煲内部的控制电路会根据我们的选择，控制加热时间和功率，以达到理想的烹饪效果。
除了家庭中的这些设备，交通系统也是一个庞大而复杂的控制系统。
交通信号灯就是一种常见的控制装置。
它们根据预设的时间间隔和交通流量的变化，交替显示红灯、绿灯和黄灯，指挥车辆和行人有序通过路口。
在一些繁忙的路口，还会安装智能交通控制系统，通过摄像头和传感器实时监测交通流量，自动调整信号灯的时间，以优化交通流量，减少拥堵。
汽车本身也是一个复杂的控制系统。
例如，汽车的速度控制系统可以让我们设定一个期望的行驶速度，当车辆速度超过设定值时，控制系统会自动减少油门供应，甚至启动刹车来降低车速；当车速低于设定值时，控制系统则会增加油门供应，以保持稳定的行驶速度。
此外，汽车的制动系统、转向系统和发动机管理系统等，都在不断地监测和调整车辆的运行状态，确保行驶的安全和稳定。
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2020/6/25
对于一个定值控制系统，扰动造成的影响应该越 小越
好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式（22）W m越1 接1
近0，式（2-3）越接近1 y1(s ) （征令克服）干，扰则能控力制WW的Zx系12((式ss统)) 子=性y能1(s越) xz 21好((ss ))。也即用以表
2的020/值6/25越大越好。
Wm1 ( s)
2020/6/25
图2-2 串级控制系统原理简化方框图
其中
W D ¢ 2 (s)=y m 2 ( (s s ) )=1 + W T 2 (s) W W f( fs (s )W ) W D D 2 ( 2 s (s )W )m 2 (s)W Z (s) （2-1）
输出对于扰动 的传Z 2递函数 W Z 2 ( s )= Z y 1 2 ( ( s s ) )= 1 + W T 1 ( s ) W T 2 W ( s D ) W 1 ( D s 1 ) W ( s ) D W ¢ 2 ( D S ¢ 2 ) ( s ) W m 1 ( s ) W Z ( s （)2-2）
2020/6/25
串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态 特性，提高系统的工作频率。
w 串 = 1 -x 串 2 w 0 串 = 1 -x 串 2 g T 1 + T 2 + K T T 2 1 T K 2 Z K fK m 2 K 2 T 1 g 2 x 1 串
w单= 1- x单 2gT1 T+ 1T2 T2g2x1单 假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
现有 如果
W WZ x12((ss))=WT1(s)WT2(s)WZ即(s)为两个调节器传递函数的乘积。 WT1(s) = KT1 WT2(s)=KT2 WZ(s)=KZ =，1则有
y1(s )
x 1(s ) y1(s )
=
K T 1K T 2
z 2(s )
2020/6/25
若采用如图2-3所示单回路控制系统 ，可以算得
可实现更灵活的操作方式。
2020/6/25
串级控制系统设计及工程应用
串级控制系统主副回路和主副调节器选择 主副回路的选择原则
➢副回路应把 变化幅度大 最剧烈 最频繁
等干扰包括在副回路内，充分发 挥副回路改善系统动态特性的作 用，保证主参数，使副环可近 似为1：1比例环节。
2020/6/25
X1
WT1(s) X2
WT 2(s)
Z2
WZ (s)
Wf (s)
Wm2 (s)
WD2(s) Y2 WD1(s) Y1
Wm1(s)
图2-1 串级控制系统原理方框图
2020/6/25
2020/6/25
主调节器(主控制器)： 根据主参数与 给定值的偏差而动作，其输出作为副 调节器的给定值的调节器。
副对象(导前区)： 副参数所处的那一部分工艺 设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为 副参数(副变量)。
2020/6/25
串级控制系统的特点 串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。
将图2-1简化为图2-2
Z2
X1
WT 1 ( s)
WT 2 (s)
WZ (s)
WD2 (s) Y2 WD1(s) Y1
2020/6/25
➢ 主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路 控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时
间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一 些。
在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选取适
当，一般
T 1/T 22~6(或 3~10 ） 之间较合适。
2020/6/25
y1(s)
其表征y克1(s服)x1干(s)扰=能WT力1 =的K式T1子
z2(s)
（2-5）
K T1K T2>K T1
一般有：
2020/6/25
X1
WT 1 ( s)
Z2 WZ (s)
Wf (s)
WD2 (s)
WD1(s) Y1
Wm1 ( s)
图2-3单回路控制系统原理方 框图
结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小， 克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数 整定得越大，这个优点越显著。
2020/6/25
§2.1 串级控制系统
基本原理、结构与性能分析 串级控制系统设计及工程应用 串级控制系统抗积分饱和 串级控制系统的变型
2020/6/25
基本原理、结构与性能分析
基本概念和系统结构 串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一种 常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。它 由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个 控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类 控制系统称为串级控制系统。
当 T1 /T2 10 时表示 T 2 很小，副回路包括的干扰 因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未 能充分利用；当 T1 /T2 3 时表T明2 过大，副回路 包括的干扰过多，控制作用不及时；当 T1 /T2 1 时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在 干扰作下，主、副参数任一个先振荡，必将引起 另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡 更加剧烈，这就是所谓的"共振效应"，显然应力 求避免。
x串 = x单
w串=T1+T2+KT2KZKfKm2K2T1
w单
T1+T2
=1+T T1 2(1+1K+ T2T K1ZKfKm2K2)
T2
=1+KT2KZKfKm2K2T1 T1+T2
2020/6/25
显然 w 串 ，> 所1 以 w
单
x串 > x单
串级控制系统具有一定的自适应能力。
能够更精确控制操纵变量的流量。
副调节器(副控制器)： 其给定值由主 调节器的输出决定，并根据副参数与 给定值(即主调节器输出)的偏差动作。
2020/6/25
主回路(外回路)： 断开副调节器的反馈回路后 的整个外回路。
副回路(内回路)： 由副参数、副调节器及所包 括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)
2020/6/25
主对象(惰性区)： 主参数所处的那一部分工艺 设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主 参数(主变量)。
x 输出对输入 1的传递函数
W x 1 ( s )= y x 1 1 ( ( s s ) )= 1 + W W T T 1 ( 1 s ( ) s W ) W T T 2 ( 2 s ( ) s W ) W D 1 D ( 1 s ( ) s W ) W D ¢ D 2 ¢ ( 2 s ( ) s W ) W m Z 1 ( ( s s ) W )Z ( （s )2-3）