自动控制原理及其应用3.7
自动控制原理及其应用
自动控制原理及其应用自动控制原理指的是利用传感器和执行器等硬件设备，通过计算机或者类似的控制器来实现对各种设备、系统或过程的自动化监测、调节和控制。
自动控制原理主要包括传感器、控制器和执行器三个部分。
传感器用于将被控制对象的物理量或者状态转变为电信号，以便于控制器的接收和处理；控制器则根据传感器提供的信息，运用特定的控制算法对信号进行处理和判断，产生相应的控制输出信号；执行器则将控制器输出的信号转变为能够直接作用于被控制对象的物理量或者状态，实现对被控制对象的控制。
自动控制原理的应用非常广泛。
其中一个典型的应用是工业自动化控制系统，它可以用于自动化生产线的控制、机械设备的自动化操作，以及监控与调度系统的管理。
工业自动化控制系统可以大幅提高生产效率和产品质量，降低劳动强度和运营成本。
另外，自动控制原理还被广泛应用于交通运输系统中，包括智能交通系统、自动驾驶技术等。
通过利用传感器、控制器和执行器等设备，可以实现对交通流量、红绿灯、车辆速度等的智能调控，提高交通运输系统的效率和安全性。
相应地，自动控制原理也应用于家庭生活，比如智能家居系统。
智能家居系统通过传感器检测家庭中的温度、湿度、光线等环境参数，并通过控制器控制家电设备的开关，实现温度调节、照明控制、电器开关等功能。
智能家居系统带给人们更加智能、舒适和便捷的生活体验。
此外，医疗设备中也广泛应用了自动控制原理。
例如，心脏起搏器通过监测患者的心脏电信号，利用控制器产生适当的刺激信号，通过执行器对患者的心脏进行控制，起到维持心脏正常工作的作用。
另外，医疗监测仪器、手术机器人等也是基于自动控制原理运作的。
随着人工智能和大数据的发展，自动控制原理在各个领域都有更加广阔的应用前景。
比如智能制造领域的自动化生产线、智慧城市领域的城市管理系统、智能农业领域的农业自动化系统等。
这些都是在不同领域中通过传感器、控制器和执行器等自动化设备实现对各种设备、系统或过程的智能化监测、调节和控制，提高生产效率、资源利用效率和生活质量。
自动控制原理及其应用
自动控制原理及其应用自动控制原理及其应用自动控制原理是一种对目标系统进行自动控制的系统工程，其背后基于多种学科知识，包括数学、物理、电子、信号处理等领域。
自动控制原理的应用范围非常广泛，涵盖了工业生产、交通运输、医疗卫生、农业等各个领域，极大地提高了生产效率和品质稳定性。
一、自动控制原理1. 什么是自动控制原理？自动控制原理是通过对目标系统进行监测、分析和反馈等技术手段实现自动控制的原理。
它基于稳定性、灵敏度和稳定精度等考虑因素，通过控制器对目标系统产生影响，以实现期望的控制目标。
2. 自动控制原理的基本流程（1）传感器测量物理量（2）信号调理（3）目标系统建模（4）设计控制器（5）进行系统仿真（6）实际应用3. 自动控制原理的主要方法（1）经典控制方法：包括比例控制、积分控制、微分控制等方法，这些方法的基础是负反馈控制，早期应用广泛。
（2）现代控制方法：包括预测控制、模糊控制、神经网络控制等方法，这些方法主要是依靠计算机实现，能够应对变化多端的控制系统。
（3）优化控制方法：包括模型预测控制、反馈线性化控制、自适应控制等方法，这些方法在对系统各种变量进行优化的同时，能够有效地提高控制精度。
4. 自动控制原理的应用（1）工业制造领域：自动化控制技术在工业制造领域非常常见，它可以对生产线进行智能控制，提高制造效率和品质。
（2）交通运输领域：自动驾驶技术、智能交通灯等都是基于自动控制技术实现的，它们能够提高交通的安全性和效率，减少交通堵塞。
（3）医疗卫生领域：自动控制技术在医疗卫生领域主要应用于生命支持系统等，能够对患者进行监测，提高救治效率和准确性。
（4）农业领域：自动控制技术在农业领域主要应用于农业机械自动化，能够提高生产效率，减少人力成本。
二、自动控制应用案例1. 工业生产领域生产线自动控制系统是一个很好的例子，通过对产品生产流程进行智能控制，能够提高生产效率和品质。
比如，在食品加工过程中，可以通过自动控制系统对产品的温度、湿度、酸碱度等多种参数进行监测和调控，以保证生产出符合质量标准的产品。
自动控制原理及应用
机器人技术
随着机器人技术的不断发展，智能控 制在机器人领域的应用将不断扩大。 未来的研究将集中在如何提高机器人 的自主性、适应性、精度和安全性等 方面。
控制系统的发展趋势与研究方向
发展趋势
控制系统正在朝着智能化、网络化、鲁棒 化、自适应和节能等方向发展。例如，控 制系统中的通信和网络技术已经成为研究 的热点，对于实现分布式控制和远程控制 具有重要意义。
基于频率域的稳定性判据，利用系统开环频率响应函数来判断闭环系统的稳定性，适用于高阶系统。
李雅普诺夫稳定性判据
基于时间域的稳定性判据，通过分析系统状态方程的特征根位置来判断系统的稳定性，适用于非线性系统和时变系统。
动态性能分析
动态响应性能
主要关注系统对输入信号的响应速度和调整 时间，通常用阶跃响应和脉冲响应来描述。
频率响应法
01
基本概念
频率响应法是一种基于系统频率特性 来设计控制系统的图解方法。通过绘 制频率响应曲线，可以分析系统的稳 定性和性能，并进行系统设计。
02
应用场景
频率响应法适用于线性时不变系统的 设计和分析，尤其适用于机械、电力 、流体等系统的控制设计。
03
优缺点
频率响应法能够完整地描述系统的频 率特性，适用于多种系统。但是，其 图示较为复杂，需要一定的技术水平 才能掌握。
阻尼比与振荡频率
影响系统的动态性能，通过调整阻尼比和振 荡频率，可以优化系统的动态响应性能。
稳态性能分析
误差与精度等级
稳态性能主要关注系统的误差和精度等级，即系统输出信号与期望信号之间 的差异程度。
控制精度与稳定裕度
控制精度与系统的开环和闭环性能有关，而稳定裕度则反映了系统的稳定储 备和能力，通常用穿越频率和相位裕度来衡量。
自动控制原理的应用
自动控制原理的应用自动控制原理是指利用现代科学技术手段和方法，对各种系统的动态行为进行观测、分析和预测，并通过控制器对系统进行调节，使其达到预先确定的目标状态或性能要求的一门学科。
它应用广泛，可以在各个领域中发挥重要作用。
下面将从工业生产、交通运输、环境保护、医疗诊断等方面介绍自动控制原理的应用。
首先，自动控制原理在工业生产中具有重要的应用。
在工业生产过程中，为了提高工艺的精度和稳定性，实现产品的高质量和高效率生产，往往需要采用自动控制系统。
例如，自动化生产线利用传感器对加工过程中的温度、压力、速度等参数进行实时监测，并通过控制器对生产设备进行自动调节，以保持工艺参数在合理范围内，提高产品的一致性和稳定性。
其次，在交通运输中，自动控制原理的应用也越来越广泛。
例如，自动驾驶技术的发展，利用传感器、摄像头、雷达等设备实时获取道路信息，并通过控制算法对车辆进行自主驾驶。
这种应用不仅可以提高交通安全性，减少交通事故的发生，还可以提高车辆的行驶效率，缓解交通压力，减少燃油消耗。
此外，自动控制原理在环境保护方面也有重要的应用。
例如，大气污染治理中，利用自动控制系统对工业废气排放进行监测，并通过控制技术对废气进行净化处理，以保护大气环境。
在水处理领域，自动控制系统可以根据水质检测结果，对水质进行自动调节和监控，以确保水质达到国家标准。
这些应用可以提高环境治理的效率和准确性，保护人类的生存环境。
此外，自动控制原理在医疗诊断中也有着重要的应用。
例如，自动控制系统可以通过传感器对患者的生理信号进行实时监测，并通过算法进行数据分析和处理，对疾病进行早期诊断和预警。
在手术中，自动控制系统可以帮助医生控制手术仪器，提高手术精度和安全性。
这些应用可以提高医疗诊断的准确性和效率，提高患者的治疗效果和生活质量。
综上所述，自动控制原理在工业生产、交通运输、环境保护、医疗诊断等领域都有广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，自动控制原理将发挥更大的作用，带来更多的应用场景。
自动控制原理及应用
通过频率域中的系统传递函数分析系统的性能，包括幅值裕度、相位裕度等指标。
时域分析法
1
2
3
通过绘制根轨迹图来设计控制系统，确定控制器参数。
根轨迹法
通过频率域分析来确定控制系统参数，包括幅值裕度和相位裕度等。
频率法
通过建立系统的状态空间模型来进行系统分析和设计。
状态空间法
03
CHAPTER
03
02
01
05
CHAPTER
自动控制面临的挑战与未来发展
总结词
随着系统的日益复杂化，如何实现精确、稳定、高效的复杂系统控制已成为自动控制领域的重要挑战。
要点一
要点二
详细描述
复杂系统控制的研究涉及多个领域，包括非线性控制、时变控制、多变量控制等。现代控制理论和方法的发展为解决这些复杂系统的控制问题提供了有效手段。
总结词
自适应控制是自动控制领域的重要分支，能够有效地处理系统参数不确定或变化的情况。
详细描述
自适应控制算法的设计和应用涵盖了各种领域，如航空航天、机器人、工业过程控制等。通过实时调整控制策略，自适应控制系统能够适应环境变化，提高系统的鲁棒性和适应性。
总结词
分布式控制系统具有高可靠性、可扩展性和灵活性，是实现大规模、复杂系统控制的有效途径。
自动控制的应用实例
温度控制系统是自动控制原理在工业和日常生活中的应用之一，其实现方式主要包括温度传感器、控制器和执行器。
总结词
温度控制系统是通过温度传感器监测温度，将温度信号转换为电信号传递给控制器，控制器根据预设的温度值和当前温度值的差异，输出控制信号给执行器，执行器根据控制信号调节加热或冷却设备，以实现温度的自动控制。
详细描述
自动控制原理及应用
自动控制原理及应用自动控制是一种利用设备和技术手段，在无人干预的情况下实现对一些系统、过程或设备的控制和调节。
自动控制的原理基于传感器采集到的信号，经过计算和分析后，再通过执行器对系统进行调节，使得系统在一定的指令下能够自动地运行并达到所需的状态。
自动控制的原理主要包括信号采集、信号处理、控制器设计和执行器控制四个要素。
首先，信号采集是自动控制的基础。
传感器能够将各种物理量转换为电信号，并将其传递给控制系统。
常用的传感器有温度传感器、压力传感器、光传感器等，它们可以实时地监测系统的状态和变化。
其次，信号处理是对采集到的信号进行分析和处理，提取出有用的信息，并根据需要进行滤波、放大、调整等操作。
信号处理的目的是确保信号的准确性和稳定性，为控制器提供可靠的输入。
然后，控制器设计是自动控制的核心。
控制器根据信号处理得到的信息，根据预先设定的控制策略和算法，计算出当前的控制量，并根据控制信号来调节控制对象。
常见的控制器包括比例控制器、积分控制器、微分控制器，以及经典的PID控制器。
最后，执行器控制是将控制信号转化为动作，对系统进行实际的调节。
执行器可以是电动阀门、电机、液压缸等，通过控制信号来改变其位置、速度或力，从而达到对系统的控制目的。
自动控制的应用非常广泛，涵盖了各个领域。
在工业自动化中，自动控制被应用于生产过程中的温度控制、压力控制、流量控制等环节，提高了生产效率和产品质量，降低了人为操作的风险。
在交通运输领域，自动控制被广泛应用于交通信号灯控制、车辆导航系统和自动驾驶系统中，提高了交通的安全性和效率。
在航空航天领域，自动控制被应用于飞行器的姿态控制、导航和飞行管理系统中，保障了飞行器的安全和可靠运行。
在医疗领域，自动控制可以实现对生命体征、药物剂量和医疗设备的自动控制，提高了医疗治疗的精度和效果。
此外，自动控制还广泛应用于环境监测、能源管理、智能家居等领域，提高了生活质量和资源利用的效率。
总之，自动控制作为一种高效、准确、可靠的技术手段，已经成为现代工业化社会不可或缺的重要组成部分。
精品文档-自动控制原理及其应用(第二版)温希东-第3章
能够用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统，它的典型 形式是一阶惯性环节，即
(3-9)
第3章 时 域 分 析 法
20
1. 一阶系统的单位阶跃响应 当r(t)=1(t)时，有
第3章 时 域 分 析 法
对上式进行拉氏反变换，得
根据式(3-10)，可得出表 3-1 所列数据。
21 (3-10)
第3章 时 域 分 析 法
第3章 时 域 分 析 法
63
图 3-14 二阶系统单位阶跃响应包络线
第3章 时 域 分 析 法
第3章 时 域 分 析 法
57
2) 求峰值时间tp 由峰值时间tp的定义知，tp为c(t)响应超过其终值到达第 一个峰值所需的时间。
由式(3-14)和式(3-19)得
(3-21)
第3章 时 域 分 析 法
58
根据数学求极值概念，令
即
第3章 时 域 分 析 法
59
因为
所以
由此可得, ωdtp=π, 则 (3-22)
28
3.3 二阶系统的动态响应
用二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。从物理上讲， 二阶系统总包含两个储能元件，能量在两个元件之间交换，从 而引起系统具有往复的振荡趋势。当阻尼不够充分大时，系统 呈现出振荡的特性，这样的二阶系统也称为二阶振荡环节。
第3章 时 域 分 析 法
29
二阶系统的典型传递函数为
当r(t)=1(t)时，有
则
第3章 时 域 分 析 法
44
对上式进行拉氏反变换，可得
(3-17)
其响应曲线如图 3-10所示，系统为无阻尼等幅振荡。该种情况 实际系统不能用。
第3章 时 域 分 析 法
45
自动控制原理及应用
自动控制原理及应用自动控制是现代工程领域中一个非常重要的概念，它涉及到各种各样的应用，从工业生产到家用电器，从交通系统到航天飞行。
本文将围绕自动控制的原理和应用展开讨论，希望能为读者提供一些有益的信息和知识。
首先，让我们来了解一下自动控制的基本原理。
自动控制的核心思想是通过传感器获取系统的状态信息，然后经过控制器的处理，产生控制信号，最终驱动执行器对系统进行调节，以实现系统的稳定运行或者期望的运行状态。
这个过程可以简单地描述为感知-判断-执行的过程。
感知阶段是通过传感器获取系统的状态信息，判断阶段是通过控制器对状态信息进行分析和处理，执行阶段是通过执行器对系统进行调节。
这三个阶段相互配合，形成了自动控制的闭环系统。
自动控制的应用非常广泛，其中最典型的应用之一就是工业生产领域。
在工业生产中，自动控制系统可以实现对生产过程的监测和调节，提高生产效率，保证产品质量，降低生产成本。
例如，在自动化生产线上，各种传感器可以实时监测生产过程中的温度、压力、流量等参数，控制器可以根据这些参数实时调节生产设备的运行状态，以确保产品的质量和生产的效率。
另一个重要的应用领域是交通系统。
自动控制技术在交通信号灯、地铁列车调度、交通管理中起着至关重要的作用。
通过传感器监测交通流量，控制器可以根据实时的交通状况调节交通信号灯的时序，以优化交通流动，减少交通拥堵。
在地铁列车调度中，自动控制系统可以根据列车位置和运行速度实时调整列车的发车间隔，以保证列车运行的安全和高效。
此外，自动控制技术还广泛应用于家用电器、航天飞行、环境监测等领域。
在家用电器中，智能化的自动控制系统可以实现对空调、洗衣机、冰箱等家电设备的智能控制，提高用户的生活品质。
在航天飞行中，自动控制系统可以实现对飞行器的导航、姿态控制、着陆等功能，保证飞行器的安全和稳定。
在环境监测中，自动控制系统可以实时监测环境参数，对空气质量、水质等进行调节，保护环境和人类健康。
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单闭环有静差调速系统的原理图:
+
un R0
R0
Δ
R1
-
∞ +
+
uct
uf
Ks
+ id ud M
-
+
n-
TG
系统只的有组一成个: 反速馈度回调路节,器存在晶稳闸态管误整差流的器 调速系统称为单直闭流环电有动静机差测调速速发系电统机.
第七节 用时域法分析系统性能举例
单闭环有静差调速系统的动态结构图:
IL
·(KTsafT(Tmass2++1T)mRsa+/C1)e
=0
ess=essr+essd=0
返回
闭闭环环传传递递函函数数：：
Φ(s)=Φ0(.s0)0≈001(TSa3T+m0S.020+6T33Km03Sp3SK+.20s+13/)0CK+.e2Kp0p1K6s7KSsf+/2C1e.21Kp+1
第七节 用时域法分析系统性能举例
参数代入:
ωΦn=(s2)×≈3300..3.7030076=s232+300.35..270s3+K2pK1.p2=10K.1p1+1
_
KpKS /Ra (Tss+1)(Tas+1)
IL(s)
_
G2(s)
Ra(Tas+1)/ Ce
N(s)
(TmTas2+Tms+1)
H(s)
Ksf
第七节 用时域法分析系统性能举例
G1(s)e=ss(dT=s0sK+.1p1K3)2(ST+/aR0s0.+a.1511×)×04.00G×72(0s).0=7(T≈R0ma.T(0Ta8sas2++T1)m/SC+e1) ess=He(sssr)+=eKsssdf=0.38
1．动态性能分析
设系系统统稳的定参的数条为件：：
0.00633R×a=00..250Ω167>0.00T0s=001.×00(12617.2s1Kp+1)
Ts很小可KTTdsm=忽==400略0.0.23：ssKGp<(s5)H.9(C7Ks)es≈=f =0T.01a.3KT027mpVKSs/2K(+rTs/fmm/CS)e+1
第七节 用时域法分析系统性能举例
二、单闭环无静差调速系统
为了满足系统的稳态精度和平稳性的要 求，将比例控制器改换成比例积分控制器.
+
un R0
R0
Δ
R1 C
-
∞ +
+
uct
uf
+ id
Ks
ud M
-
+
n-
TG
第七节 用时域法分析系统性能举例
单闭环无静差调速系统的结构图:
Un(s)
_ Kp(ττ11KSS+p 1)
在扰给动定信号作用时 Un(s)=0IL(s)=I0L(s)=1/s
取=lsUi→mKen0s(psss=r取·=)01=1.+G1+s1G124(1e0s(s×)s将sH)deG=0K各(slss.2sip→0r()m==参sI70)0L1×Hs(.数1+s1·1E()01Ks值.d)1(==1s代1)/C0+入.eK1+3Rfp，KK2apK1s=得KKs0ssK.t3/sCf e
2．稳态性能分析
Un(s)=
1 s
essr=0
essd=sl→im0 s·Ed(s)
=lim s→0
s
G2(s)IL(s) 1+G1(s)G2(s)H(s)
=lims s→0 1+
Rτa
(Tas+1)Ra/Ce TaTms2+Tms+1
· s1
KpKsτ( 1s+1) 1s(Tss+1)(Tas+1)
ts= ζω=3ns2+=303.1.383s5s+05305（53K5±Kp5p%+1）66.67
{ 对照标准式 ωn2=3535Kp+166.67 2ωnζ=33.33 设计成最佳二阶系统 ζ=0.707
第七节 用时域法分析系统性能举例
2．稳态性能分析
系统的动态结构图可简化为：
Un(s)
G1(s)
G(Φs)(=s)s≈(0.考s023+虑Φ6218(7到s8s5.)+710=T1078sU).s=35N(+00n60(3(..Ks4s.050))30P50K1=806.p1117+65s7GK+G1(可Ps())s忽H)Hζ如(=略(s0s)果).=7要0K7s求f=0.07
第七节 用时域法分析系统性能举例
Un(s)
_
Kp
Uct Ks
Tss+1
Ud
_
1/Ra Id 1+Tds
_ Ra N(s)
CeTms
Ufn
Eb
Ce
Ksf
其开 递T前 传中反m环函>向递:馈T4C传数RK通函Tme通apa:----道数----道机反比G电:(传电电例枢sG)H递时势系电(s(函)间系s数阻=)==(数常数T((TTa:数Ta1Tsm+ms12sKTKT+)2(K+saspTsT-fK-T-pm---2K-延sm电电sHs-KK+s+s速/(+s迟C压1磁1fs1度)))e/((=时)放时TT(CK反Tss间ses大间ss++sf馈+1常1系常1))系)数数数数
第三章 时域分析法
第七节 用时域法分析系统性能举例
本节以单闭环有静差和无静差速度 控制系统为例，说明用时域法分析控 制系统性能的方法。
一、单闭环有静差调速系统 二、单闭环无静差调速系统
第七节 用时域法分析系统性能举例
一、单闭环有静差调速系统
系统的构成: 控制部分 电机机组 负载
系统的工作 过程:
第七节 用时域法分析系统性能举例
Ufn
Uct Ks Ud
TsS+1
Ksf
IL
_
1/Ra 1+TaS
Id
_ Ra N(s)
CeTmS
Eb
Ce
前向Байду номын сангаас道传递函数为
G(s)=s(TKaTpKmss2(+τ1Tsm+s1+)/1()C(Teτss1)+1)
第七节 用时域法分析系统性能举例
1．动态性能分析
可将 代G因=参入s(由ss(对式()数得00=劳..照0分s0得(3G斯30标6解t6.(s81稳s=8ω准ζs)为6s=+2闭ω+定ns13形:s=1n(+)3环1判0)(式10(取90.10=)3特.据.8(.200有.0023071036征0有.7031×s01τ.3K2.6315方6+1.72ω6P70=670τ(s83K程s0Kn.+=s2+=2K1.ζPp+11s0sK1式=ωP++)61.τ)(3+20p12)+n1<:52.(1)1)11=τ04s5/s(33+.20.8001707.1..0081.9.)9τ1105/44671KK1K76pps7P=+s0+1)1)
第七节 用时域法分析系统性能举例
闭环传递函数:
Φ(s)=
N(s) Un(s)
=(TaTms2+Tms+K1p)K(TsKsss+f /1C)+e KpKsKsf /Ce =
KpKs / Ce
TaTmTss3+(TaTm+TaTs)s2+(Tm+Ts)s+1+KpKsKsf /Ce
第七节 用时域法分析系统性能举例