4.4控制系统的设计与实施
为前馈补偿控制单元的传递函数
机中都有相应的硬件模块。在没有定型仪表的情况下，也可用一些
常规仪表组合而成，如用比值器、加法器和一阶惯性环节来实施，
如图4.6所示。这种通用型前馈控制模型在单位阶跃作用下的输出特
性为
t
mf (t)＝Kf [1＋( 1)e ] T1
（4-12）
式中
T1 T2
。
图4.6 （T1s+1）/（T2s+1）实施方框图
4.2 前馈控制的特点及局限
4.2.1 前馈控制的特点
（1）前馈控制是一种开环控制 图4.1所示系统中，当测量到冷物料流量变化的信号后，通过
前馈控制器，其输出信号直接控制调节阀的开度，从而改变加热 蒸汽的流量。但加热器出口温度并不反馈回来，它是否被控制在 原来的数值上是得不到检验的。所以，前馈控制是一种开环控制。
静态前馈控制非常简单，不需要专门的控制器，只要用DDZ仪表中 的比例控制器或比值器就能满足使用要求。在实际生产过程中，当过程 扰动通道与控制通道的时间常数相差不大时，采用静态前馈控制，可获 得较高的控制精度，所以在生产上应用较广。
2．动态前馈控制系统
如前所述，静态前馈控制是为了保证被控变量的静态偏差接近或
设 G f (s) 为扰动通道的传递函数，G0 (s) 为控制通 道的传递函数，G ff (s) 为前馈补偿控制单元的传递函 数，如果把扰动值（进料流量）测量出来，并通过前
馈补偿控制单＝元进行控制，则
Y (s) G f (s)F(s) G ff (s)G0 (s)F(s)
[G f (s) G ff (s)G0 (s)]F(s)
等于零，而不能保证被控变量的动态偏差接近或等于零。当需要严格
控制动态偏差时，则要采用动态前馈控制，即式（4-3）所
模糊控制系统课件4.4(FIS的设计与仿真)
坐标区
网格，可 填入3-100 之间的数 字
主菜单Options之下有两个子菜单：Plot（画图） 和Color Map（填色），都是关于绘图的。
实验一：用GUI设计Mamdani型FIS
洗衣机利用分光光度计传感器，通过检测洗涤液的
透明程度等方法，测出洗涤液中的污泥含量x∈[0,100]% 和油脂含量y∈[0,100]%。模糊控制规则根据x和y的数 据，选定洗涤时间t∈[0,60]（分钟）。因为只考虑洗涤时 间，可以用双输入-单输出模糊控制器完成任务。
4.4 FIS的设计与仿真
启动MATLAB后，在主窗口键入fuzzy，回车。
模糊子集
把模糊推理系统改成T-S（Sugeno）型： File→New FIS…→Sugeno
线性函数
这两个编辑 框不允许填 入内容
相当于Mamdani推理中的蕴涵、综合、清晰化 三者的综合结果
模糊规则编辑器
以液位控制系统为例。
④if level is okay and rate is positive then valve is close slow
⑤if level is okay and rate is negative then valve is open slow 根据上述模糊规则，编辑这个“液位模糊控制器” 的仿真模型。
实验二：用GUI设计Sugeno型FIS
例：双输入（x和y）、单输出（u）系统，四条 模糊规则。
R1 : if R2 : if R3 : if R4 : if
x is x1 then u1 x 1; x is x2 and y is y1 then u 2 0.1x 4 y 1.2; x is x2 and y is y2 then u3 0.9 x 0.7 y 9; x is x3 and y is y2 then u4 0.2 x 0.1 y 0.2
《控制系统的设计与实施作业设计方案》
《控制系统的设计与实施》作业设计方案
一、课程背景
《控制系统的设计与实施》是一门专业课程，旨在培养学生对控制系统设计与实施的理论和实践能力。
通过本课程的进修，学生将掌握控制系统的基本原理、设计方法和实施技术，以及掌握相关工具和软件的应用。
二、课程目标
1. 理解控制系统的基本原理和结构；
2. 掌握控制系统的设计方法和实施技术；
3. 能够运用相关工具和软件进行控制系统设计和仿真。
三、作业设计方案
1. 作业一：控制系统基本原理分析
要求学生选择一个实际的控制系统案例，分析其基本原理和结构，包括传感器、执行器、控制器等组成部分，并撰写一份报告。
2. 作业二：控制系统设计方法钻研
要求学生选择一个控制系统设计方法，如PID控制、模糊控制等，进行深入钻研，并结合实例进行分析和讨论。
3. 作业三：控制系统实施技术实践
要求学生选择一个控制系统实施技术，如PLC编程、MATLAB/Simulink仿真等，进行实际操作和实验，并撰写实验报告。
4. 作业四：控制系统设计与仿真综合实践
要求学生结合前三个作业的内容，选择一个实际案例进行控制系统设计和仿真，包括系统建模、控制器设计、仿真调试等环节，并撰写一份综合报告。
四、评分标准
1. 作业一、作业二、作业三分别占总成绩的20%，满分分别为80分；
2. 作业四占总成绩的40%，满分为100分；
3. 考核方式包括作业报告评分和实验操作评分。
五、作业提交要求
1. 作业报告要求格式规范，包括封面、目录、正文、。
电气工程及其自动化专业导论
电气工程及其自动化专业导论
电气工程及其自动化专业导论
引言：
电气工程及其自动化专业是工程学科中的一支重要学科，主要
涉及电力系统、电机与电子技术、控制理论与应用等方面的知识。
本文将从以下几个方面对电气工程及其自动化专业进行介绍和讨论。
第一章：电气工程概述
1.1 电气工程的定义和起源
1.2 电气工程的基本原理
1.3 电气工程的分类
第二章：电力系统
2.1 电力系统的组成与层次结构
2.2 电力系统运行与管理
2.3 电力系统的稳定性分析
2.4 电力系统的保护与自动化
第三章：电机与电子技术
3.1 电机原理与类型
3.2 电机的控制与调速
3.3 电子元器件与电路
3.4 电子技术在电气工程中的应用
第四章：控制理论与应用
4.1 控制系统的基本概念与分类
4.2 控制系统的数学模型与传递函数
4.3 控制系统的稳态与动态特性分析
4.4 控制系统的设计与调节
第五章：自动化技术与应用
5.1 自动化技术的发展历程
5.2 自动化系统的组成与层次结构
5.3 自动化技术在生产与工程中的应用
5.4 工业自动化系统的设计与实施
附件：
本文档附带的附件包括电气工程及其自动化专业相关的案例分析、电力系统模拟软件、电机控制实验报告等内容。
这些附件旨在辅助读者更好地理解和应用本文所介绍的知识。
法律名词及注释：
1. 电力法：指规定电力行业活动有关法律的总称。
2. 电气安全法：规定了电气产品的安全性要求和检验检测标准等。
3. 电磁兼容法：规定了电气设备的电磁兼容性要求和测试方法等。
《电气CAD工程实践技术》电子教案
《电气CAD工程实践技术》电子教案第一章：电气CAD概述1.1 电气CAD的概念与发展1.2 电气CAD系统的组成与功能1.3 电气CAD软件的选择与安装1.4 电气CAD基本操作与界面熟悉第二章：电气元件的绘制2.1 电气元件的分类与识别2.2 常用电气元件的绘制方法2.3 特殊电气元件的绘制技巧2.4 电气元件库的创建与使用第三章：电气图的绘制3.1 电气图的基本类型与特点3.2 电气图的绘制步骤与方法3.3 电气图的常见问题与解决办法3.4 电气图的打印与输出第四章：电气线路的设计与仿真4.1 电气线路的设计原则与方法4.2 电气线路的绘制与修改4.3 电气线路的仿真与分析4.4 电气线路的优化与改进第五章：电气控制系统的设计与实施5.1 电气控制系统的设计步骤与方法5.2 电气控制系统的仿真与调试5.3 电气控制系统的现场实施与验收5.4 电气控制系统的设计案例分析第六章：电气CAD的高级应用6.1 电气CAD软件的高级功能6.2 电气设计中的协同工作与数据共享6.3 电气CAD在项目管理与协作中的作用6.4 电气CAD与其他软件的集成应用第七章：电气CAD的二次开发7.1 电气CAD二次开发的意义与目的7.2 电气CAD二次开发的基础知识7.3 电气CAD二次开发的方法与步骤7.4 电气CAD二次开发的应用案例第八章：电气CAD工程实践案例分析8.1 电气CAD在电气设计中的应用案例8.2 电气CAD在电气工程管理中的应用案例8.3 电气CAD在电气教学与培训中的应用案例8.4 电气CAD在其他领域的应用案例第九章：电气CAD的故障排查与维护9.1 电气CAD软件的常见故障与排查方法9.2 电气CAD软件的维护技巧与注意事项9.3 电气CAD硬件设备的选择与维护9.4 电气CAD系统的安全与数据保护第十章：电气CAD的未来发展趋势10.1 电气CAD技术的发展趋势10.2 电气CAD在新能源领域的应用前景10.3 电气CAD在智能化与自动化技术中的应用10.4 电气CAD在全球化电气设计中的挑战与机遇重点和难点解析重点环节1：电气CAD的概念与发展重点环节2：电气CAD系统的组成与功能重点环节3：电气元件的绘制重点环节4：电气图的绘制重点环节5：电气线路的设计与仿真重点环节6：电气控制系统的设计与实施重点环节7：电气CAD的高级应用重点环节8：电气CAD的二次开发重点环节9：电气CAD工程实践案例分析重点环节10：电气CAD的故障排查与维护重点环节11：电气CAD的未来发展趋势本文主要针对《电气CAD工程实践技术》电子教案中的重点环节进行了详细的解析和补充。
控制系统的设计与实施
控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施是指根据一定的目标和需求，通过确定适当的输入和输出以及设计合理的控制算法，来实现对一定系统或过程的控制。
控制系统的设计与实施涉及到多个方面的内容，包括系统模型建立、控制策略选择、控制器设计、系统仿真验证和实际实施等。
本文将从这些方面逐一展开，并探讨其中的关键要点。
首先，进行控制系统的设计与实施前，需要建立系统的数学模型。
系统的数学模型可以是差分方程、微分方程、状态空间模型等形式，它描述了系统的动态特性和性能指标。
对于复杂系统，可以使用系统辨识等方法来获得模型。
模型的准确性将直接影响到控制系统的效果，因此在建立模型时需要充分考虑系统的实际情况，采集足够的实验数据，并确保所选用的模型具有一定的适用性。
其次，根据系统的模型和控制目标，选择合适的控制策略。
控制策略是指实现系统控制的方法和思路，常见的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制、自适应控制等。
每种控制策略都有其特点和适用范围，因此需要根据具体的控制需求选择合适的策略。
选择合适的控制策略不仅能够提高系统的控制性能，还可以减少系统的开发成本和实施难度。
然后，在确定了控制策略后，需要设计控制器。
控制器是实现控制策略的核心部分，它根据输入信号和系统反馈信号，计算出控制输出，从而驱动被控对象实现期望的控制目标。
常见的控制器设计方法包括经典控制理论、现代控制理论和智能控制等。
在控制器设计时，需要考虑系统的稳定性、快速性、精度等性能指标，并采用一定的调节方法进行参数整定，以获得最优的控制效果。
接下来，进行系统仿真验证。
通过系统仿真可以模拟系统的工作过程，评估控制系统的性能和稳定性，并对控制策略和控制器的设计进行优化。
系统仿真可以使用专业的仿真软件，如MATLAB/Simulink等，或者自行开发仿真平台。
在仿真过程中，可以考虑不同的工作情况和干扰条件，以验证系统的鲁棒性和适应性。
最后，进行实际的实施。
在进行实施前，需要对控制系统的硬件和软件进行选型和集成。
高中通用技术 4.4控制系统的干扰教案 地质版
第四节控制系统的干扰一、教学内容分析：本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节。
为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。
本节内容在《控制和设计》中起到举足轻重的作用，不仅可以使学生对闭环控制系统中的反馈（feedback）有很深的认识，而且也为闭环控制系统的设计与实施打好基础。
本节教材主要包含三部分内容：干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱法。
本节是本单元的重点，也是一个难点，分析干扰因素及反馈给控制系统带来的影响，综合了本单元前两节的知识。
从模块角度看，该节融合了该模块第二单元流程与设计，以及第三单元系统与设计的内容，控制过程本身的工作过程就是一个流程，闭环控制系统大致包括控制环节、执行环节、反馈环节和比较环；反馈也体现了系统的环境适应性，因此，本节是本模块的综合应用。
本单元是本课程知识的综合应用，综合了必修1、必修2的知识，讲了闭环自适应控制，体现了技术以人为本的理念。
二、教学对象分析：学生对控制机理比较陌生，整个教学都应以案例分析为主，所举案例应力求简单。
三、目标：1.知识与技能：（1）能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。
（2）熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。
（3）熟悉闭环控制系统的工作过程。
（4）了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用。
2.过程与方法：用方框图分析生活中常见控制系统，通过实践、游戏、讨论、分析、讲授法、问题教学法、小组讨论法、设计教学法等方法使学生懂得反馈在闭环控制系统中的作用，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用；结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素及克服方法。
3.情感态度价值观：通过学习，联系生活，能具体问题，具体分析，能在生活中应用反馈原理，调节自身的心理、学习与生活。
培养学生的观察能力，体验学习乐趣。
渗透安全教育、德育教育、环保等教育。
控制系统的设计与实施
时，水位差为零，进水阀关闭。
控制过程：
转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲
水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直
到指定水位时，进水阀关闭。
讨论:
在抽水马桶水箱自动控制系统 的设计案例中，如果要节约用水， 减少水箱每次冲水的量，你能设计 哪几种方案？
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变 化的，即
闭环控制在日常生活中应用
普通电饭煲的结构：普通电饭煲主要由发热盘、限温器、 保温开关、杠杆开关、限流电阻、指示灯、插座等组成。
1、发热盘：
这是电饭煲的主要发热元件。这是一个内嵌电发热管的铝 合金圆盘，内锅就放在它上面，取下内锅就可以看见。
2、限温器：
又叫磁钢。它的内部装有一个永久磁环和一个弹簧，可以 按动，位置在发热盘的中央。煮饭时，按下煮饭开关时，靠磁 钢的吸力带动杠杆开关使电源触点保持接通，当煮米饭时，锅 底的温度不断升高，永久磁环的吸力随温度的升高而减弱，当 内锅里的水被蒸发掉，锅底的温度达到103±2C时，磁环的吸 力小于其上的弹簧的弹力，限温器被弹簧顶下，带动杠杆开关， 切断电源。
冲水量＝水箱横截面积X设定高度
因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横截面积和设定高度人 手。具体方案可以有： ①将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀（图见教 材）。 ②在水箱中放人比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用。 ③控制出水阀开启的时间，使其在水未放完之前关闭出水阀。这相 当于改变设定高度。 ④在水箱中放置1-2块砖头，以减少水箱的实际蓄水量。 ⑤设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。
一般来说，宾馆供应的热水温度要比较高，使客人有 调节的余地，因此它必须保证热水高于一定的温度。其方 法是设计一个闭环温度控制系统，使供应的热水不低于某 一温度。控制系统的工作过程大致如下：测温装置测量储 水箱热水的温度，当水温低于某一给定温度时，控制装置 将输出一个信号去接通加热装置，使之给水箱加热；当温 度高于给定温度时，控制装置就会切断加热器电源，停止 加热。这一过程的方框图可以表示如下：
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抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
讨论 在上述案例中，如果要节 约用水，减少水箱每次冲水的 量，你能设计哪几种方案？ 水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和 水位设定高度而变化的，即：冲水量=水箱横截面积× 设定高度。 因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横 截面积和设定高度入手。具体方案可以有： （1）将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进 水阀。
世界100大发明之一，生活必备，每天都要使用
闭环控制系统的设计
不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也 不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求： 1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过 动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整 过程有可能使系统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋 势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是 不稳定系统。 2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输 出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。 3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会 产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。
2.请对太阳能热水器进行分析： （1）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？
家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有冷 水管和热水管，使用时，通常采用不断调节热水管与 冷水管的流量子定时器、自制的电子定 时器、CD唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速 齿轮箱，电动机调速器，直流电源等。
机械定时器
555定时器
CD唱机
思考： 陈剑同学提出的四种方案各有什么特点？你认为 哪种方案最容易实现？ 各方案的特点： 方案A： 在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高， 但升旗和唱国歌的启动需要人工同步，定时装置的 精度不高，容易产生不协调现象。
二，控制系统的设计实施案例
升旗简易控制装置的设计
控制系统的设计与实施案例
案例分析：自动升旗简易控制装置的设计
陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完《技术 与设计2》模块后，他决定利用所学知识设计一套 能实现自动升旗的简易控制装置的模型。 设计要求： 在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升 到旗杆的顶端。 选择适当的控制方案实现控制； 选用成本低，易于获取的元件、设备和材 料的模型。
（2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均 截面积的作用（减少水箱的实际蓄水量） （3）控制出水阀开启的时间，使其在水未放完之前关 闭出水阀。这相当于改变设定高度。 （4）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整 箱水冲洗。
38.8万元的金马桶 一套近似天价的１８Ｋ金 意大利宫廷洁具亮相北京， 并以当日两套订单的惊人业 绩为节后刚刚复苏的家居建 材市场注入了一针兴奋剂。
方案B:
此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精 度较高。
方案C： 可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的 知识，比较费时，课时难以保证。 方案D: 升旗和唱国歌同步启动，由于CD唱机比较普遍， 器材准备较其他方案容易。 因此，方案D实现比较容易。 其实，对升旗来说，可以采用人工控制。由升旗 手观察国旗位置和唱国歌的快慢，经判断后来调整升 旗速度以保证唱国歌结束时国旗到顶。
方案构思： 采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位 低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水 位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、 连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进 水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为 零，进水阀关闭。 水箱水位控制过程： 波动冲水旋钮，使出水阀打开，水 箱冲水。与此同时，进水阀打开， 水箱进水，知道指定水位时，进水 阀关闭。
控制系统调试、 运行和评价 系统的成本分 析
实施控制系统所需 的设备、元件等
分析主要的 干扰因素 。。。 。。。
一，控制系统设计的一般思路
1、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控 制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。 2、在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难 以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之 间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算 方式(暗箱方法)； 3、一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要 分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素； 4、被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于 简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控 制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又 明显作用的量； 5、执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控 制量的需求，二是要根据控制的条件进行。
案例分析：电吹风控制系统的设计
设计要求： 电吹风能根据不同的档位（如冷风档、热风 档）输出不同种类的风。 设计分析： 是电吹风装置， 被控对象： 被控量： 是电机的电压， 控制量： 是风的速度和温度， 干扰因素：是房间温度、电源电压的波动等。
电吹风的控制工作过程： 电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个 小电风扇扩散出去。 方案构思： 选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。 设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝 的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动， 产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设 定的风种相对应的风。 确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出 必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件， 进行组装、调试。
设计分析： 采用开环控制系统，被控对象是国旗，被 控量是上升的速度，控制量是电动机的转 动与停止（或速度）。 这一开环控制系统由计时装置和控制升旗 的装置共同完成。 计时装置和控制升旗装置的实现可以有多 种方案。例如，采用机械定时器和电动机 实现；采用成品电子定时器和电动机实现， 采用自制电子定时器和带有可调速电路的 电动机实现；采用音频信号、触发电路和 电动机实现。 采用任何一种方案实现控制，都要经过若 干次调试，直到符合设计要求为止。
一，控制系统设计的一般思路
1、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控 制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。
开环控制系统的设计
开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计 要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可 考虑具体控制系统的方案。 例：普通电风扇控制系统的设计 被控对象—— 电风扇 被控量—— 电风扇输出的风速 控制量—— 电机的转速
第四节 控制系统的设计与实施
一，控制系统设计的一般思路
系统要达到的目标？ 控制的对象？ 被控对象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干扰因素？ 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？ 如何选择设备和元件？
分析被控对象 的主要特征
控制系统的 方案选择
明确控制的目的
确定被控量、 控制量
控制系统 的设计
练习：
1.设计并制作水车控制装置的模型。利用 流动的水冲击水车，以控制不同的机械装 置而产生动作
综合实践 画出“自行车——发电—— 电视机”这一过程的方框图，分 析其中的技术和原理。 脚踏运动
自行车轮
摩擦轮
传动机构
发电机
电视机
蓄能稳压装置
该套装置中，综合运动了机械能转化为电能及稳 压等技术原理，运用了蓄能、系统、稳压和控制等多 种技术。
案例分析
抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计要求： 当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。 当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。 控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。
设计分析： 从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭 环控制系统。 被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水 箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水 量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系 主要干扰因素是水箱的出水流量。