自动控制系统分析
自动控制系统案例分析
北京联合大学实验报告课程（项目）名称：过程控制学院：自动化学院专业：自动化班级：0910030201 学号：2009100302119 姓名：张松成绩：2012年11月14日实验一交通灯控制一、实验目的熟练使用基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，掌握交通灯控制的多种编程方法，掌握顺序控制设计技巧。
二、实验说明信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，按以下规律显示：按先南北红灯亮，东西绿灯亮的顺序。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持25秒，南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮……如此循环，周而复始。
如图1、图2所示。
图 1图 2三、实验步骤1．输入输出接线输入SD 输出R Y G 输出R Y G I0.4 东西Q0.1 Q0.3 Q0.2 南北Q0.0 Q0.5 Q0.42.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。
3.启动并运行程序观察实验现象。
四、参考程序方法1：顺序功能图法设计思路：采用中间继电器的方法设计程序。
这个设计是典型的起保停电路。
方法2：移位寄存器指令实现顺序控制移位寄存器位（SHRB）指令将DATA数值移入移位寄存器。
S_BIT指定移位寄存器的最低位。
N指定移位寄存器的长度和移位方向（移位加=N，移位减=-N）。
SHRB指令移出的每个位被放置在溢出内存位（SM1.1）中。
该指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。
方法3：利用定时器实现思路：利用多个定时器逻辑组合实现控制时序。
五、思考题1．实验中遇到的问题？如何解决的？2．对单一顺序控制—交通灯控制的几种实现方法技巧进行总结。
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析电气自动控制系统分析是指对电气系统中的自动控制装置进行分析和研究，以了解其原理和性能，并进行系统优化和故障诊断。
电气自动控制系统广泛应用于工业生产和日常生活中的各个领域，如电力系统、制造业、交通运输等。
电气自动控制系统分析的第一步是对控制系统进行建模。
建模是指将实际的物理系统转换为一个数学模型，通过该模型可以描述系统的特性和行为。
常见的电气自动控制系统模型有传递函数模型、状态空间模型等。
建模的过程需要考虑系统的输入、输出、状态以及系统的动态特性等因素。
在对电气自动控制系统进行分析时，常用的方法有频域分析和时域分析。
频域分析是通过对信号的频谱进行分析，得到系统的频率响应曲线，进而了解系统的稳定性和频率特性。
常用的频域分析方法有傅里叶变换和拉普拉斯变换等。
时域分析是通过对系统的时间响应进行观察和分析，了解系统的动态特性和响应速度。
常用的时域分析方法有单位阶跃响应和单位冲激响应等。
电气自动控制系统分析的另一个重要内容是系统优化。
系统优化是指通过调整系统的参数和结构，使系统的性能达到最优。
常见的系统优化方法有比例积分微分控制器的调参、系统的结构优化等。
电气自动控制系统分析还包括故障诊断。
故障诊断是指利用分析方法来检测和诊断系统中的故障，在故障发生时能够及时采取措施修复系统。
常见的故障诊断方法有观测法、模型基础诊断法等。
电气自动控制系统分析是对电气自动控制系统进行建模、分析和优化的过程，通过该过程可以了解系统的特性和行为，并发现问题和解决故障，从而提高系统的性能和可靠性。
自动化控制系统的安全性分析与改进研究
自动化控制系统的安全性分析与改进研究自动化控制系统在各个行业中扮演着重要的角色，它们被广泛应用于工业生产、交通运输、能源供应等方方面面。
然而，随着科技的不断进步和网络的普及，自动化控制系统也面临着越来越多的安全威胁。
本文将对自动化控制系统的安全性进行分析，并提出一些建议来改进其安全性。
一、自动化控制系统的安全性分析1. 安全性威胁的类型自动化控制系统面临多种安全威胁，包括但不限于网络攻击、恶意软件、物理入侵等。
网络攻击可以导致系统被黑客入侵、数据泄露或网络服务被瘫痪。
恶意软件可以在系统内部引入病毒或恶意代码，造成系统运行异常甚至崩溃。
物理入侵可能导致系统硬件被损坏或操作人员受到伤害。
2. 安全漏洞的存在自动化控制系统中存在许多安全漏洞，例如弱口令、未及时更新的软件、缺乏紧急漏洞修复等。
这些漏洞为攻击者提供了可乘之机，可能导致系统的被入侵和数据的被窃取。
3. 人为因素的影响自动化控制系统的安全性还受制于人为因素的影响。
例如，操作人员的疏忽、训练不足或错误操作可能导致系统故障或安全漏洞的暴露。
此外，对系统安全的意识不足也是一个重要问题。
二、自动化控制系统安全性的改进研究1. 强化物理安全措施为了防止物理入侵，可以采取以下措施：建立安全区域，采用安全门禁系统，安装监控摄像头等。
此外，加强对操作人员的身份验证和访问控制，确保只有经过授权的人员才能操作系统。
2. 加强网络安全防护提升网络安全能力是保护自动化控制系统的关键。
可以采取以下措施：实施防火墙策略，限制对系统的外部访问；加密网络传输，保护数据的机密性；定期进行漏洞扫描和安全评估，及时修复发现的漏洞。
3. 完善安全策略和流程建立完善的安全策略和流程对于提升自动化控制系统的安全性至关重要。
包括但不限于：制定密码策略，要求密码复杂度和定期更改；定期备份数据，防止数据丢失；建立安全培训计划，提高操作人员的安全意识。
4. 使用安全软件和硬件设备选择和使用经过安全认证的软件和硬件设备可有效提升系统的安全性。
分析自动控制系统性能的常用方法
由过渡过程分析中的三要素法可知，电路对 时间响应常常分为两个部分：暂态响应和稳 态响应。线性电路的时间响应 c (t ) 通常可以 写成：
c(t ) ct (t ) css (t )
ct (t ) 为暂态响应，css (t ) 为稳态响应 其中：
当输入激励是为正弦周期信号时：
其输出响应为： c(t ) MAm e t MAm sin( t )
M ( ) 为该一阶RC电路的幅频特性，它是指输出正 则： 弦响应信号的最大值与输入正弦激励信号最大值之间 的比值；称 ( )为该一阶电路的相频特性，它是指 输出正弦信号的初相位与输入正弦信号初相位之差 （相位差）。
( ) c ( ) i ( ) arctan(T )
Ac 0.193 M ( ) 50 0.193 Ar 1
( ) 50 c r 78.9 0 78.9
当我们选择足够多的频率点后，通过幅值与频率，相 位与频率之间一一对应的关系，我们最后可以绘制出 如图所示的幅频率特性曲线与相频率特性曲线。并由 此曲线来分析该电路的性质
输出稳态响应的幅值 输出稳态响应的初相位
现在我们以同样的办法将输入激励信号R（jω）也写 成相量的形式，则有：
R( j ) R( j ) R( j ) Ar r
正弦激励的幅值
正弦激励的初相位
这样该线性系统的传递函数就变成了：
C ( j ) C ( j ) C ( j ) G ( j ) R( j ) R( j ) R( j ) C ( j ) C ( j ) R( j ) R( j ) Ac c r M Ar
第4章 分析自动控制系统性能的常 用方法
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析自动控制系统是一个利用电气技术控制和管理机械、化工、原子能等各种工业生产设备和生产过程的技术系统。
为了控制各种工业控制过程和监测系统状态，电气自动控制系统中包含了大量的电子元器件和各种传感器。
这些元器件和传感器能够感知、计算、控制和反馈各种生产工艺参数，在实现自动化控制的同时，也实现了智能化、高效化和高精度的监测和控制。
电气自动控制系统中常见的元器件有：微处理器、单片机、电磁继电器、电子计时器等。
它们的工作原理是通过通电后的控制信号，通过各种开关控制装置、执行机构的动作来实现控制。
传感器则是电气自动控制系统的重要组成部分之一，包括温度传感器、流量传感器、压力传感器等。
传感器的作用是将各种生产过程中的参数转化为电信号，然后输出到控制器，实现控制过程。
电气自动控制系统主要包括以下几个方面的内容：1.控制器：控制器是电气自动控制系统的核心，包括中央处理器和各个控制单元。
控制器负责集成各种传感器所反馈的数据，并进行处理，然后根据设定的控制策略来输出控制信号，实现控制过程。
控制器的性能需要考虑到其处理速度、存储容量、接口能力等因素。
2.执行机构：执行机构是根据控制器的控制信号来实现各种动作操作，例如电机、液压、气动或机械机构。
在设计执行机构时需要考虑到其性能、精度、稳定性等因素。
3.通讯系统：通讯系统是电气自动控制系统中的重要组成部分，主要用来实现各个子系统之间的信息交流和控制处理。
通讯系统可以是本地通讯，也可以是远程通讯。
在设计通讯系统时需要考虑到通信方式、通信协议、数据传输速度等因素。
4.软件：软件是电气自动控制系统的另一个重要组成部分，主要负责控制器的程序编写、控制算法设计和参数设定等。
软件设计需要考虑到程序语言、算法设计、可靠性等因素。
总之，电气自动控制系统的发展已经成为了各个工业领域发展的重点之一。
通过对这些系统的研究和开发，可以实现工业生产的自动化、高效化和高精度化，为现代工业的发展提供了强有力的支撑。
第四章分析自动控制系统性能常用的方法
第四章 分析自动控制系统性能常用的方法（10 学时）目的、教学要求：在经典控制理论中常用的分析方法有时域分析法(由时域响应及传递函 数出发去进行分析)、根轨迹分析法和频率特性分析法。
本章主要介绍其中的两种分析方法， 即：时域分析法和频域分析法。
因此在本章中主要掌握：² 时域分析法的基本概念及分析方法² 频域分析法的基本概念及分析方法重点、难点：本章的重点是： 频率特性的基本概念， 开环对数频率特性的绘制及幅值穿越频率的求取， 控制系统的对数稳定性判据，系统频域性能分析及与时域性能指标之间的关系。
本章的难点是：自动控制系统开环对数频率特性的绘制及幅值穿越频率的求取、控制系 统的频域性能分析及与时域性能指标之间的关系。
主要内容：² 频率特性的基本概念² 频率特性的图形表示法² 典型环节的 Bode 图² 自动控制系统的开环对数频率特性² 习题² 实验教学方式：该部分内容较难理解，应采用 PPT+《自动控制原理频域分析工具箱》教学软件 的多媒体教学方式；习题课采用课堂教学， 但至少应用一次课堂练习用来让学生学习绘制伯 德图。
教学设计：① 通过多媒体教学演示软件《自动控制原理频域分析工具箱》生动说明频率响应的概 念，引导学生对实验演示结果进行分析，从而引出占有率特性的基本概念。
② 通过一个案例（一阶 RC 电路）及多媒体教学演示软件来讲解：输出信号的幅值与相 位与频率之间的关系及频率特性与系统结构参数之间的关系（简要介绍，用 PPT+媒体教学 演示软件来讲）。
③ 采用课堂练习的方法，引导学生按步骤进行伯德图的绘制，学习绘制前要求学生准 备好二张以上的三级半对数坐标纸（从校园网上下载）。
教学内容：一、频率特性的基本概念1. 频率响应与频率特性频率响应的概念：线性定常系统对正弦输入信号的稳态响应称为频率响应。
线性系统的 频域分析的出发点仍然是它的传递函数。
电气自动控制系统分析
电气自动控制系统分析电气自动控制系统分析是指对电气领域中的自动控制系统进行深入的研究和分析，以实现对该系统的优化和改进。
本文将对电气自动控制系统分析的步骤、方法和应用进行详细的介绍。
电气自动控制系统是指利用电气的原理和技术对系统实现自动化控制的一种系统。
它由传感器、执行器、控制器和连接线组成，传感器负责采集系统的状态信息，执行器根据控制器的指令对系统进行控制，控制器根据传感器的反馈信息决策执行器的动作，连接线起到传递信息的作用。
电气自动控制系统广泛应用于工业、交通、生活等各个领域。
电气自动控制系统分析的第一步是对系统进行建模和仿真。
建模是指将系统抽象为数学模型，将系统的结构和功能用符号、数学公式等形式表达出来。
仿真是指利用计算机软件模拟系统的运行过程，并观察系统在不同情况下的响应和性能。
通过建模和仿真，可以更好地了解系统的特性和行为。
电气自动控制系统分析的第二步是对系统进行性能评估。
性能评估是指对系统在不同工作条件下的稳定性、鲁棒性、动态响应等进行评估。
通过性能评估，可以知道系统在面对各种工况时的表现，从而可以找出系统存在的问题并加以改进。
电气自动控制系统分析的第三步是对系统进行优化设计。
优化设计是指根据系统的需求和限制条件，利用优化算法和方法对系统的参数和结构进行优化。
通过优化设计，可以使系统在满足规定要求的达到最佳的控制效果和性能。
电气自动控制系统分析的应用包括但不限于以下几个方面：1. 工业自动化控制系统分析。
工业自动化控制系统在生产过程中起到至关重要的作用，通过对系统进行分析，可以优化和改进控制策略，提高生产效率和质量。
2. 交通自动控制系统分析。
交通自动控制系统包括交通信号控制系统、智能交通系统等，通过对系统进行分析，可以优化信号配时、交通流控制等，提高交通效率和顺畅度。
电气自动控制系统分析是电气领域中重要的研究方向，通过对系统进行建模、仿真、性能评估和优化设计，能够更好地了解系统特性和性能，并优化和改进系统的控制策略，提高系统的效率和性能。
自动控制系统的稳定性分析
自动控制系统的稳定性分析自动控制系统在现代工程中起着至关重要的作用。
稳定性是评价自动控制系统性能的一个重要指标，系统稳定性的分析对于系统设计、调试和优化至关重要。
本文将对自动控制系统的稳定性进行分析，并探讨常用的稳定性分析方法。
1. 引言自动控制系统的稳定性是指在外部扰动或参数变化的情况下，系统能够保持稳定的能力。
稳定性分析是评价系统的关键特性之一，它决定了系统的可靠性和性能。
稳定性分析的目的是通过研究系统的传递函数或状态方程，确定系统的稳定性边界并评估系统的稳定性。
2. 稳定性的判据用于判断自动控制系统稳定性的最常见方法是分析系统的极点位置。
极点是系统传递函数或状态方程的特征根，它们的位置决定了系统的稳定性。
常见的判据有：- 实部均小于零：当系统的所有极点的实部都小于零时，系统是稳定的。
- 实部均小于等于零：当系统的所有极点的实部都小于等于零时，系统是边界稳定的。
- 实部均小于一：当系统的所有极点的实部都小于一时，系统是渐进稳定的。
- Nyquist稳定判据：通过绘制系统开环传递函数的Nyquist曲线，判断曲线与负实轴的交点个数来确定系统的稳定性。
3. 稳定性分析方法3.1 根轨迹法根轨迹法是一种图形化分析方法，通过绘制系统极点随参数变化的轨迹，可以直观地了解系统的稳定性边界。
根轨迹图能够反映了系统参数变化时的稳定性情况，并通过分析轨迹与虚轴的交点个数来判断系统的稳定性。
3.2 频率响应法频率响应法是一种以频域为基础的稳定性分析方法，它通过研究系统在不同频率下的响应特性来判断系统的稳定性。
常用的频率响应法包括振荡器法、相频曲线法和伯德图等。
这些方法通过测量输入输出之间的幅度和相位差来评估系统的稳定性。
3.3 状态空间法状态空间法是一种基于系统的状态方程进行稳定性分析的方法。
通过将系统的状态方程转化为特征方程，可以分析特征根的位置来判断系统的稳定性。
状态空间法具有较强的灵活性，可以应用于复杂的多变量系统。
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交流电机控制
➢ 旋转磁场
➢ 方向控制
➢ 改变任意两相顺序
➢ 速度控制
➢ 转差率s ➢ 极对数p
n 60f1 (1s) p
➢ 频率f1
➢基频以下，电压频率比不变
➢基频以上，电压不变，磁通下降
➢ 转矩控制(定子相电压)
➢ 变频调速
U14.44 f1N1
交流变频控制
➢ 变频技术分类 ✓ 交－直－交变频 ✓ 交－交变频
伺服电机
➢将输入的电压信号（控制电压）转变为转轴
的角位移或角速度输出
是低速转矩
➢ 电动机的控制目标
➢ 速度：各种电机都能够满足 ➢ 转矩：直流电机、伺服电机 ➢ 位置：步进电机、伺服电机
直流电机控制
➢ 速度控制
➢ 励磁控制法(改变励磁电流) n Ua IaRa
➢ 改变电枢电压(PWM调速)
CE
➢ 改变电枢电阻
➢ 转矩控制
➢ 改变电枢电流
TCTIa
➢ 特点
➢ 速度与转矩分开控制，没有耦合，容易实现
步）
➢脉冲数增加，位移增加；脉冲频率提高，速度提高；分
配脉冲的相序改变，方向改变
➢ 特点
➢ 控制特性好：速度取决于脉冲频率，位移取决于
脉冲数量
➢ 误差不累计，步距角不受干扰影响，具有良好的
跟随性：一个脉冲一个角度
➢ 动态响应快，易于启动、停止，正反转，调速 ➢ 精度比较差，存在失步和震荡现象
步进电机原理
➢ 变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障 或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过 50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器
选件才能用途
➢ 用于交流异步电动机，实现伺服控制 ➢ 通过编程，可以对电动机的位置、转速、加速度和转矩实
➢ 负载类型：恒转矩、恒功率、风机类
➢ 变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在 高的效率值下运转。变频器的功率分级与电动机功率分级不 相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，略大 于电动机的功率。当电动机属频繁起动、制动工作或处于重 载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变 频器长期、安全地运行。
➢转子4个齿，齿距角90度（步距角30度＝齿距角/相数）
步进电机通电方式与步距角
➢通电方式
➢单相轮流通电(三相三拍)：U—V—W — U ➢双相轮流通电(三相双三拍)：UV—VW—
WU—UV
➢单双相轮流通电(三相六拍)： U—UV—V—
VW—W—WU—U
➢步距角（定子通电一次，转子转过角度）
➢三相三拍、三相双三拍：120/转子齿数（如
➢ 控制方式
✓ V/f 控制：压频比控制
✓开环、精度低
✓ 矢量控制：模拟直流电机解耦控制
✓速度闭环，一般采用编码器测速
✓ 直接转矩控制
✓高精度转矩控制
主要变频器厂家
➢ 国外
✓ 安川 Varispeed G5/G7 ✓ 西门子 SIMOVERT MASTERDRIVERS ✓ 富士 G11S、P11S ✓ ABB ACS-550 ✓ 三菱 FR E500 ✓ 东芝 ✓ 日立 ✓ 爱默生 TD3000
转磁场
➢转子（励磁绕组）：通入直流电，产生磁场 ➢定子磁场与转子磁场异性相吸，使得转子与定
子磁场同步旋转
➢调速方式
➢极对数 ➢三相交流电频率
步进电机控制
➢ 步进电机（脉冲电机，输入为脉冲电压，不是
交流/直流电源）
➢ 将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行机构。 ➢ 对电机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度（一
➢脉冲＋方向；A/B相脉冲
➢ 具有电子齿轮功能
IMS伺服控制器主回路连接
IMS伺服控制器控制回路连接
IMS伺服控制器编程
➢ 在PC上用编辑器编写IMS语言代码 ➢ 用专用的编译工具转换成IMS中间代码 ➢ 人工或通过RS232将中间代码传到控制器
交流同步电机
➢工作原理
➢定子（电枢绕组）：通入三相交流电，产生旋
➢ 国内
✓ 森兰 ✓ 华为
三菱FR E500变频器
➢ 动力线
✓ L1、L2、L3 ✓ U、V、W
➢ 输入
✓ 正反转控制
❖STF、STR
✓ 速度控制（频率控制）
❖RH、RM、RL ❖模拟输入
✓ 输出 ✓ 报警输出 ✓ 频率检测 ✓ 模拟量输出
➢ 通信
✓ RS485
西门子MM440变频器
变频器选型
计算机自动控制系统
➢ 自动控制系统组成与电机控制 ➢ 低压控制电器与选择 ➢ 控制电气图
自动控制系统组成
➢ 动力执行部件
➢ 电动机
➢运动电机：直流电机、交流异步电机、交流同步电机 ➢控制电机：步进电机、伺服电机
➢ 液压与气压
➢ 控制与保护回路
➢ 低压控制电器（空气开关、接触器、继电器、
熔断器等）
➢ 控制逻辑与计算机
行高性能的灵活控制
➢ 特点
➢ 采用位置控制方式，可以实现精确定位（1个脉冲） ➢ 具有零伺服锁定功能 ➢ 采用专用的QMCL语言进行编程控制，简单 ➢ 具有通信功能，可以由PC、PLC、单片机等上位机进行
控制和监测
➢ 丰富的输入输出口
➢16个数字输入、13个数字输出，2个模拟量输入、2个模拟量输出 ➢RS232、RS422/485通信接口（可由上位机控制15个控制器） ➢单/双PG输入（双轴联动同步），脉冲输出
➢ U相通电：转子齿1、3吸引到定子U极
➢V1/V2定子齿与转子齿2、4错开30度
➢ V相通电：转子顺时针转30度，与V相定子对齐
➢W1/W2定子齿与转子齿1、3错开30度
➢ W相通电：转子顺时针转30度，与W相定子对齐
➢U1/U2定子齿与转子2、4错开30度
➢ U/V/W轮流通电，磁场转一周，转子转一个齿距
转子齿数为40，则齿距角为3度）
➢三相六拍：60/转子齿数（如转子齿数为40，
则齿距角为1.5度）
步进电机控制系统
➢控制系统组成
➢控制器：产生指定频率的电脉冲信号 ➢环形分配器：将电脉冲信号按一定顺序加到电
机的各相绕组
➢功率放大器：使电机能够输出足够的功率 ➢步进电机：执行机构
➢控制内容
➢位置控制、速度控制、方向控制
➢ PLC、专用计算机（如DTC）、工控PC
电动机的选择与控制
➢ 电动机选择
➢ 满足机械运动的转矩和速度要求
➢根据负载计算转矩；由转矩和转速计算电机的功率；
校核电机发热。
➢ 没有运动位置要求时，一般选择交流异步或同
步电机（早期选择直流电机）；需要位置控制 时，选择步进或伺服电机
➢ 需要考虑电机在不同转速下的转矩特性，特别