自动控制系统示例
自动控制系统例子
自动控制系统例子
【篇一：自动控制系统例子】
问题太简单了
生活中看到最多的是：
1、电视机的遥控系统，它采用红外线脉冲和数字编码技术
2、洗衣机的自动控制系统，有一种是采用定时控制技术（最简单）
3、空调自动控制系统，他利用温度传感器实行压缩机是否运行
4、电饭煲控制系统，它采用水蒸发以后。
温度超过100以上，然后用温度控制器实行电路的开关
5、汽车的自动换档控制系统，利用汽车的速度传感器，检测速度，然后利用电磁控制系统实行自动换档
6、水塔的自动打水系统，利用水位传感器，检查水位是否过低和过高，过低供水过高停止
7、电瓶车、手机、笔记本等等的自动充电系统
8、宾馆商场的自动门等等，可谓数不胜数
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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。
《自动控制原理》经典例题分析
例2.1 图为机械位移系统。
试列写质量m 在外力F 作用下位移y(t)的运动方程。
解: 阻尼器的阻尼力: 弹簧弹性力:整理得:例2.2 如图RLC 电路，试列写以u r (t)为输入量，u c (t)为输出量的网络微分方程。
解:例2.3 已知R 1=1,C 1=1F,u c (0)=0.1v, u r (t)=1(t),求 u c (t) 解：零初始条件下取拉氏变换：例2.4 如图RLC 电路，试列写网络传递函数 U c (s)/U r (s). 参见)()()()(22t u t u dt t du RC dt t u d LC r c c c =++解:1) 零初始条件下取拉氏变换：)()()()(2s U s U s RCsU s U LCs rc c c =++传递函数：11)()()(2++==RCs LCs s U s U s G r c)()()(11s U s U s sU C R r c c =+11)()(11+=s C R s U s U r c dtt dy ft F )()(1=)()(2t ky t F =)()()()(2122t F t F t F dtt y d m --=)()()()(22t F t ky dt t dy f dt t y d m =++2)))()()()(t u t Ri t u dtt di L r c =++⎰=dt t i c t u c )(1)()()()()(22t u t u dt t du RC dt t u d LC r c c c =++rc c u u dt du C R =+11)()()0()(1111s U s U u C R s sU C R r c c c =+-)()(1.0)(s U s U s sU r c c =+-11.0)1(1)(+++=s s s s U c tt c e e t u --+-=1.01)()t )t )s例2.5 已知R 1=1,C 1=1F ，1）求零状态条件下阶跃响应u c (t)；2) u c (0)=0.1v, u r (t)=1(t), 求 u c (t)；3）求脉冲响应g(t)。
自动控制系统示例
程讨论的主要系统；非线性定常系统； 线性离散
定常系统； 线性时变系统等等。(习题1-10)
(1) c 5 r2 t r； (2) c 3c 6c 8c r ；
非线性时变 线性定常
(3) t c c r 3r ；
线性时变
(4) c cos t r 5；
(5) c 3r 6r 5 t r( )d ；
(6) c r 2 ；
线性时变 线性定常 非线性定常
(7)
c 0r
t t
6 6
；
c 1(t 6) r ；
线性时变
依据控制目标分类：
恒值控制系统，系统的参考输入信号是恒值， 控制目标是保持系统输出不变。
粮食烘干塔微机监控系统；等等。(P16，习题)
1-4 对自动控制系统的基本要求 基本要求： ⑴ 稳定性；⑵ 快速性；⑶ 准确性 。
p c(t)
u(t)
0
tp
t
理想系统的响应
典型输入信号：
⑴ 单位阶跃函数(信号)：图1-15，
r(t)
1(t)
10
t t
0 0
；
R(s) 1 ； s
连续的信号）。
依据系统的线性性质分类： 线性系统，系统的动态特性可用线性微分或差 分方程描述； 非线性系统，不能用线性方程描述的系统。
依据系统参数特征分类： 定常系统，也称为时不变系统，系统的参数都 是常数； 时变系统，系统中有的参数是时间函数。
以系统性质命名
例如，线性连续定常系统，这类系统是本课
随动控制系统，系统的参考输入信号是已知或 未知的时间信号，控制目标是保证系统 输出及时准确地跟随参考输入变化。
自动控制原理自动控制理论发展历史
第一阶段: 经典(自动)控制理论
经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。主要 研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。它 的发展大致经历了以下几个过程：
一 萌芽阶段
如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就 有了自动控制技术的萌芽。
1
1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。
13
第二阶段 现代控制理论
科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也 给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和 数字计算机。
现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理 论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理 论发展提供了应用的平台。
在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展， 推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多 输出系统、非线性系统和时变系统。
主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度 复杂系统的分析和设计问题。
14
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析 法；在1957年提出了动态规划。
1.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。
瓦特
5
1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器
6
三 发展阶段
1. 1868年马克斯韦尔 （J.C.Maxwell）解决了蒸汽 机调速系统中出现的剧烈振 荡的不稳定问题，提出了简 单的稳定性代数判据。
马克斯韦尔（J.C.Maxwell）
7
2. 1895年劳斯（Routh）与赫 尔维茨（Hurwitz）把马克
自动控制系统案例分析资料
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：自动化班姓级：名：0910030201张松学成号：2009100302119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Q0.1Q0.3Q0.2南北Q0.0Q0.5Q0.42.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。
自动控制原理--自动控制系统示例
例1-1 烘烤炉温度控制系统
＋ ur uT
热电偶
放大器
T
－
Δu
放大器
ua
工件
煤气
电动机
θ
控制阀
受控对象？被控量？给定装置？ 干扰？ 测量元件？执行机构？
混 合 器
空气
系统的工作原理：
受控对象——烘烤炉；被控量——炉温；给定装置——电位 器；干扰——加热工件、煤气压力波动、环境温度 、电源电 压等 ； 测量元件——热电偶；执行机构——可逆电动机
1.4 自动控制系统示例
函数纪录仪
控制方框图
输入：待记录电压 被控对象：记录笔 被控量：位移 控制任务：控制记录笔位移，在记录纸上描绘 待记录的曲线
飞机-自动驾驶仪系统稳定俯 仰角的原理示意图
给定电位器
反馈电位器
飞机方块图 扰动
给 θ0 定
装 置
放 大
舵 机
器
反馈电 位器
飞 θc 机
垂直 陀螺仪
输入：俯仰角；任务：在任何扰动作用下，始终保持飞机以给定 俯仰角飞行
热力系统的人工反馈控制
希望温度 脑
肌肉、手
阀门
实际温度 水
眼睛
对应的人工控制方框图
热力系统的自动反馈控制
希望温度
控制器
放大元件
气动阀门
气动阀门
控制器 （比较、放大）
注入
Q1
浮子
H
Q2
工件增多（负载增大） T uT u ua T
工件减少（负载减小） T uT u ua T
工件 环境温度
ur
Δu
给定值 －
uT
放大器 ua 电动机 θ
··· 烘炉
反馈控制原理
定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系 统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的 偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定 关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。
反馈控制原理
自动控制系统示例
图1-1 热力系统的人工反馈控制
图1-2 热力系统的自动反馈控制
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1 所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机 是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送 器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测发电机 电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差 值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器）， 控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。
＋U
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测 ＋速
发 电 机
图1-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化， 称为扰动。电动机被称为被控对象，转速 称为被控量，当电动机受到扰动后，转速 （被控量）发生变化，经测量元件（测速 发电机）将转速信号（又称为反馈信号） 反馈到控制器（功率放大器），使控制器 的输出（称为控制量）发生相应的变化， 从而可以自动地保持转速不变或使偏差保 持在允许的范围内。
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自动控制系统示例
计算机硬盘锤渭数据系统
硬盘是计算机中的主要存储设备之一，主要由盘片、磁头及其驱动机构、主轴电路板以及接口等几部分组成，图1．13是其简化示意图。
所有盘片装在盘片主轴上盘片之间平行，由主轴电机带动盘片高速旋转。
每张盘片的存储面上有一个磁头，高精度的磁头驱动机构驱动磁头在高速旋转的磁盘表面上沿盘片径向移动。
读／写磁头、传动手臂和传动轴三部分构成磁头组件，而磁头驱动机构则由磁头驱动电机(也称为音圈电机)、磁头驱动小车、防振动装置构成，它能够对磁头进行精确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位在系统指令指定的数据磁道，由磁头进行读／写数据的操作。
计算机硬盘既可以读取存储在其中的数据，也可以将数据存储在其中。
下面以读数据为例介绍硬盘读／写系统的工作过程。
硬盘驱动器加电正常工作以
后，主轴电机启动并带动盘片高速旋转，磁头驱动机构设过钽电容转动手臂将浮动磁头置于盘片表面的oo道，处于等待指令的启动状态。
接收到系统传来的指令信号后，经过放大，磁头驱动电机通过转动手臂来控制磁头对盘片数据信息进行正确定位，并通过探测磁颗粒极性的变化来谈取数据，然后将数据放大并传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作，该系统通过读取一条预先记录的索引磁道的误差获得误差信号。
图1．14是硬盘读取数据的方块图，图中的传感器指盘片中的话磁头及索引磁道。
水加热自动控制系统
图为水加热自动控制系统(即热水电加热器)示意图。
显见，系统由控温开关、电加热器、温度测量装置、水箱及保温层等组成。
控制目的是维持水箱内水温在给定的温度上。
该系统的工作原理分析如下：电加热器的通断电由控温开关控制，以保持期
望的水温。
温度测量装置将热TAJD477K004RNJ能转化为电能，给定温度为一电信号。
需要热水时，打开阀门，水箱中流出热水并补充冷水。
若水箱中的水温低于给定水温，温度测量装置(即反馈元件)将实际水温测量出来，回送到输入端，与给定温度相比较，产生一个伯差信号。
在这个偏差信号的作用下，控温开关控制电加热器工作，使实际
水温趋于，直至等于给定温度。
在水加热自动控制系统中，被控对象为水箱，输
入量为给定水温，输出量(被控量)为水箱实际水温，主要扰动为放出热水并注入冷水
而产生的降温作用，次要扰动为环境温度的变化，保温层、温度测量装置及电加热器
等元件结构参数的变化等。
由此，可绘制系统的方块团如图1．16所示。
防空导弹制导系统
防空导弹是一种由地面(或舰船)发射，拦截敌方来袭的空中目标(如飞机或巡航导弹的
武器，制导控制系统是其重要的组成部分之一，它的功用是：引导和控制导弹有效拦
截并摧毁目标。
图1．17所470uF 4V D示为防空导弹指令制导系统示意图。
该系统的工作过程是：目标跟踪雷达和导弹跟踪雷达不断探测并跟踪目标和导弹，并将测得的目标和导弹的运动参数送至制导计算机，制导计算机根据目标运动参数和
导弹运动参数及选定的导引规律计算井产生编码控制指令，该指令由指令发送设备发
送至导弹上；导弹上的指令接收机接收并将其转换成控制导弹运动的控制指令，自动
驾驶仪根据这一控制指令控制导弹飞向目标，最终摧毁目标。
实际上，上述导弹
制导过程就是按偏差控制的过程。
即：导弹在飞向目标酌过程中，制导系统不断地测
量导弹的实际运动与理想运动之间的倔差，根据此偏差的大小和方向形成控制指令，
在此指令的作用下，通过控制系统(即自动驾驶仪)控制导弹改变运动姿态，消除偏差。
因
1．18是该系统的方块图。
对自动控制系统的要求
自动控制系统的基本任务就是应用控制装置去控制被控对象，使其被控量按照要求变化。
为了提高控制质量，必须对控制系统在控制过程中所表现出的性能提出要求。
通常，对自动控制系统的基本要求可归结为稳定性、快速性和准确性，简称稳、准、快。
稳定性
稳定性是对控制系统最基本的要求，是保证控制系统正常工作的必要条件，不稳定的
控制系统不能实现预定的控制任务。
稳定性是指系统在平衡状态下受到扰动作用后，
系统恢复原有平衡状态的能力。
稳定性通常由系统的结构和参数决定，与外界因素无关。
对于恒值系统，稳定性贴片钽电容要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整
能够回到原来的期望值。
对于随动系统，稳定性要求过渡过程结束后，被控制量始终
跟随输人量的变化。
此外，稳定系统的过渡过程收敛，而不稳定系统的过渡过程是发
散的。
快速性是指控制系统对输入信号响应的快慢，即过渡过程持续的时间长短。
统对输入信号响应的形式，即过渡过程的形式对快速性影响甚大。
一般将过渡妇性和
振荡性能通称为控制系统的动态性能，且都有具体要求。
稳定性和快速性反映对
控制系统过渡过程的要求。
准确性
推确性是对控制系统的控制精度提出的要求，用稳态误差来衡量，也称为稳态性能。
稳定的控制系统在过渡过程结束后所处的状态称为稳态，稳态误差是指稳态时系统输
出量的期望值与实际值之差。
显然，稳态误差越小，表示系统输出旦跟随输入量的精
度超高，故设计时希望稳态误差要小。
例如，在电动机闭环调速系统中，希望因负载
扰动引起的稳态转速的变化要尽量小；在随动系统中，希望输出信号与输入信号尽量
一致，即同步
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自动控制理论主要研究的问题
自动控制理论主要研究如下两方面的问题。
1．分析
在控制系统的结构和参数已经确定的条件下，对控制系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。
即，对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的稳定性、动态性能和稳态精度进行定性分析和定量计算。
2．综合根据控制系统要实现的任务，给出稳态和动态性能指标，系统满足给定的性能指标。
即，根据对控制系统性能的要求使控制系统的性能能全面地满足技术上的要求。
并确定适当的参数，使控制如何合理地设计校正装置。
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