滑模控制系统的分析与设计(刘磊坡 著)思维导图
滑模
姓 名：
学 号：
班 级：
滑模变结构控制
滑模变结构控制
滑模变结构控制是前苏联学者Emeleyanov, Ut-kin, Itkin在20世纪60年代初提出的一种控制方法,其本质是一类特殊的非线性控制,与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使控制系统结构随时间变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统的状态被限制在某一子流形上运动,即“滑动模态”运动。这种滑动模态是可以设计的,并且与系统的参数摄动和外界扰动完全无关。这样,处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。但滑模变结构控制存在一个严重的缺点,即抖振。由于抖振很容易激发系统的未建模特性,从而影响了系统的控制性能,给滑模变结构控制的实际应用带来了困难。近年来,在机器人控制、电机伺服控制等复杂的非线性控制系统中,滑模变结构控制因为其强鲁棒性而得到广泛应用和发展。[1]
现以滑模变结构控制在Buck电路中的应用为例进行分析：
1．建立Buck电路的标准化模型[2]
图1 Buck电路
考虑DC-DC变换器为单输入控制系统，设其状态空间方程为：
()()xfxgxu
,(),(),{0,1}nnnxRfxRgxRu （1）
()fx，()gx为平滑矢量场；
X—系统状态偏差及各阶导数或积分所构成的n维向量。
确定滑模面函数： ()TSxKx nxR （2）
12()[(),(),...,()]TmSxSxSxSx；
12[,,...,]TTTTmKKKKnxR.
给定滑模面函数后,需要通过选择控制开关,使系统快速到达滑模面上.由于 DC—DC变换器本身的特点,其控制律 u只能取 0或 1 ,可选
0,0{1,0sus 即1sgn()2Su （3）
《过程控制》课后习题答案
第一章思考题与习题
1.1 下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？
①家用电冰箱 ②家用空调器 ③家用洗衣机 ④抽水马桶 ⑤普通车床 ⑥电饭煲 ⑦多速电风扇 ⑧高楼水箱 ⑨调光台灯
开环控制：③家用洗衣机⑤普通车床⑦多速电风扇⑨调光台灯
闭环控制：①家用电冰箱 ②家用空调器④抽水马桶⑥电饭煲⑧高楼水箱
1.2 图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
图1-14 压力自动控制系统 图1-15 加热炉温度自动控制系统
被控对象：容器P
被控变量：罐内压力
操纵变量：物料输入流量
扰动变量：出口流量
系统框图如下：
1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
被控对象：加热炉
被控变量：炉内温度
操纵变量：燃料流量
扰动变量：进料量
系统框图如下：
1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？
过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？
过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。
1.6 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为200℃）。
图1-16 题1.6图
最大偏差：30℃
余差：5℃
衰减比：5：1
振荡周期：15min
调整时间：22min
第二章思考题与习题
2.1 求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标i代表输入，o代表输出。
a） b）
自动控制原理专业课重要经典考点思路总经笔记导学资料
1 专业课-自动控制原理-复习思路高分导学
第一章 自动控制的基本概念
一、学习要点
1. 自动控制基本术语：自动控制、系统、自动控制系统、被控量、输入量、干扰量、受控对象、控制器、反馈、负反馈控制原理等。
2. 控制系统的基本方式：
①开环控制系统；②闭环控制系统；③复合控制系统。
3. 自动控制系统的组成：由受控对象和控制器组成。
4. 自动控制系统的类型：从不同的角度可以有不同的分法，常有：
恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统等。
5. 对自动控制系统的基本要求：稳、快、准。
6. 典型输入信号：脉冲、阶跃、斜坡、抛物线、正弦。
Ctrl+点击 更新对应章节细化的内容 控制系统
线性系统 非线性系统
连续系统 离散系统 描述函数法 相平面法
建模－求传函
时域法
分析 根轨迹法
频率特性法
串联(频率法)
校正 并联(频率法)
复合控制 建模－求脉冲传函
稳定性
时域分析 稳态误差
暂态响应 负倒描述函数曲线
自振点的稳定性
振幅、频率计算 绘制相轨迹
求奇点和极限环
求运动时间
校正 2
自动控制的基本概念
一、学习要点
7. 自动控制基本术语：自动控制、系统、自动控制系统、被控量、输入量、干扰量、受控对象、控制器、反馈、负反馈控制原理等。
8. 控制系统的基本方式：
①开环控制系统；②闭环控制系统；③复合控制系统。
9. 自动控制系统的组成：由受控对象和控制器组成。
10.自动控制系统的类型：从不同的角度可以有不同的分法，常有：
恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统等。
11.对自动控制系统的基本要求：稳、快、准。
现代控制理论讲义(1,2.4)
－1－ 第一章 绪言
1－1 自动控制发展历史简介
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。在如图1－1所示的水钟原理图中，最上面的蓄水池提供水源，中间蓄水池浮动水塞保证恒定水位，以确保其流出的水滴速度均匀，从而保证最下面水池中的带有指针的浮子均匀上升，并指示出时间信息。
同样早在1000多年前，我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。首次应用于工业的自控器是瓦特（J.Watt）于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器，如图1－2所示。而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫（I.Polzunov）的浮子水位调节器最有历史意义。
图1－1 水钟原理图图 图 1－2 飞球转速调节器原理图
1868年以前，自控装置和系统的设计还处于直觉阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（如稳、准、快）的协调控制方面经常出现问题。十九世纪后半叶，许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究，并对控制系统的性能改善产生了积极的影响。1868年，麦克斯威尔（J.C.Maxwell）建立了飞球控制器的微分方程数学模型，并根据微分方程的解来分析系统的稳定性。1877年，罗斯（E.J.Routh）提出了不求系统微分方程根的稳定性判据。1895年，霍尔维茨（A.Hurwitz）也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据。
第二次世界大战前后，由于自动武器的需要，为控制理论的研究和实践提出了更大的需求，从而大大推动了自控理论的发展。1948年，数学家维纳(N.Wiener)的<>(CYBERNETICS)一书的出版，标志着控制论的正式诞生。这个“关于在动物和机器中的控制和通讯的科学”(Wiener所下的经典定义)经过了半个多世纪的不断发展，其研究内容及其研究方法都有了很大的变化。图1－3所示为控制理论的主要发展历史。
四川大学教案
四 川 大 学 教 案
【首页】
课程名称 自动控制原理(Ⅰ)
授课专业 自动化 年级 2004
课程编号 30333730-1
课程类型 必修课 校级公共课( );基础或专业基础课( √ );专业课( )
选修课 限选课( ); 任选课( )
授课方式 课堂讲授（ √ ）；
实践课（ √ ） 考核方式 考试（ √ ）；考查（ ）
课程教学
总学时数 48 学分数 3
学时分配 课堂讲授 40 学时；实践课 8 学时
教材名称 自动控制原理 作
者 黄家英 出版社及出版时间 高等教育出版社，2003
指定参考书 1. 《自动控制原理》，
2. 《自动控制原理》
3. 《现代控制工程》第四版
4. 《自动控制原理》
5. 《Automatic Control
Systems》Eighth Edition
Control System Design
6. 《控制原理例题习题集》
7. 《自动控制理论重点难点及典型题型分析》，
8. 《控制系统MATLAB计算及仿真》
Simulink《建模及动态仿真》。 作
者
吴麒
张爱民
Katsuhiko Ogata
著，卢伯英等译，
胡寿松
Benjamin C.Kuo，Farid Golnaraghi
G.C.Goodwin ,
周春晖等
张爱民等
黄忠霖
，
王沫然 出版社及
出版时间 清华大学出版社，2001
清华大学出版社，2006
电子工业出版社，2000
电子工业出版社，2002；
清华大学出版社，2001
科学出版社,第四版，2002
高等教育出版社（影印版），2003
清华大学出版社(影印版)
化学工业出版社，2001
西安交通大学出版社，2002
国防工业出版社；
电子工业出版社，2002.
授课教师 赵曜 职称 教授 单位 电气信息学院
授课时间 2006.09——2006.12
滑模原理图
滑模原理图
滑模控制是一种非线性控制方法，它利用滑模面的概念来设计控制律，使系统在面对参数扰动和外部干扰时能够保持稳定性和鲁棒性。在滑模控制中，滑模面是一个特殊的超平面，系统状态在该超平面上运动，从而实现对系统的控制。滑模控制方法因其在非线性系统和不确定性系统中具有良好的控制性能而备受关注。
滑模原理图是滑模控制的重要工具，它能够直观地展示系统状态在滑模面上的运动轨迹，帮助工程师们更好地理解和分析滑模控制系统的性能。下面我们将介绍滑模原理图的基本内容和相关特点。
首先，滑模原理图通常由系统状态变量和滑模面的变量构成。通过绘制系统状态变量和滑模面的变化曲线，可以清晰地观察系统在滑模控制下的运动轨迹。这有助于工程师们直观地了解系统的稳定性和鲁棒性，为滑模控制系统的设计和优化提供重要参考。
其次，滑模原理图可以反映系统在不同工况下的响应特性。通过在原理图上标注不同工况下的运动轨迹，可以直观地比较系统在不同条件下的性能表现，为系统设计和参数调节提供重要依据。这对于工程师们来说是非常有益的，可以帮助他们更好地把握系统的控制特性，从而设计出更加稳定和鲁棒的控制系统。
此外，滑模原理图还可以用于系统的仿真和验证。通过在仿真软件中绘制滑模原理图，可以直观地观察系统在滑模控制下的运动轨迹，验证控制算法的有效性和稳定性。这对于工程师们来说是非常重要的，可以帮助他们及时发现和解决系统设计中的问题，提高系统的可靠性和稳定性。
总的来说，滑模原理图是滑模控制的重要工具，它能够直观地展示系统在滑模控制下的运动轨迹，帮助工程师们更好地理解和分析滑模控制系统的性能。通过滑模原理图，工程师们可以更好地把握系统的控制特性，为系统的设计和优化提供重要参考。希望本文对滑模控制的研究和应用有所帮助。
自动控制原理习题解答(余成波,张莲,胡晓倩)
第1章 控制系统的基本概念
1.5 图1.1所示的转速闭环控制系统中，若测速发电机的正负极性接反了，试问系统能否正常工作？为什么？
图1.1 直流电动机转速闭环控制系统
电 压
放大器
功 率
放大器 Mc
负载 nM电动机 +
_
+
au
_ +
_ gu +
E
电位器
测速发电机 + _ fu +
eu
_
解：若测速发电机的正负极性接反，偏差电压则为
egfuuu
系统将由负反馈变为正反馈，而正反馈不能进行系统控制，会使系统的偏差越来越大。
因此，系统不能正常工作。
1.9 仓库大门自动控制系统原理如图1.8所示。试说明仓库大门开启、关闭的工作原理。如果大门不能全开或全关，应该怎样进行调整？
解 当给定电位器和测量电位器输出相等时，放大器无输出，门的位置不变。假设门的原始位置在“关”状态，当门需要打开时，“开门”开关打开，“关门”开关闭合，给定电位器和测量电位器输出不相等。电位器组会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直图1.8仓库大门自动控制系统 图1.9 仓库大门自动控制系统方框图 关门位置对应的电位 开门位置、
放大器 绞盘
－ ue
实际位置 电动机 大门 给定电位器
测量电位器
到电位器组达到平衡，即测量电位器输出与给定电位器输出相等，则电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图1.9所示。
如果大门不能全开或者全闭，说明电位器组给定的参考电压与期望的开门位置或关门位置不一致，应该调整电位器组的滑臂位置，即调整“开门”或“关门”位置对应的参考电压。
第2章 自动控制系统的数学模型
2.1
求图2.1中RC电路和运算放大器的传递函数o()()iUsUs。
过程控制系统与仪表课后习题答案完整版
第1章 思考题与习题
1—1 过程控制有哪些主要特点?为什么说过程控制多属慢过程参数控制？
解答：
1．控制对象复杂、控制要求多样
2。 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式
5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成
1—2 什么是过程控制系统?典型过程控制系统由哪几部分组成?
解答：
过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：参照图1-1。
1—4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类?
解答:
分类方法说明：
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统;按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分，有比例(P）控制、比例积分（PI)控制,比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类：
1．按设定值的形式不同划分:（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
（3)程序控制系统
2．按系统的结构特点分类:（1）反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1—5 什么是定值控制系统?
解答：
在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。 1 1—6 什么是被控对象的静态特性?什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？
解答：
被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性.
被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性.
现代控制系统(十一版)
现代控制系统（十一版）
第一章 控制系统导论
1、实现高效的设计过程的主要途径是参数分析和优化。
参数分析的基础是：（1）辨识关键参数；（2）构建整个系统；（3）评估系统满足需求的程度。这三步是一个循环迭代的过程。一旦确定了关键参数，构建了整个系统，设计师就可以在此基础上优化参数。设计师总是尽力辨识确认有限的关键参数，并加以调整。
2、控制系统设计流程（重要）
① 确定控制目标和受控变量，并初步定义（确定）系统性能指标设计要求和初步配置结构；
② 系统定义和建模；
③ 控制系统设计，全系统集成的仿真和分析。（控制精度要求决定了测量受控变量的传感器选型）；
④ 设计规范/设计要求规定了闭环系统应该达到的性能，通常包括：（1）抗干扰能力；（2）对指令的响应能力；（3）产生使用执行机构驱动信号的能力；（4）灵敏度；（5）鲁棒性等方面的要求。
⑤ 首要任务：设计出能够达到预期控制性能的系统机构配置（传感器、受控对象、执行机构和控制器）。其中执行机构的选择与受控对象和变量有关，控制器通常包含一个求和放大器（框图中的比较器），用于将预期响应与实际响应进行比较，然后将偏差信号送入另一个放大器。
⑥ 调节系统参数，以便获得所期望的系统性能。
⑦ 设计完成之后，由于控制器通常以硬件的形态实现，还会出现各硬件之相互干扰的现象。进行系统集成时，控制系统设计必须考虑的诸多问题，充满了各种挑战。
3、分析研究动态系统的步骤为：
① 定义系统及其元件；
② 确定必要的假设条件并推导出数学模型；
③ 列写描述该模型的微分方程；
④ 求解方程（组），得到所求输出变量的解；
⑤ 检查假设条件和多得到的解；
⑥ 有必要，重新分析和设计系统。
4、中英文术语和概念
Automation 自动化
Closed-loop feedback control system 闭环反馈控制系统
Complexity of design 设计的复杂性
自动控制原理 学习指南
第一章 控制系统的一般概念
一、重难点分析
1. 开环与闭环系统的比较
定义 优点 缺点
开环系统 系统的控制作用不受输出影响的控制系统称开环控制控制 结构简单、经济、无不稳定问题、便于调试； 抗干扰能力差、控制精度不高；
闭环系统 系统的控制作用受输出影响的控制系统称闭环控制系统 抗干扰能力强、控制精度高； 结构复杂、价格高、有不稳定问题
2. 自动控制系统的性能要求
稳定性：是指过渡过程的振荡倾向，即系统重新恢复工作的能力；
快速性：是指过渡过程进行的时间长短；
准确性：是指系统的过渡过程技术后，希望的输出量与实际输出量之间的误差。
二、典型例题、习题分析
1. 图1-1是仓库大门自动控制系统原理示意图，试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-1
解：当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如下图1-2所示。
图1-2
2. 图1-3 (a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。 假设空载时两系统发电机端电压均为110V，试问带上负载后，图1-3(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什么?
图1-3
解：带上负载后，开始由于负载的影响，图 (a)与(b)系统的端电压都要下降，但图(a)中所示系统能恢复到110伏而图(b)系统却不能。理由如下：
图(a)系统,当u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K放大后，驱动电机D转动，经减速器带动电刷，使发电机F的激磁电流jI增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持110伏不变。