自动控制系统的典型控制方法
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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自动控制的基本控制原理与方式
四、定常系统与时变系统
如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中 不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系 统，否则，称为时变系统。
如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线性定 常系统；否则称为线性时变系统 。
2020/2/15
1-4 对控制系统的基本要求
2020/2/15
一、对控制系统基本要求 1、稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。
4、闭环控制必须考虑稳定性问题，而开环控制通常 可以不考虑。
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4、复合控制系统
开环控制和闭环控制的结合
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1-2 自动控制系统示例
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飞机示意图
给定电位器
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反馈电位器
控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。 被控对象：飞机。
- 放大器
uf
测速机
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+
+
u u u g 电压 +
e功
-放大器
放
a
n
M
- uf
+-
测速发电机
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1、特点：输出量对系统的控制作用产生影响。 2、优点：具有自动修正偏差的能力，抗干扰能力强，控制 精度高。
3、缺点： （1）结构复杂，成本高。 （2）存在稳定性问题，如果系统设计不合理或参数选择不 合适，系统可能产生振荡，严重时不能正常工作。 4、适用场合：适合于干扰不可预测、控制精度要求高的 场合。
（7）反馈控制系统(feedback control system)
通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使偏差 消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈控制 系统。
自动控制原理典型习题(含答案)
自动控制原理习题一、(20分)试用结构图等效化简求下图所示系统的传递函数)()(s R s C 。
解：所以：32132213211)()(G G G G G G G G G G s R s C +++= 二．（10分）已知系统特征方程为06363234=++++s s s s ，判断该系统的稳定性，若闭环系统不稳定，四．（121m -=222K K-0=1K ⇒=，s = 所以当1K >时系统稳定，临界状态下的震荡频率为ω五．（20分）某最小相角系统的开环对数幅频特性如下图所示。
要求（1） 写出系统开环传递函数； （2） 利用相角裕度判断系统的稳定性；（3） 将其对数幅频特性向右平移十倍频程，试讨论对系统性能的影响。
解（1）由题图可以写出系统开环传递函数如下：（2）系统的开环相频特性为截止频率1101.0=⨯=c ω相角裕度：︒=+︒=85.2)(180c ωϕγ故系统稳定。
（3）将其对数幅频特性向右平移十倍频程后，可得系统新的开环传递函数其截止频率10101==c c ωω而相角裕度︒=+︒=85.2)(18011c ωϕγγ= 故系统稳定性不变。
由时域指标估算公式可得)11(4.016.0-+=σoo=o o 1σ（1（2（2）121)(=s G 2函数。
1、的输出量不会对系统的控制量产生影响。
开环控制结构简单、成本较低、系统控制精度取决于系统元部件、抗干扰能力较差。
（２分）2、根轨迹简称为根迹，它是开环系统某一参数从零变到无穷时，闭环特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。
（３分）系统根轨迹起始于开环极点，终至于开环零点。
（２分）二、看图回答问题（每小题10分，共20分）1、解：结论：稳定（２分）理由：由题意知系统位于s 右半平面的开环极点数0=P ，且系统有一个积分环节，故补画半径为无穷大，圆心角为2122πππ-=⨯-=-v 的圆弧，则奈奎斯特曲线如图1示，（３分）由图可知系统奈奎斯特曲线包围(-1,j0)点的圈数为000=-=-=-+N N N ，（３分）由奈奎斯特稳定判据，则系统位于s 右半平面的闭环极点数02=-=N P Z ，（２分）故闭环系统稳定。
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
自动控制原理知识点
第一节自动控制的基本方式一、两个定义：（1） 自动控制：在没有人直接参与的情况卞，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程 中的某些物理屋或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。
（2） 自动控制系统：由控制器（含测量元件）和被控对彖组成的有机整体。
或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。
称为自动控制系统。
在控制系统中，把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。
系统的输入屋，通常指两种：给定输入量和扰动输入量。
给定输入量，又常称为参考较输入量，它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。
扰动输入量，又常称为干扰输入量，它是系统不希望但又客观存在的外部输入量，例如，电 源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等，都是实际系统中存在的扰动输 入量。
扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。
自动控制的基本方式二、基本控制方式（3种）1、开环控制方式⑴定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。
具有这种控制方式的有机整体，称为开坏控制系统。
如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量反馈的控制方式。
⑵职能方框图任何开坏控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方框图表示。
2、闭坏控制方式（1）定义：系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式,称为闭坏控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。
自动控制的基本方式工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为 电压。
反馈电压与给定电压比较（相减）后，产生一偏差电压，经电压和功率放人器放大后去控制 电动机的转速。
当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速 运行。
当系统受到某种干扰时（例如负载变人），电动机的转速会发生变化（下降），测速反馈扰动输入量输出量电压跟着变化（变小），由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化（变人），经放人后使电动机电枢电压变化（提高），从而电动机转速也变化（上升），去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
自动化控制系统中的模糊控制方法与调参技巧
自动化控制系统中的模糊控制方法与调参技巧自动化控制系统中的模糊控制方法是一种基于模糊逻辑的控制策略，可以处理系统模型复杂、不确定性强的问题。
模糊控制方法通过将模糊逻辑应用于控制器设计中，能够有效地应对实际系统中的各种非线性、时变和不确定性因素，提高控制系统的鲁棒性和自适应能力。
在模糊控制系统中，模糊逻辑通过将模糊的自然语言规则转化为数学形式，对系统的输入和输出进行模糊化处理，从而实现对系统的自动控制。
模糊控制方法主要包括模糊推理、模糊建模和模糊控制器设计三个主要步骤。
首先，模糊推理是模糊控制方法的核心，它根据一组模糊规则对输入变量进行模糊推理，从而确定最终的控制策略。
在模糊推理中，需要定义一组模糊规则，每个模糊规则都由若干个模糊集和若干个模糊关系所组成。
通过对输入变量的模糊化处理和模糊规则的匹配，可以得到控制器的输出。
其次，模糊建模是模糊控制方法的前提，它是将实际系统映射为模糊控制系统的关键步骤。
模糊建模可以通过实验数据、专家知识或模型等方式获得系统的输入输出数据，然后利用聚类和拟合等方法建立系统的模糊模型。
模糊建模的目的是找到系统的内在规律和数学模型，以便后续的模糊控制器设计和参数调优。
最后，模糊控制器设计是模糊控制方法的具体实现，它根据模糊推理和模糊建模的结果，确定模糊控制器的结构和参数。
模糊控制器的结构包括输入变量的模糊集合和输出变量的模糊集合，参数则决定了模糊控制器的具体行为。
参数调优是模糊控制器设计的关键环节，通过合理地设置参数，可以使模糊控制器在实际系统中具有良好的控制性能和鲁棒性。
为了获得较好的控制性能，模糊控制系统中的调参技巧是必不可少的。
调参技巧通常包括以下几个方面：首先，选取适当的输入变量和输出变量，并对其进行模糊化处理。
输入变量和输出变量的选择应考虑到系统的特性和控制目标，而模糊化处理的方法则可以采用三角函数、梯形函数等常用的模糊集合类型。
其次，确定模糊规则的数量和形式。
模糊规则的数量和形式直接影响到模糊控制系统的稳定性和鲁棒性。
现代电气自动化控制策略
现代电气自动化控制策略现代电气自动化控制策略在工业生产中起着至关重要的作用。
随着科技的不断发展，电气自动化控制策略也在不断创新和改进。
本文将介绍几种常见的现代电气自动化控制策略，并分析其优势和应用场景。
一、PID控制策略PID控制策略是一种经典的控制方法，它通过比较实际输出值与期望输出值之间的差异，计算出控制器的输出信号，从而实现对被控对象的控制。
PID控制策略具有简单、稳定、可靠的特点，广泛应用于工业生产中的温度、压力、流量等参数的控制。
PID控制策略的优势在于其简单性和可调节性。
通过调节PID控制器的参数，可以实现对不同系统的精确控制。
然而，PID控制策略也存在一些局限性，比如对于非线性系统的控制效果不佳，容易受到外界干扰的影响。
二、模糊控制策略模糊控制策略是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过建立模糊规则库和模糊推理机制，将模糊的输入转化为模糊的输出，从而实现对被控对象的控制。
模糊控制策略适用于复杂、非线性的系统控制，如汽车驾驶、空调控制等。
模糊控制策略的优势在于其对于非线性系统的适应性强，能够处理模糊、不确定的输入和输出。
同时，模糊控制策略也存在一些问题，比如规则库的设计和模糊推理的计算量较大，需要较高的计算资源。
三、神经网络控制策略神经网络控制策略是一种基于人工神经网络的控制方法，它通过训练神经网络模型，将输入与输出之间的映射关系学习到，从而实现对被控对象的控制。
神经网络控制策略适用于复杂、非线性的系统控制，如机器人控制、飞行器控制等。
神经网络控制策略的优势在于其对于非线性系统的适应性强，能够处理大量的输入和输出数据。
同时，神经网络控制策略也存在一些问题，比如需要大量的训练数据和计算资源，训练过程较为复杂。
四、模型预测控制策略模型预测控制策略是一种基于数学模型的控制方法，它通过建立系统的数学模型，并预测未来一段时间内的系统行为，从而制定控制策略。
模型预测控制策略适用于需要预测和优化系统行为的控制场景，如能源管理、交通控制等。
自动化技术概论_自动控制发展-控制技术篇
常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算 机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。
单片机
单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器 及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最 便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十 个单片机在工作。
工业控制计算机
工控机类似普通微机，但提高了 工作的可靠性，配备了用于工业控 制的输入输出接口，并特别加强了 针对工业环境的抗干扰措施。
可编程逻辑控制器
数字信号处理器
（ Digital Signal Processor，简称“DSP” ）
DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用 于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技 术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域 的应用也越来越多
计算机控制方式的演变
第一阶段：集中控制
用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈 信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设 备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。
反馈信号
计算机
反馈信号
控制信号
受控设备1
受控设备2控制信号…受控设备N第二阶段：单机控制
一台计算机只控制一台 机器或设备，主要优点是 控制风险小。这种方式在 今天也很常见，如冰箱、 空调 、电饭煲的控制等。
计算机
反馈信号 控制信号
受控设备
第三阶段：分散控制
对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或 设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方 式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互， 属于网络化的控制系统。
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3.2.3 自动控制系统的性能指标
⒈单项性能指标
⑴衰减比η ⑵最大（动态）偏差和超调量 ⑶稳态误差 ⑷调节时间
❖ ⒉综合指标 ❖ ⑴ 积分型指标： ➢ ①误差平方的积分(ISE) ➢ ②时间乘误差平方积分(ITSE) ➢ ③误差绝对值积分(IAE) ➢ ④时间乘误差绝对值的积分(ITAE) ➢ ⑤加权二次型性能指标 ❖ ⑵ 末值型指标 ❖ ⑶ 复合型指标
⒋按控制系统的元件特性分为非线性系统模型和线性系 统模型。 ❖ ⒌按系统参数变化分为定常系统模型和时变系统模型。
3.1.4 建立数学模型的方法
❖ 1.机理分析法
❖ 对系统各部分的运动机理进行分析，并根据它们所依 据的物理规律或化学规律，分别列出描写这些变化规 律的相应的运动方程，经过整理，从中获得所需的数 学模型。
自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：
⑴ 系统的模型 ⑵ 系统的分析 ⑶ 控制系统的综合
自动控制理论在不同时期针对不同的实际问题，提出了 不同的解决控制问题的方法，从而形成了不同特色的理 论和技术体系
(1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术
3.1 控制系统与数学模型
当自动控制系统受到各种干扰(扰动)或人为要求给定 值(参考输入)改变时，被控量就会发生变化，偏离给定值。 通过系统的自动控制作用，被控量恢复到原来的稳态值 或稳定到一个新的给定值，即处于平衡状态，称为静态 或稳态。系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状 态的过程，称为过渡过程或动态过程。
自动控制系统动态过程常见形式：
3.5 比例积分微分控制
控制规则的确定是控制器设计的核心
❖⑴ 比例控制 ❖⑵ 比例+积分控制 ❖⑶ 比例+微分控制
在实际的自动控制系统中，为保持系统具有 良好的动态特性和静态特性，往往使控制器同时 具有比例、微分、积分控制作用，构成比例+积 分+微分控制，或称为P（比例）I（积分）D （微分）控制。
给定
输入 误差
控制量
控制器
执行机构
－
反馈信号
检测装置
输出
受控对象
❖ PID: Proportional-Integrel-Derivative （比例-积分-微分）
给定
输入 误差
控制量
控制器
执行机构
－
反馈信号
检测装置
输出
受控对象
❖ 按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意 义上的自动控制系统，反馈控制是自动控制最 基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈 控制来研究自动控制系统的。
3.4.2 扰动控制
扰动控制是一种开环控制，无法检测控制效果，因 此在工业生产中是不能单独使用的一般它和反馈控制一 起使用。另外它只能在动可以测量的情况下采用，而且 一个补偿装置只能补偿一种与之相对应的扰动。对于其 它扰动未必能起补偿作用。
3.3自动控制系统设计与实现
⒈确定控制目标 ⒉选择测量参数(被调量) ⒊操作变量的选择 ⒋控制方案的确定 ⒌选择控制算法 ⒍执行器的选择 ⒎设计报警和联锁保护系统 ⒏控制系统的调试和投运
3.4 反馈控制和扰动控制
3.4.1 反馈控制
自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反 馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差 信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到 消除或减少偏差的目的。
数学表达式，称为控制系统的数学模型。
自控制系统的数学模型是对自控制系统的行为规律的一 种数学描述,它反映了控制系统本身的特性。
3.1.2 建立控制系统数学模型的目的
❖ 建立数学模型目的是为了实现某种控制目标。
⑴ 制定工业生产过程优化操作方案。 ⑵ 制定控制系统的设计方案，为此，有时需要利用数学模
型进行仿真研究。 ⑶ 进行控制系统的调试和调节器参数的整定。 ⑷ 设计工业生产过程的故障检测与诊断系统。
⑴单调收敛过程
⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程
⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
3.2.2 对自动控制系统的基本性能要求
⑴ 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 准确性
对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就 是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行 的。
一般说来，用于控制的数学模型并不要求非常准确。闭 环系统本身具有一定的鲁棒性，因为模型的误差可以视 为干扰，而闭环系统在某种程度上具有自动消除干扰影 响的能力。
3.2 自动控制系统的过渡过程及其性能指标
3.2.1 自动控制系统的过渡过程
研究自动控制系统的过渡过程对设计、分析整定和 改进控制系统，具有重要的意义。它直接表示控制系统 质量的好坏，与工业生产中的安全及产品产量、质量有 着密切相关的联系。
❖ 2.实验辨识法
❖ 实验辨识法是人为地给系统施加某种测试信号，记录 其输出响应，取得必要的数据，经过某种数学处理后 得到的数学模型。
3.1.5 对数学模型的要求
❖ 作为数学模型，首先要求它准确可靠，但并不意味着越 准确越好应根据实际应用的情况提出适当的要求，超过 实际需要的准确性要求必然造成不必要的浪费。
⑸ 制定大型设备启动和停车的操作方案。
3.1.3 数学模型的表达形式
❖ ⒈按控制系统的连续性分为连续系统模型和离散系统模 型。
❖ ⒉按模型的结构分为输入输出模型和状态空间模型。 ❖ ⒊输入、输出模型分为时域表达形式和复数域表达形式。
❖ ⑴时域表达形式分为微分方程、差分方程和状态方程。 ❖ ⑵复数域表达形式分为传递函数、动态结构图
控制系统的输出变化情况与控制系统的输入（无论是干 扰作用还是给定作用）变化情况有关。R(t) 输入源自系统Y(t) 输出
Y(t)=F(R(t))
系统的输入变化是系统输出变化外部因素，系统本身特 性才是系统输出变化的内在因素。
3.1.1 自动控制系统的数学模型
描述控制系统输出、输入及内部各变量之间相互关系的
第3章 自动控制系统的典型控制方法
自动化教研室
3.1 控制系统与数学模型 3.2 自动控制系统的过渡过程及其性能指标 3.3 自动控制系统设计与实现 3.4 反馈控制和扰动控制 3.5 比例积分微分控制 3.6 非线性系统的控制 3.7 最优控制 3.8 自适应控制 3.9 智能控制
自动控制理论