第7章 自动控制系统实例
王建辉《自动控制原理》(课后习题 自动控制系统的基本概念)【圣才出品】
第1章 自动控制系统的基本概念1-1 什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？答：（1）自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和（或）工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
（2）组成自动控制系统的基本环节及其作用如下：①被控对象或调节对象：进行控制的设备或过程；②执行机构：使被控制量达到所要求的数值；③检测装置或传感器：检测被控制量；④给定环节：设定被控制量的给定值；⑤比较环节：确定被控制量与给定量之间的偏差；⑥中间环节：将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。
1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。
答：（1）开环控制系统的优缺点①优点：结构简单、稳定性好。
②缺点：不能自动补偿扰动对输出量的影响。
（2）闭环控制系统的优缺点①优点：可以有效克服被控对象变化和扰动对输出的影响，提高系统的精度。
②缺点：结构较复杂，稳定性差。
1-3 什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？答：（1）系统的暂态过程是指系统从一个稳态过渡到新的稳态的过程。
（2）当给定量或扰动量突然增加到某一给定值时，输出量的暂态过程有以下几种情况：①单调过程。
这一过程的输出量单调变化，缓慢达到新的稳态值；②衰减振荡过程。
被控制量变化很快，经过几次振荡后，达到新的稳定工作状态；②持续振荡过程。
被控制量持续振荡，始终不能达到新的稳定工作状态。
1-4 日常生活中有许多开环控制系统和闭环控制系统，试举例说明它们的工作原理。
答：（1）开环控制系统实例-电加热系统，如图1-1：图1-1 温度控制系统自耦变压器滑动端的位置（按工艺要求设置）对应一个电压值u c ，即对应了一个电阻炉的温度值T c ，改变u c 即改变了T c 。
当系统中出现外部扰动（如炉门开、关频度变化）或内部扰动（如电源电压波动）时，T c 将偏离u c 所对应的数值。
热工控制系统课堂ppt第七章前馈反馈复合控制系统
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：
塑烧板除尘器自动控制系统的应用
行业的成功运 用。该 系统结合塑烧板 的 良好特性 ， 能够达 到很 高的除尘效 率 ， 并具 有使 用寿命 长、 雏护 简单 等特
点， 有很高的推广价值。 关键 词 ： 塑烧 板 除 尘 器 ； 西 门子 ；计 算 机 ； 自动 控 制
中 图分 类 号 ：Ｐ ７ Ｔ２３ 文 献 标 识码 ： Ａ
安装更换滤片极为 方便 ， 只需 打开除尘器检 修门 ， 紧 拧
固定 塑烧 板 的 两个 螺 栓 即 可 完 成 一 片 滤 片 的 装 配 。在 日常
生产 中， 几乎无须维修保养 。
２ 塑烧板 除尘器 自动控制 系统 实例论述
本文以太原钢铁集 团公 司的一套 塑烧 板除尘 系统为例 进行论述 ， 钢 ２５ 太 ２ ０热轧精轧 塑烧板除尘 器 自动控 制系统 主要 由四台 ＪＳ波浪式塑烧板除尘器组成 ， ０６年 １ Ｓ 自２ ０ Ｏ月 份使用至今 ， 除尘器性 能稳定 ， 运行可靠 ， 烟气粉尘排 放浓 度 直保持在低值 ， 效果很 好。该 系统分 本体部 分和 控制部
２ ２ 塑烧 板 除 尘器 控 制部 分 ．
２２ １ 硬 件 部 分 ．．
控制部分 由 Ｐ Ｃ控 制柜 ， 冲仪 控制 柜 ，Ｓ ＃一Ｊ５ ５ Ｌ 脉 Ｊ１ Ｓ＃
塑烧板 滤 芯 式 除 尘 器 所 占空 间仅 是 布袋 除 尘 器 的 １３—１６ 并且可以叠加设计缩小占地面积。 ／ ／， （ ）安装维护方便 ６
（ ）清灰效果好 ， ３ 压力稳定 ， 阻力稳定 设备 由于 塑烧 板 的 表 面 经 过 深 度 处 理 ， 径 细 小 均 匀 ， 常 空 非 光滑 ， 因而使粉 尘极难透过 与停留 ， 能保 持相当好 的清 灰效 果。其 次， 设备 阻力非常稳定 ， 压力损失与运 行时 间几 乎保 持不变。 （ ）具 有 强 耐湿 性 ４ 过滤板采用特殊配方 ， 有疏水性 ， 具 即使在冬 天严重结
第1章+自动控制系统绪论
；
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1.2 自控概述
丼例：包装盒检测问题 某工厂需要对已装入香皂的纸质包装盒进行检测，把 未装入香皂的包装盒从传送带上剔除，该问题需要采用何 种控制方法？
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1.2 自控概述
4. 直接控制不间接控制
一般情冴下为直接控制，当控制量丌能直接测量或把 控时采用间接控制。实际意义上一般控制均为间接控制 。
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2. 自劢控制理论的建立
几位理论奠基人： 拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749－ 1827)，法国分析学家、概率论学家和物理学家，
1.1 发展历史
法国科学院院士。以天文力学研究为重点，研究方法 为数学、控制等多领域所引用，1812年发表了重要 的《概率分析理论》一书，在该书中总结了当时整个 概率论的研究，导入「拉普拉斯变换」等；
、流量、液面或PH值等类似变量（此类控制系统的控制 过程主要为以顺序排布为主的流程控制，比如化工工业产 品生产过程），此类系统称为过程控制系统。过程控制主 要应用于化工、工业制造等生产流程中。
16
1.2 自控概述
• 输入量：指作用于被控制对象或系统输入端的物理量、
信息或信号。 信息或信号。
• 输出量：指表现于被控制对象或系统输出端的物理量、
5. 适应式控制系统
系统本身能够随着环境条件或结构的丌可预计的变化
，自行调整或修改系统参量。
6. 学习控制系统
以人的分析和学习能力为目标，使机器能够自行对系
统变化做出反应的控制方法，以智能控制理论为基础。 23
1.2 自控概述
1.2.3 控制系统的结构和设计原则
• 1.控制系统的基本结构
对一个设施或过程的控制任务在于：使测量环节测得的 被控量y(t)丌受外部干扰z(t)的影响，即保持在一个恒定的 给定值w(t)=const上，或y(t)跟踪一个变化的给定值w(t) ≠const。
自动控制课程设计简单
自动控制课程设计简单一、课程目标知识目标：1. 理解自动控制的基本概念，掌握自动控制系统的数学模型及特性。
2. 学会分析自动控制系统的性能，了解系统稳定性、快速性和准确性的评价标准。
3. 掌握典型自动控制系统的结构及其工作原理。
技能目标：1. 能够运用数学模型对自动控制系统进行描述，并绘制系统方框图。
2. 学会使用控制原理分析自动控制系统的性能，并提出相应的优化方案。
3. 能够运用所学知识，设计简单的自动控制实验，并完成实验报告。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣，激发学生探索未知领域的热情。
2. 培养学生严谨的科学态度，强调实验数据的真实性，提高学生的实践能力。
3. 增强学生的团队协作意识，培养学生在合作中解决问题、分享成果的能力。
本课程针对高中年级学生，结合学科特点和教学要求，注重理论与实践相结合，旨在提高学生对自动控制技术的理解和应用能力。
通过本课程的学习，使学生能够掌握自动控制的基本原理，具备分析、设计和优化自动控制系统的能力，并培养他们积极探索、严谨求实、团结协作的精神风貌。
二、教学内容1. 自动控制基本概念：控制系统定义、分类及性能指标（对应教材第1章）。
- 控制系统的数学模型及特性- 控制系统的方框图表示2. 自动控制系统分析方法：稳定性、快速性、准确性分析（对应教材第2章）。
- 控制系统的传递函数- 控制系统的稳定性判断- 控制系统的性能分析3. 典型自动控制系统：比例、积分、微分控制（对应教材第3章）。
- PID控制原理及参数调整- 典型控制系统实例分析4. 自动控制实验设计：实验原理、实验步骤及实验报告撰写（对应教材第4章）。
- 实验方案设计- 实验数据采集与处理- 实验报告撰写要求教学内容安排与进度：第1周：自动控制基本概念及数学模型第2周：控制系统稳定性、快速性、准确性分析第3周：典型自动控制系统原理与实例第4周：自动控制实验设计及实践教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节组织，确保学生能够循序渐进地掌握自动控制相关知识。
智能控制习题答案解析
第一章绪论1. 什么是智能、智能系统、智能控制？答：“智能”在美国Heritage词典定义为“获取和应用知识的能力”。
“智能系统”指具有一定智能行为的系统，是模拟和执行人类、动物或生物的某些功能的系统。
“智能控制”指在传统的控制理论中引入诸如逻辑、推理和启发式规则等因素，使之具有某种智能性；也是基于认知工程系统和现代计算机的强大功能，对不确定环境中的复杂对象进行的拟人化管理。
2．智能控制系统有哪几种类型，各自的特点是什么？答：智能控制系统的类型：集散控制系统、模糊控制系统、多级递阶控制系统、专家控制系统、人工神经网络控制系统、学习控制系统等。
各自的特点有：集散控制系统：以微处理器为基础，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
人工神经网络：它是一种模范动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。
这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。
专家控制系统：是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
可以说是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
多级递阶控制系统是将组成大系统的各子系统及其控制器按递阶的方式分级排列而形成的层次结构系统。
这种结构的特点是：1.上、下级是隶属关系，上级对下级有协调权，它的决策直接影响下级控制器的动作。
2.信息在上下级间垂直方向传递，向下的信息有优先权。
同级控制器并行工作，也可以有信息交换，但不是命令。
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
自动控制原理MATLAB分析与设计-仿真实验报告
兰州理工大学《自动控制原理》MATLAB分析与设计仿真实验报告院系：电气工程与信息工程学院班级：电气工程及其自动化四班姓名：学号：时间：年月日电气工程与信息工程学院《自动控制原理》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014） 一、仿真实验内容及要求 1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MATLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。
2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析； ∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。
2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5； ∙ 利用MATLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。
3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MATLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MATLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MATLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。