超驰控制
沈阳电力高等专科学校杨庆柏
刊载于《辽宁电机工程科普》2000年第5期
自动控制系统一般分为连续量(模拟量)和断续量(开关量)两大类型控制系统。超驰控制是自动控制系统的保护措施，应归属于断续量控制系统。
一、超驰控制
所谓超驰控制就是当自动控制系统接到事故报警、偏差越限、故障等异常信号时。超驰逻辑将根据事故发生的原因，立即执行自动切手动、优先增、优先减、禁止增、禁止减等逻辑功能，直接转换当前系统的控制方式，将系统转到预先设定好的安全状态，并发出报警信号。
火电厂中的连续量控制都是以闭环负反馈的形式构成回路，控制的目的是消除输入偏差，始终保持被控量在允许的范围内等于给定值。机组运行中大约有几十个控制回路，任何环节出现故障都会使控制系统偏离正确的控制方向或驱使控制系统振荡。以往用常规控制仪表构成的控制系统，绝大部分都缺少识别系统内、外设备状态品质的能力。只要输入端有偏差信号存在，控制器就会有相应的动作。而不管系统内部是否出现问题或外部设备是否工作异常，有时甚至会出现
控制偏离给定值的现象而造成事故，这都是影响提高自动投入率的原因之一。
超驰控制则能有效地抑制上述不良后果。对内它是监视自动控制过程的眼睛，随时都在检测自动控制回路中变送器信号的品质、输入和输出偏差限值等。如果是控制仪表本身出现问题，显然控制回路失去了自动控制的基础条件，超驰控制将选择自动切手动方式，把控制回路的自动工作模式转到手动工作模式；对外它是自动控制系统的安全转折器，若控制仪表一切正常，被控制的主、辅设备发生异常，超驰控制将根据判定逻辑得出的结果，决定自动控制系统的控制策略或运行方向，从而转入安全通道，脱离可能发生的危险。
二、超驰控制应用
300MVW机组引风控制系统的被控量取自锅炉炉膛压力(即炉膛负压)，锅炉炉膛压力的反应速度相当快，是影响锅炉安全运行的重要参数。在引风控制系统投入运行时，要充分考虑到如何保证在自动或手动方式下锅炉的安全运行。为此，引风控制系统一般都设置有超驰控制，其主要功能是：
⑴自动切手动。具备下列条件之一时，引风控制系统会立即由自动转向手动。①炉膛压力信号品质检测为坏(BAD)值；②被控量(PV)和给定值(SP)偏差或控制输出与执行器位置反馈偏差大于规定值；③引风机停运。
⑵优先增和优先减。炉膛压力高于正压上限或低于负压下限值时，控制系统优先将引风机风门(或动叶)向打开或关闭的方向调整。
且不理会系统当前的工作模式。
⑶禁止增和禁止减。在锅炉正常运行且炉膛压力等于给定值时，超驰控制不起任何作用；当炉膛压力大于某一上限压力时，超驰保护逻辑信号越过自动／手动操作站，对送凤机风门，作开方向的闭锁(禁止增)，对引风机风门，作关方向的闭锁(禁止减)；当炉膛压力小于某一下限压力时，超驰保护逻辑信号越过自动／手动操作站、对送风机风门作关方向的闭锁(禁止减)，对引风机风门作开方向的闭锁(禁止增)。
⑷响应主燃料跳闸(MFT)的保护动作。
目前，DCS(分散控制系统)已成为控制大型火力发电机组的主流仪表，它的应用使超驰控制变为现实。并促使其技术走向成熟。超驰控制有效地提高了火力发电机组长期运行的安全性，是火电厂热工自动控制系统不可缺少的组成部分。
相平面法例题解析： 要求： 1.正确求出对于非线性系统在每个线性区的相轨迹方程，也就是e e - 之间关系的方程（或c c - ）。会画相轨迹（模型中是给具体数的）。※※关键是确定开关线方 程。 2. ※※※如果发生自持振荡，计算振幅和周期。 注意相平面法一般应： 1）按照信号流向与传输关系。线性部分产生导数关系，非线性部分形成不同分区。连在一 起就形成了不同线性分区对应的运动方程，即含有c 或者e 的运动方程。 2）※※※根据不同线性分区对应的运动方程的条件方程确定开关线方程。开关线方程确定很关键。 3）※※※根据不同线性分区对应的运动方程，利用解析法（分离变量积分法或者消去t 法） 不同线性分区对应的相轨迹方程，即c c - 和e e - 之间关系。 4）※根据不同分区的初始值绘制出相轨迹，并求出稳态误差和超调、以及自持振荡的周期和振幅等。 例2 问题1. 用相平面法分析系统在输入r (t ) = 4.1(t )时的运动情况。 问题2. 如果发生自持振荡 ，求自持振荡的周期和振幅。 解：问题1：1）设系统结构图，死区特性的表达式： 0,||2 2,22,2x e x e e x e e =≤?? =->??=+<-? 2）线性部分： 2 ()1 ()C s X s s =，则微分方程为：c x = 3）绘制e e - 平面相轨迹图。因为e r c =-，c r e =-，c r e =- ，c r e =- 。代入则 e x r =-+ （1） 当0t >，0r = ，0r = 。代入，则各区的运动方程0,||2I 2,2II 2,2III e e e e e e e e =≤--?? =->---??=--<----? 由于非线性特性有3个分区，相平面e e -分为3个线性区。 注意，当相平面选好后，输入代入后，最后代入非线性特性。 4） 系统开关线：2e =±。 5） 由题意知初始条件(0)(0)(0)4e r c =-=，(0)(0)(0)0e r c =-= 在II 区，则从
自动控制原理故事 小时候喜欢看杂书，没什么东西看，不正在文化大革命嘛？不过看进去了两个“化”：机械化和自动化。打小就没有弄明白，这机械化和自动化到底有什么差别，机器不是自己就会动的吗？长大了，总算稍微明白了一点，这机械化是力气活，用机器代替人的体力劳动，但还是要人管着的，不然机器是不知道该干什么不该干什么的；这自动化嘛，就是代替人的重复脑力劳动，是用来管机器的。也就是说，自动化是管着机械化的，或者说学自动化的是管着学机械的……啊，不对，不对，哪是哪啊！ 有人考证古代就有自动化的实例，但现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器会坏不说，还可能说大事故。瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，放气阀松开来就关闭，转速增加；按下去阀就打开，转速降低；棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转起来的时候，小棍由于离心力的缘故挥起来。转速太高了，小棍挥会挥得很高，放汽阀就被按下去打开，转速下降；转速太低了，小棍挥不起来，放汽阀就被松开来关闭，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，即保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的转速调节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字就要到历史书里去找了。 类似的例子在机械系统里很多，家居必备的抽水马桶是另一个例子。放水冲刷后，水箱里水位降低，浮子随水面下降，进水阀打开。随着水位的升高，进水阀逐渐关闭，直到水位达到规定高度，进水阀完全关闭，水箱的水正好准备下一次使用。这是一个非常简单但非常巧妙的水位控制系统，是一个经典的设计，但不容易用经典的控制理论来分析，不过这是题外话了. 这些机械系统设计巧妙，工作可靠，实在是巧夺天工。但是在实用中，如果每次都需要这样的创造性思维，那太累，最好有一个系统的方法，可以解决“所有”的自动控制问题，这就是控制理论的由来。 从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走歪了也不知道，结果就是东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，马上就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。这里有自动控制里的第一个重要概念：反馈（feedback）。 反馈是一个过程： 1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。 2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。 3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心里想的前进方向作 比较，判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少。 4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调整的量。 5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。 在整个走路的过程中，这个反馈过程周而复始，不断进行，这样，小朋友就不会走得东倒西歪了。但是，这里有一个问题：如果所有的事情都是在瞬时里同时发生的，那这个反馈过程就无法工作。要使反馈工作，一定要有一定的反应时间。还好，世上之事，都有一个过程，这就为反馈赢得了所需要的时间。 小时候，妈妈在锅里蒸东西，蒸好了，从锅里拿出来总是一个麻烦，需要抹布什么的垫着，免得烫手。但是碗和锅的间隙不大，连手带抹布伸进去颇麻烦，我常常不知天高地厚，自告奋勇地徒手把热的碗拿出来。只要动作快，手起碗落，可以不烫手。当然喽，要是
自动控制原理概述及开闭环实例分析 摘要 本文简单介绍了自动控制的基本原理和发展概况，并从开环控制和闭环控制两方面对自动控制原理进行了详细介绍。列举了开环控制和闭环控制的几个实例，结合实例分析了开环控制和闭环的优缺点，并对两种控制方式进行了对比。 关键词：自动控制、基本原理、开环、闭环 1自动控制基本原理及发展概述 所谓的自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备(称为控制器)操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量），使其按预先设定的规律自动运行。 一般情况下自动控制理论的发展过程可以分为以下三个阶段： 1.1经典控制理论时期 时间为20世纪40-60年代，经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般不超过两个变量。 1.2现代控制理论时期 时间为20世纪60-70年代，这个时期由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可以转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。 1.3大系统理论、智能控制理论时期 时间为20世纪70年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术理论基础。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 2自动控制系统分类 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 2.1开环控制系统 开环控制系统是一种简单的控制系统，在控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响，如图1所示。在该类控制系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于元件的精度和执行机构的调整精度。 控制量输出量 图1 开环控制系统
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 Q0.4 2.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。
2-1 试求出图P2-1中各电路的传递函数。 图P2-1 2-2 试求出图P2-2中各有源网络的传递函数。 图P2-2 2-3 求图P2-3所示各机械运动系统的传递函数。 （1）求图（a ）的 ()()?=s X s X r c （2）求图（b ）的() () ?=s X s X r c （3）求图（c ）的 ()()?12=s X s X （4）求图（d ）的 ()() ?1=s F s X 图P2-3 2-4 图P2-4所示为一齿轮传动机构。设此机构无间隙、无变形，求折算到传动轴上的等效转动惯量、等效粘性摩擦系数和()()() s M s s W 2θ= 。
图P2-4 图P2-5 2-5 图P2-5所示为一磁场控制的直流电动机。设工作时电枢电流不变，控制电压加在励磁绕组上，输出为电机角位移，求传递函数()() () s u s s W r θ=。 2-6 图P2-6所示为一用作放大器的直流发电机，原电机以恒定转速运行。试确定传递函数() () ()s W s U s U r c =，设不计发电机的电枢电感和电阻。 图P2-6 2-7 已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统方框图，并求出闭环传递函数。 ()()()()()()[]()s X s W s W s W s W s X s X c r 87111--= ()()()()()[]s X s W s X s W s X 36122-= ()()()()[]()s W s W s X s X s X c 3523-= ()()()s X s W s X c 34= 2-8 试分别化简图P2-7和图P2-8所示的结构图，并求出相应的传递函数。 图P2-7 图P2-8
第二章自动控制系统的数学模型 教学目的： （1）建立动态模拟的概念，能编写系统的微分方程。 （2）掌握传递函数的概念及求法。 （3）通过本课学习掌握电路或系统动态结构图的求法，并能应用各环节的传递函数，求系统的动态结构图。 （4）通过本课学习掌握电路或自动控制系统动态结构图的求法，并对系统结构图进行变换。 （5）掌握信号流图的概念，会用梅逊公式求系统闭环传递函数。 （6）通过本次课学习，使学生加深对以前所学的知识的理解，培养学生分析问题的能力 教学要求： （1）正确理解数学模型的特点； （2）了解动态微分方程建立的一般步骤和方法； （3）牢固掌握传递函数的定义和性质，掌握典型环节及传递函数； （4）掌握系统结构图的建立、等效变换及其系统开环、闭环传递函数的求取，并对重要的传递函数如：控制输入下的闭环传递函数、扰动输入 下的闭环传递函数、误差传递函数，能够熟练的掌握； （5）掌握运用梅逊公式求闭环传递函数的方法； （6）掌握结构图和信号流图的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，掌握从其它不同形式的数学模型求取系统传递函 数的方法。 教学重点： 有源网络和无源网络微分方程的编写；有源网络和无源网络求传递函数；传递函数的概念及求法；由各环节的传递函数，求系统的动态结构图；由各环节的传递函数对系统的动态结构图进行变换；梅逊增益公式的应用。 教学难点：举典型例题说明微分方程建立的方法；求高阶系统响应；求复杂系统的动态结构图；对复杂系统的动态结构图进行变换；求第K条前向通道特记式 的余子式 。 k 教学方法：讲授 本章学时：10学时 主要内容： 2.0 引言 2.1 动态微分方程的建立 2.2 线性系统的传递函数 2.3 典型环节及其传递函数 2.4系统的结构图 2.5 信号流图及梅逊公式
一.试建立如图所示电路的动态微分方程，并求传递函数。 解：1、建立电路的动态微分方程 根据KCL 有 2 00i 10i ) t (u )]t (u )t (d[u )t (u )t (u R dt C R =-+- 即 )t (u ) t (du )t (u )()t (du i 2i 21021021R dt C R R R R dt C R R +=++ 2、求传递函数 对微分方程进行拉氏变换得 )(U )(U )(U )()(U i 2i 21021021s R s Cs R R s R R s Cs R R +=++ 得传递函数 2 1212 21i 0)(U )(U )(R R Cs R R R Cs R R s s s G +++== 二．结构图化简。 解：1.将-G 3G 4H 4回路的综合点前移至①处 2.将反馈通道H 1的综合点也前移至①处 3.将以上两条反馈通道利用并联公式合并 4.从内到外化简回路 5.最后得到系统的传递函数为 1 432144323213324 3211)(H G G G G H G G H G G G H G G G G G G s G -+++= （注：由于电脑画图太慢，这里只给出了文字步骤，解题时请同学们用图示把各个化简步骤列写出来。）
三．系统结构图如图所示： 1、写出闭环传递函数() ()() C s s R s Φ= 表达式； 2、要使系统满足条件：707.0=ξ,2=n ω,试确定相应的参数K 和β； 3、求此时系统的动态性能指标s t ,0 0σ ； 4、t t r 2)(=时，求系统由()r t 产生的稳态误差ss e ； 解：1. 2 2222 221)()()(n n n s s K s K s K s K s K s K s R s C s ωξωωββ++=++=++==Φ 2. ? ??=====2224222 n n K K ξωβω ? ??==707 .04βK 3. 0010 32.42 ==--ξξπ σ e 12.22 3 3 == = n s t ξω 4. )1(1)(1)(2+= +=+ =s s K s s K s K s K s G βββ ? ??==11v K K β 414.12=== βK ss K A e （注：考虑再三，还是决定把时域性能指标（超调量、峰值时间、调节时间）的公式告诉大家，到时会写在黑板上。除此之外，拉氏变换表也会给大家。如有需要，也会给入射角和出射角公式。其他公式需要自行记忆。）
我们现实生活中的许许多多的事情都可以运用《自动控制原理》中的一些理论和原理来进行有效的控制和调节，进而使我们的生活更加科学合理。 就拿我们大学生的生活费用来说吧，我们就可以运用自动控制原理中的反馈调节理论对我们的生活费用进行合理有效的规划和利用，从而达到感性的利用和管理我们的生活费用。我们也看到了，我们身边的很多同学对生活费的使用是毫无计划可言的，即他们都喜欢即兴花费（今朝有酒今朝醉）。因此，往往使很多同学到学期末的时候开始出现“财政赤字”现象，导致四处借钱来维系生活。其实，与其这样还不如在每学期开始，或者每个月开始就对我们的生活费用列一项详尽的计划，日后可以照着计划开控制自己的生活费，杜绝寅吃卯粮的现象。这里就要用到自动控制原理，我们可以把钱包当作控制对象，每个月计划花费的生活费作为控制系统的输入，每天的实际花费为输出。我们对每月的花费做一个详细的安排。如用餐费、生活平花费、娱乐花费等都做一个具体的切实的计划。这就相当于我们控制系统里的控制器，即系统的核心，而控制器性能的好坏直接影响了我们控制的鲜果。对应于我们这个生活费花费系统中则应该表现在计划的具体内容、细节以及具体实现方面。计划定制的越详细具体切实，并且贯彻落实我们的计划，则控制就回去得越好的效果。在这过程中，我们自己本身就相当于系统中的执行器，我们根据计划的具体要求，具体实施我们的花费，决定是让钱包常开还是常闭，或者是快开等等的问题。这样我们就可以利用控制系统的响应原理对生活费进行了一
定的控制，而不是像有些同学那样毫无计划的挥霍。当然了，这只是相当于一个开环系统，因为过程中并没有对实际花费尽享有效的检测，控制效果无法达到理想状况，而且，有时候生活中还会出发一些意外情况，这也是避免不了的额外花费，我们姑且就叫做是扰动因素吧。我们都知道，这些扰动因素还是会影响系统的性能以及控制效果。但是，如果我们在我们上述的开环系统的基础上增加一个测量边送环节，使系统变成闭环系统，那样我们的控制效果和精度将会更加显著。而这个测量变送环节我们可以通过实际的方式（如每一天的花费进行记账，一周进行一次合计等）实现。这么我们可以调整和更改我们的计划使控制更加合理。 除此之外，运用控制原理中的一些内容方法和理论来指导我们更加美好科学的生活的例子还有很多很多。总之，我要我们学以致用，把我们所学的知识和理论云涌到我们的生活中，我相信我们的生活会更加美好！
学合大北京联 告报实验 制控：目）名称过程课程（项 化：专业院：学自动化学院自动 学：级班20091003021190910030201号： ：张名：姓绩松成 日14 11 年2012 月 制灯控实验一交通 验目的一、实编程方法和程序调试方法，掌握交通灯控制的多PLC 的熟练使用基本指令，根据控制要求，掌握 种编程方法，掌握顺序控制设计技巧。二、实验说明南按以下规律显示：按先关控制，当启动开关接通时，信号灯系统信号灯受一个启动开开始工作， 20 秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持北红灯亮，东西绿灯亮的顺序。南北红灯亮维持 25 到秒。，东西黄灯亮，并维持 2 秒；到 20 秒时，东西绿灯闪亮，闪亮 3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时北绿秒，南，
绿灯亮。东西红灯亮维持 25 2 秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭东西绿秒后熄灭，这时南北红灯亮，23 秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持灯亮维持 20秒，然后闪亮 。所示……如此循环，周而复始。如图1、图2灯亮 1图 2图三、实验步骤 1． ．输入输出接线1 G输出R Y G RSD输入输出YQ0.4I0.4东西Q0.1Q0.0Q0.3Q0.5Q0.2南北 2.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。
2．
：移位寄存器指令实现顺序控制方法 2指指定移位寄存器的最低位。N 数值移入移位寄存器。）指令将移位寄存器位（SHRB DATA S_BIT 在溢出内存，移位减N=-N）。SHRB指令移出的每个位被放置=定移位寄存器的长度和移位方向（移位加）指定的位数定义。）和由长度（）中。该指令由最低位（位（SM1.1S_BITN 3．
考试科目: 《微机与自动控制原理》第一至三章（总分100分） 时间：90分钟 学习中心（教学点） 批次： 层次： 专业： 学号： 身份证号： 姓名： 得分： 1. 已知系统结构图如图，求系统传递函数 ()() ,()() C s C s R s N s 。(15分) 2. 设图(a)是系统的结构图；(b)是其单位阶跃响应曲线。确定系统参数12,,K K a 。(15分) 3. 已知单位反馈系统的开环传递函数(1) ()(1)(12) K s G s s Ts s +=++，确定使闭环系统稳定的T 和K 。(15分) 4. 已知闭环传递函数为：1110 1110 ...()...m m m m n n n n b s b s b s b s a s a s a s a ----++++Φ=++++，误差定义为：()()()e t x t y t =-，请证明：（1） 系统在单位阶跃信号输入下，稳态误差为零的充分条件是：0 1 110 ()...n n n n a s a s a s a s a --Φ=++++。（2）系统 在单位斜坡输入下，稳态误差为零的充分条件是10 1110 ()...n n n n a s a s a s a s a s a --+Φ=++++。(15分) 5. 控制系统结构图如图。（1）求 ()0,()1()n x t f t T t ==?作用下系统的稳态误差；（2）为了消除稳态误差，系统结构应作如何变化，并给出分析结果。(20分)
6. 已知系统结构图如图。求（1）系统闭环传递函数 () () C S R S ；（2）使闭环极点实部为-5，且系统阻尼比0.707ζ=，写出闭环极点坐标表达式；（3）求使得系统极点为上述位置的12,K K 值。（4）设计0()G s ，使得n(t)单独作用且为单位阶跃函数时不产生稳态误差。(20分 ) 附：参考答案： 1. 已知系统结构图如图，求系统传递函数()() ,()() C s C s R s N s 。(15分) 【解】（1）用信号流图法求 () () C s R s 三个单回环回路， 1a L G H 1=-，b 33L G H =，c 23123L G G G H H H 1=- 一个两两不相接触回路， b 313a L L G G H H 1=-
开环控制系统方框图19 例 控制量 输入量控制器执行器被控对象（给定量） 输出量（被控量） 1、水泵抽水控制系统 输入量控制器 （接通电源）（控制电路） 2、家用窗帘自动控制系统 输入量控制器（天亮或暗）（光的检测装置） 3、宾馆自动门控制系统 控制量 （水流量） 执行器被控对象 （水泵）（水管） 控制量 （转动） 执行器被控对象 （电动机）（窗帘） 控制量 （转动） 输出量 （水管排出水） 输出量 （窗帘开或闭） 输入量 （人热辐射发出的信号） 控制器 （控制电路） 执行器被控对象 （电动机）（自动门） 输出量 （门开或闭） 4、楼道自动声控灯装置 输入量控制器（有无声音）（声电传感 5、游泳池定时注水控制系统 输入量控制器（设定注水的时间）（定时器） 控制量 （电流） 执行器被控对象 （触点延时开关）（楼道灯） 控制量 （水流量） 执行器被控对象 （进水门阀）（游泳池） 输出量 （灯亮或灭） 输出量 （游泳池的水位）
6、十字路口的红绿灯定时控制系统 控制量 （电流） 输入量控制器执行器被控对象输出量（设定亮、灭时序）（电脑）（时序控制装置）（红绿灯）（灯亮、灭时序） 7、公园音乐喷泉自动控制系统控制量 （开、关） 输入量控制器执行器被控对象输出量（音乐信号）（声控装置）（阀门）（喷嘴）（喷水与否） 8、自动升旗控制系统 输入量控制器 （定时时间）（定时装置） 9、宾馆火灾自动报警系统 输入量控制器（烟雾信号）（感烟控制装置） 10、宾馆自动叫醒服务系统 输入量控制器 （时间设定）（电脑） 11、活动猴控制系统 输入量控制器 （人操纵动作）（牵引线） 12、公共汽车车门开关控制系统 输入量控制器（开、关）（控制电路） 控制量 （转动） 执行器被控对象 （电动机）（滑轮、国旗） 控制量 （电流） 执行器被控对象 （报警电路）（报警部件） 控制量 （电流） 执行器被控对象 （拨号装置）（电话机） 控制量 （活动量） 执行器被控对象 （线、孔杠杆装置）（猴的活动部件） 控制量 （压缩空 气流向） 执行器被控对象 （执行活塞）（车门） 输出量 （升旗速度） 输出量 （报警信号） 输出量 （电话铃声） 输出量 （猴的动作 或表情） 输出量 （车门的 开或关）
自 动 控 制 原 理 与 系 统 电力2班 刘丰 2012324220
自动控制原理学期总结 自动控制原理是自动控制理论的基础，其主要内容包括：自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等。 控制(Control):是指为了改善系统的性能或达到特定的目的,通过对系统有关信息的采集和加工而施加到系统的作用。系统是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。自动控制系统)由控制器、执行器、传感器和被控对象等相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。反馈控制方式 按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。 控制系统的数学模型是描述系统输入、输出变量,以及内部各变量之间关系的数学表达式。传递函数线性定常系统在零初始条件下,输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比,用G(s)表示。 零初始条件是指在t=0时刻,系统的输入、输出及其它们的各阶导数均为零。控制系统的动态结构图是系统数学模型的图解化,由信号线、分支点、相加点、方框四种符号组成。控制系统的开环传递函数是指断开系统的主反馈通路,这时前向通路的传递函数与反馈通路的传递函数的乘积。误差传递函数是指根据系统误差的定义,误差的拉普拉斯变换与作用信号拉普拉斯变换之比。 时域分析指根据控制系统在一定输入作用下的时间响应来分析系统的瞬态过程和稳态 R (s ) ) B (s ) (s
过程的性能的一种方法。线性系统稳定的充要条件:系统特征方程的所有根都具有负的实部,或者说都位于根平面的左半平面。可以依据代数判据、根轨迹、频率特性等来判定。 根轨迹:是指控制系统开环传递函数某一参数从零变化到无穷大时,闭环系统特征方程的根在S 平面上变化的轨迹。根轨迹分析法:是在已知控制系统开环传递函数的零、极点分布的基础上,研究一个或某些参数的变化对特征方程的根影响,进而得到系统性能与参数的关系的一种图解方法。 为根轨迹方程。或：称1)()(1)(11-=++?-=∏∏==n j j m i i g k p s z s k s G 频率响应是指在正弦信号作用下,系统输出的稳态分量。频率特性:是指线性系统在正弦信号作用下,稳态输出的相量与输入相量之比。工程上常用图形来表示频率特性，常用的有： 极坐标图，也称奈奎斯特(Nyquist)图;对数坐标图，也称伯德(Bode)图;对数幅相频率特性图,也称尼柯尔斯(Nichols)图。最小相位系统:是指系统的开环传递函数的零、极点均位于根平面的左半平面。非最小相位系统:是指系统的开环传递函数有零点或极点位于根平面的右半平面。相对稳定性:对于最小相位系统,衡量相对稳定性的指标是相角裕度γ和幅值裕度Κg 。 校正就是采用适当方式，在系统中加入一些参数可调整的装置（校正装置），用以改变系统结构，进一步提高系统的性能，使系统满足指标要求。常用的校正方式有：串联校正，反馈校正，复合校正。 通过学习本课程，我了解了有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等。在学习方法上，我认为理解是接受知识的前提，其次，课余时间应该多做些题，老师的授课内容应该反复看，内容很经典，希望在以后的学习中更加努力，学好本专业课程。 )(1g g A k ω=)(180c ω?γ+=
自 动 化 控 制 理 论 及 实 例 分 析 信息科学与工程学院 1303010205 赵嘉琪
自动化控制原理及实例分析 自动化控制，指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。 自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。又根据控制原理不同，给定系统不同，可分为开环控制系统和闭环控制系统或恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 现今社会，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。 在我们的课中，我对污水处理项目最感兴趣。水是生命之源，是我们最重要的生命根本，污水处理尤为重要。在课上，我们先进行了污水项目简介，我们的实例项目名称为沈北新区蒲河北污水处理场自控系统，日处理两万吨污水。在学习中，我知道了污水处理的基本流程， 一，粗格栅细格栅漩流沉砂池和提升泵房。设置粗格栅及细格栅，以除掉城市垃圾（如烂菜叶、果皮、纸张、塑料制品等）。控制系统要定时开动或根据格栅两边液位差开动垃圾的收集、脱水及运转设备。除掉垃圾的污水流入沉沙地，用重力沉掉水中泥沙。为分离悬浮有机物及泥沙，沉沙地需用搅拌的方法或充气的方法防止有机物沉淀，控制系统要控制搅拌设备或充气设备的正确运转，并根据沉淀泥沙的厚度开动污泥的收集、脱水及转运设备。 二，生化池，生化池的曝气器采用管式曝气器。同时利用便携式溶解氧测试仪测定氧气溶解量，有利于生化生物的生长，繁殖。污水二级生物处理可以形象的比喻成微生物养殖厂，用污水中的有机物作为饲料养殖微生物。部分有机物成为微生物的身体；另一部分有机污物在微生物的繁衍过程中，以新陈代谢的方式变成CO2及NO2排放到大气中。污水在厌氧池、氧化池、沉淀池中循环流动。在厌氧池中溶解氧的浓度很低，厌氧菌大量繁殖。它们会分解悬浮有机物，去除污水中的含氮物质。活性污泥在沉淀池中与污水分离，并由污泥泵抽出，一部分回流，一部分送出到污泥消化处理设备。活性污泥经过脱水、浓缩、进入贮泥池。然后在消化池中，在缺氧及适合的温度下，由厌氧菌大量产生沼气。 三，滤池及反冲洗水池。对水中的ss更进一步的消除。反冲洗水池分两个格，一格总来接受反冲洗水池过滤出水，另一个用来接受反冲洗水池过滤排除水。进一步净化污水。 四，污水处理厂控制系统特点 由上述可知，污水处理厂控制分布面积很大，污水处理过程时滞很大，外部环境有许多不确定因素。公司的污水处理厂控制系统的硬件采用由PLC构成的集散控制系统。 通过学习这门课，以污水净化为例，我深深的意识到我们的专业的本质所在以及自动化控制理论的神奇魅力。自动控制，是社会时代发展的主流，是我们都要经历且为之奋斗的事业！而且事实已经可以向我们验证。经过20多年的发展，中国工业自动控制系统装置制造行业取得了长足的发展，尤其是20世纪90年代以来，中国工业自动控制系统装置制造行业的产量一直保持在年增长20%以上。
开环控制系统方框图19例 1、水泵抽水控制系统 2、家用窗帘自动控制系统 3、宾馆自动门控制系统 4、楼道自动声控灯装置 5、游泳池定时注水控制系统 控制量 控制量 控制量 控制量 控制量 控制量
6、十字路口的红绿灯定时控制系统 7、公园音乐喷泉自动控制系统 8、自动升旗控制系统 9、宾馆火灾自动报警系统 10、宾馆自动叫醒服务系统 11、活动猴控制系统 12、公共汽车车门开关控制系统 控制量 控制量 控制量 控制量 控制量 （压缩空 控制量 控制量
13、家用缝纫机缝纫速度控制系统 14、普通全自动洗衣机控制系统 15、手电筒控制装置 16、宾馆自动门加装压力传感器防意外事故自动控制系统 17、可调光台灯控制系统 18、电吹风控制系统 控制量 控制量 控制量 输入量 （压力传感器是否测到压力异常信号） 控制量 控制量 控制量
19、普通电风扇控制系统 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 闭环控制系统方框图12例 1、家用压力锅工作原理 2、投篮 控制量 给定量 给定量 被控量 给定量
3、供水水箱的水位自动控制系统 4、加热炉的温度自动控制系统 5、抽水马桶的自动控制系统 6、花房温度控制系统 被控量 给定量 被控量 给定量 被控量 给定量 给定量 被控量 控制量
第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说 明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变）？ （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4()dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt +=
先进控制理论及其应用 院系： 班级： 姓名： 学号：
前言 20世纪70年代以来，随着计算机即使的广泛应用，自动控制技术有了很大的发展，先进过程控制（advanced process control,pac）应运而生。先进过程控制也称先进控制。它是具有比常规控制更好的控制效果的控制策略的系统，是提高过程控制质量、解决复杂赴欧成问题的理论和技术。 先进控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在先进控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。先进控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。先进控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。 先进控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着先进控制理论的形成。 先进控制理论内容丰富、涵盖面最广，包括自适应控制、鲁棒控制、预测控制、非线性控制、模糊控制、人工神经网络控制等。
自动控制系统工程 设计论文 论文题目：温室大棚温湿度系统的设计姓名： 班级： 学号： 授课老师： 日期：
温室大棚温湿度控制系统的设计 一、温室控制系统设计的背景 随着经济和社会的快速发展，人们的生活水平也在不断的提高，对农产品的需求量也越来越大。农用大棚为解决我国城乡居民菜篮子问题，促进农民增收和推进农业结构调整发挥了重要作用。温室种植已在农业生产中占有重要地位。而传统的室种植是在大温室棚内悬挂温度计，工人根据读取的温度值调节大棚内的温度；而湿度控制只能根据工人的经验判断是否需要进行灌溉。这种靠人工控制温湿度的方式，既耗费人力又不精确传统的温湿度调节措施表现出极大地局限性 建造先进温室有利于解决靠天吃饭的问题，防止恶劣天气，排除季节因素给生物创造出一个适宜的生长环境，消除对作物生长不利的环境因素来促进生物生长，使其部分或完全克服外界气候的制约，从而缩短作物的生长周期，提高作物的产量，获得一定的经济效益。 我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题，但随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业的发展将向着地域化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂农业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。 二、温室控制系统的控制要求 该温室大棚的控制需要满足以下要求：当温室大棚内的温度和湿度发生变化时，该系统能够进行实时的调节，控制电机带动卷帘门和通风口的大小，来调节棚内的温度和湿度，来维持作物的正常生长。本系统利用单片机作为主控机，对温室内的温度和湿度进行实时的监测和调控，以满足温室内植物生长的环境要求。 1、温湿度实时、准确的显示。通过单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集,采用湿敏电容HS1100对适度参数进行采集，通过单片机AT89C51对采集到的数据进行处理，由LCD显示屏对当前的温度值和湿度值进行显示。 2、键盘输入并显示。操作人员可根据不同作物的不同时期的最适宜生长环境将温度值和湿度值由键盘输入并且由显示器进行显示。便于调节作物在不同生长期所需的最适宜生长环境，以满足不同用户的需求。 3、超限报警功能。报警模块具有两项功能，即为报警灯和声音报警。当采
控制系统实例32个
开环控制系统方框图19例 1、水泵抽水控制系统 2、家用窗帘自动控制系统 输入量 （给定量） 控制器 执行器 被控对象 输出量 （被控量） 控制量 输入量 （接通电源） 控制器 （控制电路） 执行器 （水泵） 被控对象 （水管） 输出量 （水管排出水） 控制量 （水流量） 输入量 （天亮或暗） 控制器 （光的检测装置） 执行器 （电动机） 被控对象 （窗帘） 输出量 （窗帘开或闭） 控制量 （转动）
3、宾馆自动门控制系统 4、楼道自动声控灯装置 5、游泳池定时注水控制系统 6、十字路口的红绿灯定时控制系统 输入量 （人热辐射发出的信号） 控制器 （控制电路） 执行器 （电动机） 被控对象 （自动门） 输出量 （门开或闭） 控制量 （转动） 输入量 （设定注水的时间） 控制器 （定时器） 执行器 （进水门阀） 被控对象 （游泳池） 输出量 （游泳池的水位） 控制量 （水流量） 输入量 （设定亮、灭时序） 控制器 （电脑） 执行器 （时序控制装置） 被控对象 （红绿灯） 输出量 （灯亮、灭时序） 控制量 （电流） 输入量 （有无声音） 控制器 （声电传感 执行器 （触点延时开关） 被控对象 （楼道灯） 输出量 （灯亮或灭） 控制量 （电流）
7、公园音乐喷泉自动控制系统 8、自动升旗控制系统 9、宾馆火灾自动报警系统 输入量 （音乐信号） 控制器 （声控装置） 执行器 （阀门） 被控对象 （喷嘴） 输出量 （喷水与否） 控制量 （开、关） 输入量 （烟雾信号） 控制器 （感烟控制装置） 执行器 （报警电路） 被控对象 （报警部件） 输出量 （报警信号） 控制量 （电流） 输入量 （定时时间） 控制器 （定时装置） 执行器 （电动机） 被控对象 （滑轮、国旗） 输出量 （升旗速度） 控制量 （转动）