edgar自控讲义

自动控制原理 Matlab仿真实验指导书

信阳师范学院物理电子工程学院

自控教研室编制

目 录

自动控制原理Matlab仿真实验要求............................3 实验报告封皮模板..........................................................4 实验一 控制系统数学模型在Matlab中的表示........5 实验二 线性系统的时域分析......................................8 实验三 线性系统的根轨迹分析................................11 实验四 线性系统的频域分析....................................13 实验五 离散系统的分析............................................16 实验六 非线性系统的分析........................................18

2

自动控制原理Matlab仿真实验要求

1、实验前针对各实验的“实验内容”预习并编制好程序；

2、上机调

Edgar Allan Poe（1809-1849）

埃德加·爱伦·坡

Synopsis:

Edgar Allan Poewas an American writer, editor, and literary critic. Poe is best known for his poetry and short stories, particularly his tales of mystery and the macabre. He is widely regarded as a central figure of Romanticism in the United States and American literature as a whole, and he was one of the country's earliest practitioners of the short story. Poe is generally considered the inventor of the detective fiction genre and is further credited with contributing to the em

自动控制原理：以自动控制系统为对象，学习研究从各类控制系统所抽象出来的，具有共性的规律（组成原理，数学模型，各种分析方法及基本设计方法）。抽象性、综合性较强，用较多的数学工具解决应用问题。

第一章

1.1 引言

1.1.1 基本概念

（1）自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动的按预定规律变化的过程，叫自动控制。

①不需要人直接参与；②被控量按预定规律变化。

（2）自动控制系统：为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体

①实体；②有机组合

1.1.2 自动控制技术及应用

自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。

1.1.3 自动控制理论的发展 一般可分为三个阶段：

（1）第一阶段。时间为本世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。

三大分析方法:时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法.

（2）第二阶段。时间为本世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。

（3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“智能控制”方向发展。

1.1.4 术语 给定信号 e(t) 扰动信号 输出信号c(t) 控制器 执行机构 对象 _ f(t)

1、 反馈元件将控制器的输出信号反馈到放大元件前的比较原件，以抵消偏差信号，及以放大元件的输出制约其输入，又称为负反馈信号。

2、 按信号的结构特点分类：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。按给定信号的特点分类：①恒值控制系统，②随动控制系统，③程序控制系统。

反馈控制系统一定是闭环控制系统。前馈—反馈复合控制系统，当扰动发生后，补偿信号作用到控制器后，能及时消除扰动对被控量的影响，而反馈回路的最用将保证被控量能较精确地等于给定值，改善被控量的控制精度。

3、 被控量等于给定值，是生产过程中用的最多的一种控制系统，例如：发电机电压控制，电动机转速控制，电力网的频率（周波）控制，各种恒温、恒压、恒液位等控制都是属于恒值控制系统。

4、 随动控制系统又简称随动系统，它是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，例如：运动目标的自动跟踪，跟踪卫星的雷达天线控制系统，工业控制中的位置控制系统，工业自动化仪表中的显示记录等均属于随动控制系统。

5、 线性定常系统 程序控制系统，被控量的给定值是一个已知的时间函数，控制的目的是要求被控两按确定的给定值的时间函数来改变，例如:机械加工中的数控机床，加热炉自动温度控制系统均属于程序控制系

自控

实 验 报 告

实验课程： 自动控制理论实验 学生姓名： xxx 学 号： 123456

专业班级： 自动化

2014年 1 月1 日

实验一 线性系统的时域分析

一. 实验要求

1． 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式 2． 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响

二．典型环节的方块图及传递函数 方 块 图 传递函数 比例 （P）积分 （I） 比例积分 （PI） 比例微分 （PD） 惯性环节 （T） G(S)?UO(S)?K Ui(S)UO(S)1 ?Ui(S)TSG(S)?G(S)?UO(S)1?K(1?)Ui(S)TS G(S)?UO(S)?K(1?TS)Ui(S) G(S)?UO(S)K ?Ui(S)1?TS比例积分微分（PID） G(S)?UO(S)Ui(S)KpTiS?KpTdS ?Kp? 三．实验内容及步骤 1)．观察比例环节的阶跃响应曲线：

一. 填空题

1. 自动控制系统分类方法很多，其中的部分划分为：恒值调节系统和随动系统、 线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统、连续系统和离散系统、 开环系统和闭环系统。

2. 一般自动控制系统包括：给定元件、检测元件、比较元件、放大元件、执行元件、控制对象、反馈元件。

3. 对于一个单输入单输出的线性定常连续系统，其时域数学模型通常用 微分方程描述，频域模型用传递函数描述。

4． 斯判据通过劳斯阵（Routh阵） 判断系统稳定与否，并可以指出特征方程在复平面右半部上根的个数，它等于劳斯阵第一列元素符号改变的次数。 5．系统的时域响应有两部分构成：动态响应和静态响应。（瞬态响应、稳态响应） 6．控制系统的瞬态响应的主要性能指标有：上升时间、峰值时间、超调量、调节时间和振荡次数。

7．通常按照控制系统是否设有反馈环节来进行分类；设有反馈环节的，闭环控制系统；不设反馈环节的，则称为开环控制系统。

8．经典控制理论中，常用的数学模型为微分方程、传递函数和系统框图。它们反映了系统输出量、输入量和内部各变量之间的关系，也反映了系统的内在特性。 9．线性定常系统稳定的充分必要条件是特征方程的根全部

第一章 控制系统导论

班级_________ 学号_________ 姓名_________

1-1 下图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。

解：

1-2 根据图所示的电动机速度控制系统

工作原理图，完成：

(1) 将a，b与c，d用线连接成负

反馈状态；

(2) 画出系统方框图。 解：

1-3 图 (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(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什么?

第二章 控制系统的数学模型习题

班级_________ 学号_________ 姓名_________

2-1 试建立下图所示各系统的微分方程。其中电压ur(t)和位移x(t)为输入量；电压uc(t)和位移y(t)为输出量；R（电阻），C（电容），k（弹性系数），和f（阻尼系数），均为常数。

解：

2-2 试证明下图所示的力学系统(a)和电路系统

第七章污水处理厂自动化与测量仪表的管理与维护 7.1污水厂运行工艺参数的在线测量

随着科学技术的发展和污水处理工艺的要求，污水处理过程自动化控制也越来越多，也就需要大量的现场在线测量仪表的应用。在污水处理过程中，需要测量的参数是多种多样的，例如污水处理厂的进、出水温度，曝气池中的溶解氧，污水中的PH值，污泥浓度、浊度等。测量仪表种类很多，结构各异，因而分类方法也很多。按仪表使用的能源和信号分类，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。按安装方式分类，可分为架装仪表和盘装仪表；按组成形式分类，可分为单元组合式仪表和基地式仪表；按所测量的参数分类，可分为压力仪表、液位测量仪表、温度测量仪表、流量测量仪表、成分分析仪表。 7.2测量仪表的日常维护与管理

自动化检测仪表应用于污水处理领域相比于其他生产领域要晚的多，从设计、施工、安装到日常管理及仪表人员的操作、维修、维护水平都需要进一步提高。对于污水处理厂在线仪表的日常维护、保养，定期检查，标定调整，是保证其正常运行的重要条件。

由前面介绍可以看到，在污水处理厂中应用的仪表种类很多。而每种仪表的工作原理以及调、校方法各不相同，因此对于每种具体的仪表，首先应详细认真阅读其使用维护操作手册，并按各自说明要求进

楼宇设备自控系统

一、自控系统设计思路

1）被控设备系统

大厦内被监控的设备系统如下：

1、空调子系统，包括冷冻机组系统、空调机组（包括新风机组）；

2、给排水子系统

3、送排风子系统

4、变配电子系统

5、配电照明子系统

6、电梯子系统（因产品不同接口也不同，设计仅考虑子系统集成）

2）主要子系统控制方法和功能

1、空调子系统

本子系统由冷冻机房设备，末端装置包括空调机、新风机和风机盘管组成。冷冻机房设备包括冷水机组、空调水循环泵、冷却水泵、冷却塔、热交换器和旁通管路系统组成。

控制方案和功能如下：

A、根据冷冻机组运行要求对冷却水泵、空调水循环泵机、冷却塔风机及冷冻机组启动停止顺序进行全自动、半自动和手动进行逻辑控制。

B、根据空调供回水温差和空调水流量计算即时的系统制冷或制热量，实时显示系统负荷率，为冷冻机组、热交换器半自动或全自动的启停和台数控制提供依据。

C、因末端装置采用调节阀控制温度，空调水系统为变流量系统，而冷冻机组蒸发器需保持恒定的水流量流过，以保证设备运行在最佳工况。分析水泵的Q-H特性可以发现在一定范围内，流量与压差近似成线性关系，本系统通过检测空调供回水压差并与设定值比较进行PID运算来调节旁

通阀来实现水泵的调节流量恒定，压差的控制精度为10%。为获

自控原理实验

1，实验名称

控制系统的模型与转换 2，实验目的

1）熟悉matable的运行环境

2）掌握控制系统模型的建立与转换 3，实验结果

s3?4s?2 G(s)?3223s(s?2)[(s?1)?2s?5]

z2?0.568 H(z)?，T=0.1s

(z?1)(z2?0.2z?0.99)

G(s)?8(s?1?j)(s?1?j)

s2(s?5)(s?6)(s2?1)

(z?1?3.2)(z?1?2.6) H(z)?，T=0.05s

z?5(z?1?8.2)

设描述系统时域行为的高阶微分方程为y(3)?(t)?4y?(t)?5y(t)?2u(t)，试建立其(t)?13?y

状态空间模型并将其输入到matlab环境。

自控原理实验

1，实验名称

线性系统分析 2，实验目的

1）熟悉matable的运行环境

2）掌握线性系统分析 3，实验结果

G(s)?1s?2s?s?232

G(s)?3s?1

s2(300s2?600s?50)?3s?1

H(z)??3z?2 32(z?0.2z?0.25z?0.05)

H(z)?z?52.12z?2?11.76z?1?15.91 ?4