自控与控制

<<自动控制理论>>

课程学习指导

与解题指导

理工学院自动化系

二零零三年七月

1

第一章 自控理论基本概念

本章作为绪论，已较全面地展示了控制理论课程的全貌，叙述了今后在课程的学习中要进行研究的各个环节内容和要点，为了今后的深入学习和理解，要特别注意本章给出的一些专业术语及定义。

1、基本要求

（1）明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。

（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制。

（3）初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式。

（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式。

（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 2．内容提要及小结

（1） 几个重要概念

自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行。

自动控制系统 指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和。共同构成控制系统，对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节器。

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项目号：CPENC-DD08065 技术规格书 三塘湖油田原油外输管道工程 仪表、自控设备和控制系统通用 文件号： SPC-0000仪00-01 CADD号： 设计阶段：施工图 日期：2008，9，25 第 1 页 共 22页 0版 仪表、自控设备和控制系统通用 （文件号：SPC-0000仪00-01） 编 制 校 对 审 核 审 定 由中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司发布，仅适用于三塘湖油田原油外输管道工程 技术规格书 文件号：SPC-0000仪00-01 第 2 页 共 22 页 版次： 0版 三塘湖油田原油外输管道工程 仪表、自控设备和控制系统通用 目 录

1.0 概述 .......................................................... 3 2.0 技术要求 ...................................................... 14 3.0 检验与测试 .................................................... 18 4.0

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：

自控控制原理习题_王建辉_第2章答案

2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大

倍数。

W(s)

b0s

mn

b1s

m 1n 1

bm 1s bm an 1s an

a0s a1s

m

K Tis 1 W(s)

i 1

T

j 1

m

n

其中K

s 1 j

bman

Kg s zi W(s)

i 1

s

j 1

n

pj

其中Kg

b0a0

传递函数分母S的最高阶次即为系统的阶数， zi为系统的零点， pj为系统的极点。K为传递函数的放大倍数，Kg为传递函数的根轨迹放大倍数。

2-24 已知一系列由如下方程组成，试绘制系统方框图，并求出闭环传递函数。

X1(s) Xr(s)W1(s) W1(s)[W7(s) W8(s)]Xc(s)X2(s) W2(s)[X1(s) W6(s)X3(s)]X3(s) [X2(s) Xc(s)W5(s)]W3(s)Xc(s) W4(s)X3(s)

解：由以上四个方程式，可以得到以下四个子结构图

1．

X1(s)=Xr(s)W1(s)- W1(s)[ W7(s)- W8(s)]Xc(s)

Xr

c

2.

X2(s)= W2(s)[ X1(s)- W6(s)X3(s)]

自控控制原理习题_王建辉_第2章答案

1．1 Introduction

In the first part of this chapter，after a general introduction． The concepts of open-loop and closed—loop control are discussed in the context of a water level control system . 本章第一部分，大体的介绍之后在液位控制系统的内容中介绍的开环控制和闭环控制的概念This example is then used to introduce fundamental considerations in control system analysis and design．这个例子随后被用作介绍控制系统分析和设计的基本思想

In the second part of the chapter，Laplace transforms are discussed and used to define the transfer function of a system．This is a linearized model of the dyna

自控控制原理习题 答案

3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9

控制系统的时域如何定义？

系统的动态过程与系统的极点有什么对应关系？ 系统的时间常数对其动态过程有何影响？ 提高系统的阻尼比对系统有什么影响？

什么是主导极点？ 主导极点在系统分析中起什么作用？ 系统的稳定的条件是什么？ 系统的稳定性与什么有关？ 系统的稳态误差与哪些因素有关？ 如何减小系统的稳态误差？

1

s(s 1)

3-10 一单位反馈控制系统的开环传递函数为Wk(s)

试求： （1） 系统的单位阶跃响应及性能指标 %,tr,ts,和 ; （2） 输入量xr（t）= t 时，系统的输出响应；

（3） 输入量xr (t) 为单位脉冲函数时，系统的输出响应。

2

1 n

解：（1）Wk(s)

s(s 1)s(s 2 n)

2

比较系数：得到 n 1 n 1，2 n 1， 0.5

0.5

2

% e

1

100% e

1 0.52

100% 16.3%

tr

arccos0.5 1.0472(rad) 其中： arccos

2

n

所以tr

3

3.14 1.0472

2.42(s) 22

n 0.5

3

6(s)(5%

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

题 目：楼宇自控中空调设计及DDC

控制器的合理配置

院 系：网络教育学院

专 业：电气工程及其自动化 姓 名： 范平武 指导教师： 周利军

西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院

院系 网络教育学院 专 业 电气工程及其自动化 年级 2006-7班 学 号 06931107 姓 名 范平武 学习中心 成都 指导教师 周利军

题目 楼宇自控中空调设计及DDC控制器的合理配置

指导教师

评 语

是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人

评