自动控制实践讲义

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1、自动控制实验讲义自动控制实验讲义第一讲第一讲 前言前言第一节第一节 本课程内容本课程内容自动控制技术是当代最活跃、发展最快的学科之一，是由控制理论、自动 化技术工具及控制系统实验三部分组成，控制系统实验在自动化实践中占有十 分重要的地位。 一般来说，设计一个自动控制系统，要经过以下几个步骤： 1、确定任务与悼念所有可能的资料； 2、建立数学模型； 3、性能分析，如稳定性、可控性、可观测性等； 4、选定控制规律(或称策略)，亦称综合问题； 5、进行仿真(模拟)实验； 6、修改与调整设计，建立实际系统； 7、调查与试运行 上述步骤，总的来说涉及三个方面的问题， 即： 1、控制理论；2、自动化技术工

2、具；3、控制系统实验。 控制理论是构造控制系统的理论基础，自动化技术工具是构造控制系统的 物质保证，控制实验则是开发和研究控制系统性能必不可少的手段。 本课程即介绍自控实验的一些方法，并主要通过动手来体会。 控制系统实验包括静态实验与动态实验。 静态实验：在控制系统静态下各种性能参数的测试与调试。 动态实验：控制系统对输入信号的响应特性以及动态参数的测试与调整。 例： 过渡过程品质的测试， 特性测试，时间常数的测试，实物仿真等。本课程在同学们已有控制理论的基础的前提下，介绍一下自动化工具的概 况，并介绍对象特性的 测定法，PID 参数的实验整合方法，然后是进行实验。1、小动率随动系统实验； 2

3、、数字随动系统实验； 3、电阻炉设备控制系统实验。第二节第二节 本课程要求本课程要求1、成绩评定 实验及实验报告 60% 自动控制系统设计 40% 2、实验前预习准备 3、实验过程4、实验报告 16 开纸第一章第一章第第 1 节节 自动化技术工具概述自动化技术工具概述自动化技术工具是构造控制系统的物质保证，这几十年发展极为迅速，已 形成了完整的产品体系。每个从事自动控制工作的技术人员，都应掌握尽可能 多的造化技术工具，以便合理地选择和正确地使用它们，组成经济可靠、性能 优良的自动控制系统。 例： 去广州控制理论 路线自动化技术工具 交通工具自控实验 交通工具的使用方法传真器，检测机构 SeNs

4、or 自动化技术工具控制器 CONTROLLER 执行机构 Sercosyseten一、传感器一、传感器(检测机构检测机构) 1.测量角度 电位器、机、变压器、光电磁盘 2测量转速：测过电机 3测温：热电，热敛电阻， 4测压力：弹性式、平衡式、固体式。 5测量：节资式、容积式、涡轮式、电磁式、超声波式 6液：浮力式、静压式、电容式、超声波式。 7成分：队值、含氧量。 8擦伤：YX超声波。 二、执行机构： 1 气动执行器 2 液压执行器 3 电动执行器 三、控制器（调节器 Controller） 1电动单元组合仪表 我国生产的电动单元组合仪表，到目前为止，已有了三代产品，它们分别 为：DDZ-：

5、六十年代中期生产的以电子管与磁放大器为主。DDZ-：七十年代初开始，以晶体管为主。DDZ-：八十年代初开始，以线性集成电路为主，具有安全火花防爆性能。DDZ电（Dian）单（Dan） ，组（Zu） 。单元组合仪表必须要统一的联络信号DDZ-，DDZ-中采用 010mADDZ-采用国际统一标准（IEC）420mADC 15VDC 仪表的基本技术指标 1）精确度 模拟式仪表的合理精确度，应该以测量范围中最大的绝对误差和仪表的测 量范围之比来衡量，这种比值称为（相对于）的百分误差。 例：某设计的刻度由-50+150，最大误差不超过 3，则其相对百分百 分误差为：%5 . 1501503仪表工业规定，

6、去年上式中相对百分误差“%” ，为仪表精致 ，如 0.1 级， 0.2 级，0.5 级，1.0 级，1.5 级，2.5 级。 2)灵敏度和灵敏阀值分解力限 灵敏度表示测量仪表对被测参数的敏感程度，常以仪表输出，例如指示装 置的直线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比来表示，即x灵敏度式中 =仪表指示装置的直线位移或角位移。=被测参数的变化值。x 灵敏限：指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。 3)变差 在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参量反复测量(正行程和反 行程时)所产生的最大差值与测量范围之比称为变差。 2、可编程控制器(PLC) Program mable Logic

7、al Contoller 可编程控制器是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备。它以顺序控 制为主，四路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等动 能，既能控制开关量，也能控制模拟点，控制规模从几十点到上千个点。它具 有高可靠性，能适应工业现场的高温、冲击、振动等恶劣环境，用于控制机械 设备，生产流水线和生产过程。它还能与计算机进行通信，构成计算机集电处 理或分布式控制监测系统。 控制图编程语言：PLC 结构示意图5、工业控制计算机 随着计算机的发展特别是微型机的发展，工业控制计算机开始大量使用， 目前觉的有 UME 总线，STD 总线及 PC 总线，24 小时联络连续运行。CP

8、URoM/RAMDgital I/OInductry I/OAnaloy I/OOther Modnle总线busSTD 是英文 Stanolarol 的缩写。 它是 56 线的同步总线同，包括 6 根逻辑电源线，8 根双同数据线，16 根地 址线，22 根控制线(3 根为双面)，4 根辅助电源线。 小板结构，尺寸：114.3165.1mm2作业：1、介绍一种较新的工业计算机或集散系统产品，要求：功能/技术/指标特 点。 2、介绍一种较新的可编程控制器产品或四路调节器。4、集散控制系统第二章 控制系统测试仪器的进展 一、时域法使用的进展 电导仪、信号发生器、模拟机、实验台 二、频域仪器的进展

9、1、直接法仪器 1949 年，苏联做了国际上第一套超低频成套仪器，范围 0.01100Hz 我国六十年代 0.001100Hz 相位 2 我国七十年代 0.001100Hz 1.5% 0.51由三台使用组成： XD5 超低频信号发生器DS23 超低频峰值电压表PS34 超低频相位频率计 2、补偿法仪器六十年代 XFD-8 超低频信号发生器XYD-1 超低频称相器SBD-6 低频双线尔波器 现已不用 3、相关滤波法仪器 目前国内 BG6 超低频频率特性测试仪 频率范围：0.00001159.9Hz 精度： 0.05% 相位 0.2 BT6 与 BB3 调制解调器的使用，可进行交流载波系统的测试

10、国际上 英国 Solartron 公司 三十年历史 1973 年的 1170 系列 八十年代 1250 系列 1250 频率响应分析仪 10Hz65.5K 12501 信号发生器 12502 调制解调器 12503 绘图仪 此外 英国 SE 公司 SE2450 频率特性分析仪 10.0001Hz10kHz日本 NF 公司 S-5720 型频率响应分析仪 10.0001HH100kHz 三、统计法仪器的进展 1、噪声发生器： 利用跟随机信号发生器，源滤波可产生的噪声，日本 NF 公司 WG-721A 2、伪随机信号发生器 最大 二元系列，m 系列 英国 Solartron JM1861 (七十年

11、代) 美国 HP 1930A 日本武田理研公司 TR-4200 系列的 TR-4203 国产 XT21 结构与英国 Solartron 相同 3、相关仪 智能现在 ，国产 BUI 型 BU2 型实时相关仪 4、功率谱分析仪 5、分析功率谱函数专用。 6、FFT 分析仪 FFT 分析仪是综合性分析仪 功能：实数与复数 FFTIFFT 自(互)谱高度 自(互)相关，差积， 数字滤波，概率密度、传函、频率特性、相平函数、波形平均、 捕捉 六十年代问世以来，已有七十学科产品， 在用通用漆智能检测的系统，法国 RS-600 美国 HP5441C 日本 JEF-16AN 微处理机内核心，日本 CF-400

12、 ，900 CF-500 法国 IW-110 专用芯片的 美国 SD-345 375750 日本 式同理研 TR9405 国产 1978 HA1 现在发展为 UFT第二节 实验技术的进展 一、控制系统实验的分类 静态实验：是指在静态情况下的各种性能参数的测试与调整。 动态实验：是指对输入信号的响应特性及动态参数的测试与调整。 二、控制系统实验方法 （一）时域法 1、脉冲响应法2、阶跃响应法（二）频域法 1、直接法2、补偿法3、相关滤波法 利用频率特性测试仪（三）统计法： 三条优点： 1、实验可在系统正常转运状态下进行； 2、可避免不希望的噪声影响； 3、出现能量存在问题，也不影响。炉温控制系统

13、数学模型进入系统的热量RdtId2 1CMdTd2？21ddRdtICMdT2RCMu CMRI dtdT 221)(TSskesGPID 参数的工程整定法 Kp第三讲 对象特性的实验测定前言设计一个自动控制系统，首选应对被控对象的特性作全面的分析和测定。 一般的研究方法有两种： 1、分析法：通过分析对象的运动方式、过程要，机理、物料或能量平衡关 系，运用各种物理、化学的定律求得数学模型，即对象动态特性的微分方程式， 此法对于简单对象或系统各环节的特性可适用。 2、实验法：通过实验测定，获得实验数据，然后对数据进行加工整理，而 求得对象的微分方程或传递函数。 目前，用于测定对象动态特性的实验方

14、法主要有三种： 1）时域法 此方法主要是求取对象的飞升曲线，或分波响应曲线。 （阶路响应曲线） 此方法不需要特殊的信号发生器，通常可利用控制系统中的原有仪器或设 备，方法简单、测试工作量较小，故应用甚广。缺点是测试精度不高，且对生 产有一定的影响。 2）频域法 在对象输入端加正弦波，测出输入量与输出量之幅度比与相位差，获得对 象的频率特性。 此法精度较高，对生产影响小，但需专门设备、测试工作量大。 3）统计法 在对象输入端加上某种随机信号或直接利用对象输入本身存在的随机噪音， 观察记录由它引起的对象各参数的变化，从而研究对象的动态特性。 所用的随机信号有自噪声，随机开关信号等。 此方法精度高，

15、对生产不产生影响，试验结果不受干扰影响，但需大量数 据，用计算机或相关仪器处理。第一节 时域法 多数工业对象的特性常可用具有纯滞后的一阶或二阶非周期环节来近似描 述，即1)(TSKesGs或 ) 1)(1()(21STSTKesGs有时也有少数表达为TSKesGs )(或 ) 1()(21STSTKesGs时域法首选应先假定好对象的描述形式，怎样假定这样取决于对控制对象 的分析或经验。 例 水槽水位的动特性正常工作状态： 020100hhQQ动态方程： dtdhFdtdvQQ21F为水槽横断面积hhhQQQQQQ022021101则 dthdFQQ21取决于阀 1 的开度，1QKQ1取决于阀 2 的阻力，2QRshQ2代入 dthdFRshK或 RsKhdthdFRs写成标准形式RsKKFRsTKhdthdT传出： 1)()( TSK ssH 这是个一阶惯性环节 例 一、由阶跃响应确定纯滞后一阶环节参数。 传出： TSKesGs1)(飞升曲线如下