控制系统设计基础

2015 年控制综合复试 控制部分控制部分 一 一 根据人体红外辐射传感器原理 设计一个自动门控制系统 1 画出系统组成方框图 不得少于 4 个环节 人体信号 光学系统 热释电红外传感器 信号处理 自动门控制电路 开关 2 介绍系统运行原理 不多于 50 字 3 说出这是按什么控制的 不多于 20 字 4 如果将人换成工厂里来了一辆运输车什么来着的 修改哪个环节最好 不多于 20 字 二 二 水池里的水有时会太多 有时会太少 设计一个液位控制系统 1 画出系统组成结构图 2 介绍控制装置各个原件 对应什么 有什么用 期望液位 比较器 控制器 机械或气动装置 执行器 阀门 被控量 水池液位 检测装置 传感器 三 三 对于一阶惯性系统 根据系统控制要求选择合适的控制器 可选择的控制器有 P I D PI PD PID 有 2 小问 1 追求较好的控制速度 容许有稳态误差 期望无超调 说出理由 不多于 50 字 2 期望较好的控制速度 不容许有稳态误差 期望无超调 说出理由 不多于 50 字 传感器与检测部分传感器与检测部分 2015 年控制综合复试 一 填空题 1 电涡流传感器那里的 线圈下方放置金属导体时 等效电阻会怎样 变大 等效 电感会怎样 变小 等效品质因数会怎样 变小 2 电容式传感器根据不同的结构分为哪 3 类 变极距 变面积 变介电常数 3 光纤传感器的组成 纤芯 包层 保护套 光在光纤中传播 入射角与折射率应 满足 光在包层和纤芯的分界面上发生全反射 二 应变片 1 什么是金属导体的电阻应变效应 导体的电阻在受力产生变形时发生变化的现象 2 金属导体标准阻值 R 为 1200 欧姆 传感器灵敏度 K 为 2 应变 是几百微应变 求 电阻变化了多少 R R K 3 一个等强度悬梁臂 上面贴 2 块应变片 下面贴 2 块应变片 组成全桥 从上方施 加压力 画出电桥的电路 并标出阻值的变化情况 电源电压 10V 求输出电压 三 热电偶 1 说出热电偶的测温原理 热电势的组成及原因 接触电势和温差电势 2 计算题 和书上一个例题一样 数值不一样 求热端温度 T 给你 E Tn 0 和 E T Tn 求 T 会给一张温度表 PS 书上有 要会查表 面试 面试 第一 是英文翻译 是现代控制理论的 第二 是专业问题 1 用了 PD 调节器时 出现了较大的震荡 是什么原因 P 的增益设的太大 2 增大无阻尼固有频率会有什么好的影响 但是这样又会有什么不利的影响 2015 年控制综合复试 3 非线性有哪些具体形式 对系统有什么影响 4 李雅普诺夫稳定性的本质是什么 李雅普诺夫稳定判据可以判别非线性系统吗 5 什么是静稳定飞机 什么是静不稳定飞机 静稳定性 静不稳定 静中立稳定 动稳定 动不稳定 动中立稳定 6 阻尼器的作用是什么 以飞机角运动作为反馈信号 稳定飞机的角速率 增大飞机运动的阻尼 抑制振荡 7 飞机飞行时需要用到哪些传感器 驾驶杆力传感器 驾驶杆位移传感器 脚蹬位移传感器 温度传感器 压力传感器 加速 度传感器 迎角传感器 8 什么是可观性 当系统不可测的时候 怎么样控制系统 9 谈谈对飞行控制系统前景及未来的发展 采用光传操纵系统 利用光纤数据传输技术 抗电磁干扰 防雷电 光线本身电隔离性好 可以减轻控制系统的重量和体积 采用只能空感知系统 在变化的环境下能自主完成目标 的控制 采用功率电传技术 涌泉点系统代替飞机集中式液压和气动系统 在操纵免除直 接将电功率转换成机械功率 安装维护简便 降低油耗 提高飞行操纵可靠性和飞机生存 能力 便于实现一体化控制 10 导航制导与控制的关系 导航 简单地说就是确定飞行器的位置和速度信息 制导就是把飞行器看成一个质点 控 制其从一个位置飞行到另一个期望的位置 控制就是把飞行器看成一个刚体 按照制导的 指令改变其姿态和轨道达到期望值 概括地说 导航就是确定与期望值的偏差 制导就是 消除偏差的策略 控制就是执行策略的手段 导航 Navigation 是指利用卫星定位 将物体 之位置及移动路径于接收器上显示出来 以指引使用者行进路径及方向 控制是指控制主 体按照给定的条件和目标 对控制客体施加影响的过程和行为 导引和控制飞行器按一定 规律飞向目标或预定轨道的技术和方法 区别就像别人问路 导航就是给他指路 制导就 是给他带路 制导是导引和控制飞行器按一定规律飞向目标或预定轨道的技术和方法 制 2015 年控制综合复试 导过程中 导引系统不断测定飞行器与目标或预定轨道的相对位置关系 发出制导信息传 递给飞行器控制系统 以控制飞行 导航是引导某一设备 从指定航线的一点运动到另一 点的方法 11 微分环节在什么情况下可以转化为比例环节 PID P 控制规律 比例控制的输出信号与输入偏差成比例关系 偏差一旦产生 控制器立即产生控制作 用以减小偏差 是最基本的控制规律 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 I 控制规律 对于一个自动控制系统 如果在进入稳态后存在稳态误差 则称这个系统是有差系统 为了消除稳态误差 必须引入积分控制规律 积分作用是对偏差进行积分 随着时间的增 加 积分输出会增大 使稳态误差进一步减小 直到偏差为零 才不再继续增加 因此 采用积分控制规律的主要目的就是使系统无稳态误差 提高系统的准确度 积分作用的强 弱取决于积分时间常数 TI TI 越大 积分作用越弱 反之则越强 由于积分引入了相位滞后 使系统稳定性变差 因此 积分控制一般不单独使用 通 常结合比例控制构成比例积分 PI 控制器 D 控制规律 在微分控制中 控制器的输出与输入偏差信号的微分 即偏差的变化率 成正比关系 可减小超调量 并能在偏差信号的值变得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正信 号 从而加快系统的动作速度 减少调节时间 微分控制反映偏差的变化率 只有当偏差随时间变化时 微分控制才会对系统起作用 2015 年控制综合复试 而对无变化或缓慢变化的对象不起作用 因此微分控制在任何情况下不能单独与被控制对 象串联使用 需要说明的是 对于一台实际的 PID 控制器 如果把微分时间 TD 调到零 就成为一 台比例积分控制器 如果报积分时间 TI 放大到最大 就成了一台比例微分控制器 如果把 微分时间调到零 同时把积分时间放到最大 就成了一台纯比例控制器 由于 PID 控制规律综合了比例 积分 微分三种控制规律的优点 具有较好的控制 性能 因而应用范围更广 PID 控制器可以调整的参数是 KP TI TD 适当选取这三个 参数的数值 可以获得较好的控制质量 实际应用过程中很多工程技术人员对 PID 参数整 定不是很数量 这是应选择自整定功能强和控制算法先进的人工智能调节器 方便获得最 佳的 PID 参数 在选择 PID 控制规律时 应根据被控对象的动态 静态特性以及实际控制 要求和控制品质来选择 比例控制规律应用 优缺点 比例控制结构简单 控制及时 参数整定方便 控制结果又稳态误差 适用场合 比例控制规律适用于对一阶惯性对象 负荷变化不大 工艺要求不高 如果用于压力 液位 串级副控回路等场合 可采用比控制 比例积分控制规律应用 优缺点 比例积分控制规律能消除稳态误差 积分作用控制慢 会使系统稳定性变差 适用场合 比例积分规律适用于对象滞后较大 负荷变化较大 但变化缓慢 要求控 制结果无稳态误差场合 比例积分规律广泛用于压力 流量 液位和那些没有大的事件滞 后的具体对象 比例微分规律应用 优缺点 比例微分规律响应快 偏差小 能增加系统稳定性 有超前控制作用 可以 克服对象的惯性 但控制作用有稳态误差 2015 年控制综合复试 适用场合 比例微分规律适用于对象滞后较大 负荷变化不大 被控变量变化不频繁 控制结果允许有稳态误差存在的场合 比例积分微分规律 优缺点 控制质量最高 无稳态误差 但参数整定较麻烦 适用场合 比例积分微分规律适用于对象滞后较大 负荷变化也较大 控制性能要求 高的场合 适用于过热蒸汽温度控制 pH 值控制等过程控制 PID 控制器介绍 国内很多仪表厂生产的调节器为经典控制算法的控制器 用在温度 控制或复杂工况时控制效果一般 建议大家使用控制算法更先进的人工智能控制器 模糊 PID 控制器等 反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端 与输入信息进行比较 并利用二者的 偏差进行控制的过程 反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来 在控制系统中 如果返回的信息的作用是抵消输入信息 称为负反馈 负反馈可以使系统趋于稳定 若其 作用是增强输入信息 则称为正反馈 正反馈可以使信号得到加强 在自动控制理论中 反馈控制 是信号沿前向通道 或称前向通路 和反馈通道进行闭 路传递 从而形成一个闭合回路的控制方法 反馈信号分 正反馈 和 负反馈 两种 为了和 给定信号比较 必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号 控制 器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信 zido 号 经运算后输出控制作用去消除 偏差 使被控量 系统的输出 等于给定值 闭环控制系统都是负反馈控制系统 反馈控制反馈控制优点 反馈控制具有许多优点 首先它为管理者提供了关于计划执行的效果的真实信息 此 外 反馈控制可以增强员工的积极性 反馈控制反馈控制缺点 反馈控制的主要缺点是时滞问题 即从发现偏差到采取更正措施之间可能有时间延迟 2015 年控制综合复试 现象 在进更正的时候 实际情况可能已经有了很大的变化 而且往往是损失已经造成了 系统本身的工作效果 反过来又作为信息指导该系统的工作 叫做反馈调节 闭环控制系统的组成 基本元部件 1 控制对象 进行控制的设备或过程 工作机械 2 执行机构 执行机构直接作用于控制对象 电动机 3 检测装置 用来检测被控量 并将其转换成与给定量相同的物理量 测速发 电机 4 中间环节 一般指放大元件 放大器 可控硅整流功放 5 给定环节 设定被控量的给定值 电位器 6 比较环节 将所测的被控量与给定量比较 确定两者偏差量 7 校正环节 用于改善系统性能 校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的 通道内 也可加于某一局部反馈通道内 前者称为串联校正 后者称为并联校正或反馈校 正 特点 1 系统输出量直接或简接地参予了对系统的控制作用 2 有负反馈环节 并应用反馈减小或消除误差 3 当出现干扰时 可以自动减弱其影响 4 系统可能工 作不稳定 如何实现 pid 控制 在一些系统中 需要进行 PID 控制 如一些板卡采集系统 甚至在一些 DCS 和 PLC 的系统中有时要扩充系统的 PID 控制回路 而由于系统硬件和回路的限制需要在计算 机上增加 PID 控制回路 在紫金桥系统中 实时数据库提供了 PID 控制点可以满足 PID 控 制的需要 2015 年控制综合复试 进入到实时数据库组态 新建点时选择 PID 控制点 紫金桥提供的 PID 控制可 以提供理想微分 微分先行 实际微分等多种控制方式 进行 PID 控制时 可以把 PID 的 PV 连接在实际的测量值上 OP 连接在 PID 实 际的输出值上 这样 在实时数据库运行时 就可以自动对其进行 PID 控制 PID 参数的调整 在 PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定 PID 参数当然是最理想的方 法 但是在实际的应用中 更多的是通过凑试法来确定 PID 的参数 增大比例系数 P 一般将加快系统的响应 在有静差的情况下有利于减小静差 但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调 并产生振荡 使稳定性变坏 增大积分时间 I 有利于减小超调 减小振荡 使系统的稳定性增加 但是系统静 差消除时间变长 本文来自 增大微分时间 D 有利于加快系统的响应速度 使系统超调量减小 稳定性增加 但系统对扰动的抑制能力减弱 在凑试时 可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势 对参数调整实行先比例 后积分 再微分的整定步骤 首先整定比例部分 将比例参数由小变大 并观察相应的系统响应 直至得到反 应快 超调小的响应曲线 如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内 并且对响应曲 线已经满意 则只需要比例调节器即可 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求 则必须加入积分环节 在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值 然后将已经调节好的比例系数略为缩小 一般缩小为原值的 0 8 然后减小积分时间 使得系统在保持良好动态性能的情况下 静差得到消除 在此过程中 可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间 以期得到满意的控制过程和整定参数 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果 则可 2015 年控制综合复试 以加入微分环节 首先把微分时间 D 设置为 0 在上述基础上逐渐增加微分时间 同时相 应的改变比例系数和积分时间 逐步凑试 直至得到满意的调节效果 调节器有三种型号