《电气自动化控制》课件

电气自动化控制欢迎来到电气自动化控制课程本课程将带您深入了解现代工业自动化的核心技术与应用理念，包括自动控制系统的数学建模、分析与设计方法通过系统学习，您将掌握从基础理论到实际工程应用的全面知识体系，为未来在智能制造、工业自动化等领域的发展奠定坚实基础本课程注重理论与实践结合，将通过丰富的案例与实验帮助您建立完整的技术认知电气自动化基本概念电气自动化定义工业自动化意义主要应用领域电气自动化是利用电气、电工业自动化通过提高生产效电气自动化广泛应用于制造子、计算机等技术，实现生产率、产品质量和安全性，降低业、能源电力、交通运输、建过程或设备运行的自动控制与人力成本与错误率，实现规模筑楼宇、石油化工等领域，是管理，减少人工干预，提高效化、标准化生产，推动工业转现代工业的基础支撑技术率与精度型升级自动控制系统基本组成传感器将物理量转换为电信号的装置，是系统获取信息的眼睛，如温度传感器、压力传感器等控制器系统的大脑，负责信息处理与决策，如PLC、单片机、DCS等执行器系统的手脚，执行控制命令并作用于被控对象，如电动机、电磁阀等以电动机自动控制为例，系统通过电流、转速传感器采集运行数据，控制器根据设定值与实际值的偏差计算控制量，最终通过变频器等执行器调节电动机运行状态，实现自动控制现代电气自动化系统强调信息集成与智能决策，采用多级控制架构确保系统可靠稳定运行控制系统的发展简史古代自动控制公元前300年，古希腊发明水钟，实现水位自动控制工业革命时期1788年，瓦特发明离心调速器，开启现代自动控制理论的发展二战后发展1940-1960年，频域分析法和根轨迹法发展，奠定经典控制理论基础计算机控制时代1970年代起，计算机技术引入控制系统，数字控制取代模拟控制智能控制时代21世纪，人工智能、大数据与控制理论结合，控制系统向智能化方向发展开环与闭环控制系统开环控制系统闭环控制系统开环控制系统无反馈环节，输出不影响输入，系统结构简单，成本低但抗干扰能力弱，精度较低，不能自动纠正偏差典型应用定时洗衣机、电饭煲等家用电器的定时控制自动控制系统的基本类型连续控制系统离散控制系统处理连续变化的信号，如模拟量控制系统输入输出信号在时间上连续变化，系统状态处理离散状态变化的信号，如数字量控制系统系统在离散时间点工作，状态用差分方可用微分方程描述程描述•温度、流量、液位等过程控制•单片机、DSP控制系统•速度、位置等运动控制•采样数据控制系统•常用PID控制器实现•数字PID和先进算法应用现场自动化系统远程控制系统直接作用于生产现场的自动化系统，负责设备直接控制与数据采集通过网络实现远距离监控和管理的系统，实现集中监控与分散控制•PLC控制系统•SCADA系统•DCS分布式控制系统•工业互联网监控系统•FCS现场总线控制系统•云平台远程监控自动控制系统数学建模概述建模目的分析系统特性、预测系统行为、设计控制器基本建模方法理论建模、实验建模、混合建模数学模型类型微分方程、传递函数、状态空间方程电气系统建模实例以直流电动机为例，通过分析其电磁特性和机械特性，建立电枢电压与转速之间的关系模型首先利用基尔霍夫定律确定电气部分的微分方程，再根据牛顿第二定律确定机械部分的微分方程，最后将两部分联立，通过拉普拉斯变换得到系统传递函数准确的数学模型是系统分析与控制器设计的基础，在工程实践中往往需要权衡模型复杂度与精度，选择适当的简化策略控制系统的传递函数传递函数定义传递函数是描述线性时不变系统输入与输出之间关系的数学表达式，定义为系统输出拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比，在零初始条件下Gs=Ys/Xs=b_m·s^m+...+b_1·s+b_0/a_n·s^n+...+a_1·s+a_0传递函数特性传递函数是系统的固有特性，与输入信号无关极点决定系统稳定性，零点影响系统暂态响应传递函数仅适用于线性时不变系统，且只能描述系统的强迫响应，不能描述自由响应获取传递函数方法理论推导法根据物理规律建立微分方程，通过拉普拉斯变换获得传递函数实验辨识法通过测量系统的输入输出数据，利用辨识算法确定传递函数模型频率响应法通过测量系统的频率特性，反推出传递函数拉普拉斯变换及其控制应用时域函数ft拉普拉斯变换Fs单位阶跃函数1t1/s单位脉冲函数δt1e^at1/s-at^n n!/s^n+1sinωtω/s^2+ω^2cosωt s/s^2+ω^2拉普拉斯变换是将时域函数转换为复数域函数的数学方法，定义为Fs=∫[0,∞]ft·e^-stdt在控制系统中，拉普拉斯变换将微分方程转换为代数方程，大大简化了系统分析与计算工程建模常用技巧利用线性特性将复杂系统分解为简单子系统；利用终值定理和初值定理快速判断系统稳态值和初始响应；利用部分分式展开法求解逆拉普拉斯变换，获得时域解析解典型环节的传递函数一阶惯性环节二阶振荡环节纯滞后环节传递函数Gs=K/Ts+1，其中K为比传递函数Gs=ω_n²/s²+2ζω_n·s+传递函数Gs=e^-τs，表示输入信号例系数，T为时间常数特点是系统对阶ω_n²，其中ω_n为自然频率，ζ为阻尼经过τ时间后才在输出端出现滞后环节跃输入的响应呈指数变化，最终达到稳态比阻尼比决定系统响应特性，影响超调在控制系统中往往降低系统性能，增加不值量和振荡特性稳定性典型实例RC电路、热系统、简单机械典型实例RLC电路、弹簧-质量-阻尼系典型实例长输送管道中的流量控制、远系统等一阶系统没有振荡，响应平滑渐统、电机控制系统程通信控制系统等进常见控制系统数学模型机械系统建模以质量-弹簧-阻尼系统为例，基于牛顿第二定律F=ma建立数学模型若外力为F，质量为m，弹簧刚度为k，阻尼系数为c，则系统的运动微分方程为m·d²x/dt²+c·dx/dt+k·x=Ft，对应传递函数为Gs=1/m·s²+c·s+k电气系统建模对于RL电路，基于基尔霍夫电压定律，有L·di/dt+R·i=ut，传递函数为Gs=1/L·s+R；对于RC电路，有R·i+u_c=ut，C·du_c/dt=i，传递函数为Gs=1/R·C·s+1；对于RLC电路，传递函数为Gs=1/L·C·s²+R·C·s+1液压系统通常基于流体力学原理建模，热工系统则基于热传导定律建模，这些系统往往表现出明显的惯性和滞后特性时域分析基础脉冲响应阶跃响应系统对单位脉冲信号δt的响应，表征系统系统对单位阶跃信号1t的响应，常用于评的动态特性估系统性能正弦响应斜坡响应系统对正弦信号的响应，用于分析系统频系统对单位斜坡信号t·1t的响应，反映系率特性统跟踪变化信号的能力时域分析是直接研究系统对各种输入信号随时间变化的响应特性，从而评估系统的暂态性能和稳态性能在工程实践中，阶跃响应最为常用，因为它既能直观反映系统的动态特性，又便于实际测量时域响应通常分为暂态响应和稳态响应两部分暂态响应反映系统从初始状态到稳定状态的过渡过程，稳态响应反映系统最终达到的稳定状态通过分析这两部分，可以全面评价系统性能一阶系统时域响应一阶系统数学模型一阶系统传递函数一般形式为Gs=K/Ts+1，其中K为比例系数，T为时间常数时间常数T越大，系统响应越慢；K越大，稳态值越大对阶跃输入，系统响应为yt=K·1-e^-t/T·1t当t=T时，输出达到稳态值的

63.2%；当t=3T时，输出达到稳态值的95%；当t=5T时，输出达到稳态值的99%特性参数与工程应用时间常数T是表征系统响应速度的重要指标，T越小，系统响应越快在工程中，常将系统达到稳态值95%的时间3T作为调节时间的衡量标准位移控制实例电动执行机构控制阀门开度；速度控制实例直流电动机转速控制针对一阶系统，通常采用比例控制即可获得良好效果二阶系统时域响应高阶系统与近似高阶系统特点结构复杂、分析难度大、响应特性多样降阶方法特征值分解、模态分析、支配极点保留常见近似模型一阶加纯滞后、二阶加纯滞后模型高阶系统降阶思想的核心是捕捉系统的主要动态特性，忽略次要因素，从而简化分析与设计过程在工程实践中，三阶以上系统通常被视为高阶系统，这类系统的时域响应取决于其极点分布特征值分解法是将高阶传递函数分解为低阶子系统的并联或串联形式，保留主导模态；模态分析法则基于系统状态空间表达，提取主要模态特性；支配极点保留法是根据极点对系统响应的贡献大小，保留对系统动态特性影响显著的极点工程中常用的近似模型有一阶加纯滞后模型Gs=K·e^-τs/Ts+1和二阶加纯滞后模型Gs=K·e^-τs/T₁s²+T₂s+1，这些模型能够简化系统分析并保持足够的精度稳定性分析方法稳定性基础概念特征方程判据常用稳定性判据系统稳定性是指系统线性系统稳定的充要劳斯判据适用于确对有界输入产生有界条件是系统特征方程定系统稳定性而无需输出的能力对线性的所有根都具有负实求解特征方程的根系统，稳定意味着自部，即所有极点都位赫尔维茨判据通过由响应随时间趋于于s平面的左半平行列式判断系统稳定零；对闭环系统，稳面特征方程通常表性根轨迹法分析定性要求系统能够在示为a_n·s^n+系统极点随参数变化受到干扰后恢复平衡a_n-1·s^n-1+...+的轨迹奈奎斯特判状态a_1·s+a_0=0据基于频域分析的稳定性判据劳斯判据与赫尔维茨判据实用s^n a_n a_n-2a_n-

4...s^n-1a_n-1a_n-3a_n-

5...s^n-2b_1b_2b_

3...s^n-3c_1c_2c_

5.83临界增益系统刚好稳定时的增益值以直流电动机位置控制系统为例，其开环传递函数可表示为Gs=K/ss+a，其中K为开环增益，a为系统时间常数的倒数系统有两个开环极点s=0和s=-a，没有有限零点根轨迹起始于两个开环极点，终止于无穷远处由于开环极点数比零点数多2，所以有两条渐近线，渐近线角度为±90°随着增益K的增加，系统闭环极点沿根轨迹移动，当K增大到临界值时，闭环极点到达虚轴，系统处于临界稳定状态通过根轨迹分析可知，该系统在低增益时表现为过阻尼特性，随着增益增加，系统变为欠阻尼，并出现振荡若增益过大，系统将变得不稳定因此，设计时应选择适当的增益，平衡响应速度和稳定性要求频域分析基础幅频特性相频特性频域分析意义描述系统对不同频率正弦输入的幅值放大描述系统输出相对于输入的相位差，即频域分析适用于复杂系统和实际测量，便倍数，即|Gjω|它反映系统对不同频率∠Gjω它反映系统对信号的相位延迟于系统辨识和控制器设计通过频域特性信号的传递能力，可用对数坐标表示为或超前程度，单位为度或弧度可以直观评价系统稳定性、快速性和精确20log|Gjω|，单位为分贝dB性等性能指标相频特性对系统稳定性有重要影响，相位系统带宽通常定义为幅频特性下降3dB时裕度和幅值裕度是评价系统稳定裕度的重频域方法对噪声和扰动分析尤为有效，在的频率，带宽越宽，系统响应速度越快要指标工程实践中应用广泛波特图绘制方法与应用奈奎斯特图绘制方法奈奎斯特图定义奈奎斯特图是系统开环传递函数GsHs在s=jω时的轨迹图，即GjωHjω在复平面上的轨迹，ω从-∞变化到+∞由于GjωHjω的实部和虚部都是ω的函数，因此奈奎斯特图是参数ω的参数方程奈奎斯特图直观显示了系统在各频率下的幅值放大倍数和相位变化，是分析系统稳定性的有力工具绘制步骤与应用场景确定GsHs在s=jω处的表达式；分离出实部和虚部；代入不同ω值计算对应的复数点；在复平面上依次连接这些点，形成闭合曲线奈奎斯特图在最小相位系统分析、非最小相位系统分析和时滞系统分析等场合具有独特优势特别是对于含有纯滞后环节的系统，使用奈奎斯特图分析稳定性比其他方法更为便捷MATLAB中绘制奈奎斯特图的基本语法为nyquistsys，其中sys为传递函数对象例如，对于传递函数Gs=1/s+1，代码为sys=tf1,

[11];nyquistsys;grid on;奈奎斯特图的稳定性分析基于奈奎斯特判据，通过观察奈奎斯特曲线是否包围-1+j0点来判断闭环系统的稳定性在工程实践中，奈奎斯特图常用于分析系统的相对稳定性和稳定裕度频域稳定判据奈奎斯特判据相位裕度闭环系统稳定的充要条件是开环传递函数GsHs的奈奎斯特曲线必须使-相位裕度是系统幅值为1时的相位超过-1+j0点的网络数等于开环不稳定极点180°的角度相位裕度表示系统与不稳数简言之，对于开环稳定系统，如果定状态的距离，通常要求不小于30°-奈奎斯特曲线不包围-1点，则闭环系统45°，越大系统越稳定稳定判据对比幅值裕度奈奎斯特判据适用于最小相位和非最小幅值裕度是系统相位为-180°时，幅值相位系统；波特图判据计算简便，但主为1与实际幅值之比的对数幅值裕度要适用于最小相位系统；尼科尔斯图判通常要求不小于6dB，越大系统越稳据直观但构造复杂工程中多结合使用定对系统抗干扰能力有直接影响这些判据，取长补短系统性能指标分析时间指标上升时间t_r输出从终值的10%上升到90%所需的时间，反映系统响应速度峰值时间t_p输出首次达到最大值的时间，与系统自然频率有关超调量σ%输出最大值超过稳态值的百分比，反映系统的振荡程度，与阻尼比有关调节时间t_s输出进入并保持在稳态值±5%（或±2%）范围内所需的时间，反映系统达到稳定状态的速度频率指标带宽BW幅频特性下降3dB时的频率，反映系统的响应速度带宽越宽，系统响应越快，但对高频噪声的敏感性也越高相位裕度γ系统增益为1时的相位超过-180°的角度，反映系统的相对稳定性幅值裕度h系统相位为-180°时，1与增益之比的对数，反映系统的抗干扰能力谐振峰值M_r幅频特性曲线的最大值与低频增益之比，反映系统的相对稳定性和超调程度工程应用在工业控制系统设计中，通常需要综合考虑时域和频域指标，根据具体应用场景权衡各项性能要求精密仪器控制要求低超调量；高速伺服系统要求短调节时间；稳定性要求高的系统需要足够的相位裕度和幅值裕度；抗干扰要求高的系统需要考虑灵敏度和互补灵敏度函数特性控制系统的设计方法确定设计目标明确系统的性能指标要求，如上升时间、超调量、稳态误差等建立数学模型根据物理规律或实验数据建立系统的数学模型，如传递函数或状态空间表达式分析系统特性分析原系统的稳定性、时域和频域响应特性，确定需要改进的方面设计控制器选择合适的控制策略并设计控制器参数，如PID控制器、前馈补偿器或状态反馈控制器仿真验证通过计算机仿真验证设计的有效性，必要时进行参数调整实际实现与测试在实际系统中实现控制算法，进行测试和调试，确保系统达到设计要求控制器原理详细剖析PID比例作用P比例作用直接放大误差信号，控制量与误差成正比，即u_pt=K_p·et•优点响应速度快，实现简单•缺点通常存在稳态误差•K_p增大会提高响应速度但可能引起振荡积分作用I积分作用累积误差的历史信息，控制量与误差积分成正比，即u_it=K_i·∫etdt•优点消除稳态误差•缺点可能引起系统超调，降低系统响应速度•K_i增大会加快消除稳态误差但增加振荡微分作用D微分作用对误差的变化速率作出反应，控制量与误差导数成正比，即u_dt=K_d·det/dt•优点预见性调节，减小超调，提高稳定性•缺点对噪声敏感，可能放大高频干扰•K_d增大会抑制振荡但可能导致系统对噪声更敏感综合作用PIDPID控制器综合了三种作用的优点，表达式为ut=K_p·et+K_i·∫etdt+K_d·det/dt•合理的参数配置可以获得良好的控制性能•适用于大多数线性系统和部分非线性系统•实际应用中根据需求使用P、PI、PD或PID控制参数整定方法PID临界比例法（齐格勒尼科尔斯法）-步骤

1.将积分和微分作用置零，仅使用比例控制；

2.逐渐增大比例增益K_p，直到系统出现等幅震荡；

3.记录此时的临界增益K_c和震荡周期T_c；

4.根据下表确定PID参数控制器类型K_p T_i T_dP

0.5K_c--PI

0.45K_c

0.83T_c-工程常用整定步骤PID

0.6K_c

0.5T_c

0.125T_c

1.首先将K_i和K_d设为零，调整K_p至系统有较快响应但超调可接受；

2.增加K_i以消除稳态误差，但不引起过大震荡；

3.增加K_d以减小超调并提高稳定性，但注意不要过大；

4.微调各参数，直到系统性能满足要求现代控制系统常采用自整定PID算法，如遗传算法、模糊逻辑、神经网络等智能方法自动寻优PID参数典型控制环节校正方法状态空间分析法状态方程ẋt=Axt+But输出方程yt=Cxt+Dut状态转移矩阵Φt=e^At状态空间法是现代控制理论的核心，它通过状态变量描述系统内部动态特性状态变量是描述系统内部状态的最小变量集合，通常与系统存储的能量有关与传递函数只能描述单输入单输出系统不同，状态空间方法适用于多输入多输出系统状态方程建立方法主要有物理分析法、传递函数转换法和相控标准型法以电动机为例，电枢电流和转速可作为状态变量，通过电气方程和机械方程建立状态方程状态空间表达的物理意义A矩阵描述系统内部状态之间的相互关系，决定系统的固有特性；B矩阵描述输入对状态的影响；C矩阵描述状态到输出的映射；D矩阵描述输入直接对输出的影响（通常为零）系统的稳定性由A矩阵的特征值决定，全部具有负实部则系统稳定系统能控性与能观性分析系统的能控性是指能否通过输入信号ut在有限时间内将系统从任意初始状态x0转移到任意终态xt_f的性质能控性是设计状态反馈控制器的前提条件判别标准构造能控性矩阵M_c=[B ABA²B...A^n-1B]，若M_c满秩（秩等于系统阶数n），则系统完全能控系统的能观性是指能否通过输出信号yt在有限时间内唯一确定系统的初始状态x0的性质能观性是设计状态观测器的前提条件判别标准构造能观性矩阵M_o=[C CACA²...CA^n-1]^T，若M_o满秩（秩等于系统阶数n），则系统完全能观工程实例电动机位置控制系统的能控性分析以电枢电流和转速为状态变量，电枢电压为输入，计算能控性矩阵并验证其秩结果表明，常规设计的直流电动机控制系统通常是完全能控和完全能观的但在某些特殊情况下，如电机参数退化或传感器布置不当，可能导致能控性或能观性的丧失，应特别注意状态反馈控制原理确定控制目标明确系统的性能指标要求，如极点配置、稳态误差等对于极点配置问题，需要确定期望的闭环极点位置，以满足系统的响应速度和阻尼特性要求验证系统能控性计算能控性矩阵M_c=[B ABA²B...A^n-1B]并检验其秩若系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置闭环极点；若不完全能控，则只能配置可控模态的极点设计反馈增益矩阵状态反馈控制律为ut=-Kxt+rt，其中K为反馈增益矩阵，rt为参考输入通过极点配置法、二次型最优控制等方法确定K矩阵，使闭环系统具有期望的特性实现稳定闭环反馈将设计的控制器应用于系统，闭环系统状态方程为ẋt=A-BKxt+Brt通过选择合适的K，使A-BK的特征值全部具有负实部，确保系统稳定在实际应用中，完整的状态反馈常需要结合前馈补偿器和积分器，以消除稳态误差和提高系统抗干扰能力MATLAB中可使用place或acker函数快速计算状态反馈增益矩阵状态观测器设计状态观测器基本原理实际系统中，往往只有部分状态变量可以直接测量，其他状态需要通过观测器进行估计完整维状态观测器的状态方程为x̂̇t=Ax̂t+But+L[yt-Cx̂t]其中x̂t为状态估计值，L为观测器增益矩阵观测器的核心思想是利用系统模型和可测输出，通过反馈校正不断修正状态估计值，使估计误差et=xt-x̂t逐渐趋于零观测器设计步骤

1.验证系统能观性计算能观性矩阵并确认其满秩；

2.确定期望的观测器极点通常选择比闭环系统极点更快2-5倍的极点；

3.计算观测器增益矩阵L可使用极点配置法或卡尔曼滤波方法；

4.实现观测器方程在控制器中编程实现状态估计最优控制基础最优控制目标寻找使系统性能达到最优的控制律性能指标数学表达式定量评价系统控制效果优化方法变分法、动态规划、极大值原理控制约束状态变量约束、控制变量约束最优控制理论的核心是通过数学方法寻找使系统性能指标达到极值的控制律常用的性能指标包括最小时间准则、最小能量准则、最小燃料消耗准则和二次型性能指标等其中二次型性能指标最为常用，形式为J=∫[x^TtQxt+u^TtRut]dt，Q和R分别为状态和控制的权重矩阵线性二次型调节器LQR是最优控制的经典应用，通过求解Riccati方程获得最优反馈增益矩阵K=R^-1B^TP，其中P是Riccati方程的解LQR控制器具有良好的稳定性和鲁棒性，广泛应用于航空航天、机器人控制等领域现代工业自动化中，模型预测控制MPC是一种重要的最优控制方法，它在线求解有限时域的优化问题，能够处理复杂的约束条件，特别适合多变量、强耦合系统离散系统的基本原理离散化概念离散系统是指输入、输出或状态变量在离散时刻取值的系统在数字控制中，连续系统通过采样、量化和编码转换为离散系统•采样按一定时间间隔获取连续信号的瞬时值•量化将采样值转换为离散幅值•编码将量化值转换为数字编码信号采样采样定理（香农定理）为了无失真地恢复原连续信号，采样频率f_s必须至少是信号最高频率f_max的两倍，即f_s≥2f_max•理想采样用脉冲序列表示采样过程•实际采样采用零阶保持器ZOH近似•混叠效应采样频率过低导致的失真信号保持数字控制系统需要将离散信号转换为连续信号作用于执行机构，常用的保持器有•零阶保持器ZOH保持信号在采样区间内不变•一阶保持器FOH采样点之间进行线性插值•保持器引入的近似误差影响系统性能离散系统数学表达离散系统常用差分方程描述yk+n+a_n-1yk+n-1+...+a_0yk=b_myk+m+...+b_0uk•Z变换离散系统分析的主要工具•离散传递函数Gz=Yz/Uz•离散状态空间方程xk+1=Axk+Buk变换及其应用Z序列xk Z变换Xz单位脉冲δk1单位阶跃1k z/z-1指数序列a^k z/z-ak·a^k az/z-a²sinωk z·sinω/z²-2z·cosω+1cosωk zz-cosω/z²-2z·cosω+1Z变换是分析离散系统的重要数学工具，类似于连续系统中的拉普拉斯变换Z变换定义为Xz=∑[k=0,∞]xkz^-k，其中z是复变量Z变换将差分方程转换为代数方程，大大简化了离散系统的分析与设计Z变换具有线性性、时移性、卷积定理等重要性质特别地，时移性质表明，若xk的Z变换为Xz，则xk+1的Z变换为zXz-zx0，这一性质在求解差分方程中极为有用在控制系统设计中，Z变换的主要应用包括系统稳定性分析（所有极点位于单位圆内则系统稳定）；系统时域响应分析（通过反Z变换获得系统时域响应）；数字控制器设计（如数字PID、死区补偿器等）实际应用中常结合MATLAB等工具进行Z变换计算与分析采样控制系统连续信号采样转换物理过程中的模拟量信号A/D转换器将连续信号转为离散数字信号输出重建数字处理D/A转换器和保持器将离散信号转为连续信号计算机或DSP执行控制算法计算采样控制系统是一种混合系统，包含连续和离散部分系统的基本组成包括连续被控对象、采样器、A/D转换器、数字控制器、D/A转换器和保持器信息流向为传感器采集连续信号→A/D转换→数字处理→D/A转换→执行机构采样周期选择是系统设计的关键问题采样周期过长会导致信息丢失、控制性能下降；采样周期过短会增加计算负担、降低系统效率工程经验法则采样周期应为系统最小时间常数的1/10到1/5，或为系统带宽的8-10倍；高精度控制系统可能需要更高的采样频率相比纯连续系统，采样控制系统具有以下特点离散特性导致系统动态行为更复杂；采样引入时延，可能降低系统稳定性；数字实现带来计算和精度问题；同时具有更高的灵活性和更强的抗干扰能力数字控制系统设计数字控制数字滤波单片机应用举例PID/PLC数字PID将连续PID控制器离散化，基本形式为uk实际控制系统中，传感器信号常含有噪声，需要通电动机调速控制使用PIC单片机实现PWM控制，=K_p·ek+K_i·∑ej+K_d·[ek-ek-1]实际应过数字滤波获得平滑可靠的信号常用滤波算法包通过光电编码器反馈实现闭环控制，实现±1%的调用中常采用位置式PID和增量式PID两种算法括移动平均滤波、加权平均滤波、中值滤波和卡尔速精度曼滤波等增量式PID计算控制量增量，具有抗饱和和无需初温度控制系统使用Siemens S7-200PLC采集始化等优点，但定位精度可能较低；位置式PID直滤波器设计需要平衡滤波效果和相位延迟，过度滤PT100温度传感器信号，实现模糊PID控制算法，接计算绝对控制量，精度高但需要防止积分饱和波会引入时延，影响系统响应速度；滤波不足则无控制加热器功率，使温度控制精度达到±

0.5℃法有效抑制噪声干扰这些应用展示了数字控制在实际工程中的应用方式，结合硬件平台和控制算法实现高性能控制电气自动化主要低压电器空气开关接触器和继电器按钮和转换开关又称断路器，主要用于线路的保护与控制接触器用于大功率电路的频繁通断，如用于人机交互的基本元件，LAY5系列按钮常见型号有DZ47（家用）、NB1（工业CJX2系列；继电器用于信号切换或小功率具有多种颜色和功能，分为常开和常闭触用）等具有过载、短路和欠压保护功能，控制，如JZC4系列两者都是电磁控制原点；转换开关如LW5系列可实现多种控制可自动或手动分断电路理，由控制回路驱动主回路接通或断开方式切换，广泛用于操作面板电气自动化系统中，低压电器的正确选择与配置直接影响系统的可靠性和安全性选择时需考虑额定电压、电流、使用环境和保护级别等因素，同时关注其防护等级（IP等级）和使用寿命（机械寿命和电气寿命）电动机的自动控制系统电动机起动控制小功率电动机（5kW）可直接起动；大功率电动机需降压起动，常用方法包括•星-三角起动初始星形连接降低电压，运行时转为三角形•自耦变压器起动通过变压器降低起动电压•软起动器通过电力电子器件实现电压平滑增加起动控制电路通常包含主电路（提供电能）和控制电路（实现逻辑控制）两部分正反转与调速控制三相异步电动机正反转控制通过改变电源相序实现，需采用机械或电气联锁防止误操作主要调速方法包括•变频调速通过变频器改变电源频率，是最常用的方式•改变极对数适用于要求不高的多速控制•调压调速效率较低，主要用于小功率场合直流电动机调速则通过改变电枢电压或磁场电流实现与现代工业自动化PLC结构PLCCPU执行程序和逻辑运算的核心单元I/O模块连接外部设备的接口，包括数字量和模拟量电源模块提供系统工作电源通信模块实现与其他设备和网络的数据交换存储器包括程序存储和数据存储工作原理PLC工作循环包括输入采样→程序扫描→输出刷新→系统诊断扫描周期通常为几毫秒至几十毫秒，保证实时控制采用循环扫描模式，确保控制逻辑连续执行编程方式梯形图LD基于继电器控制逻辑，直观易懂功能块图FBD类似电子电路图，适合复杂控制指令表IL类似汇编语言，执行效率高结构化文本ST类似高级语言，功能强大顺序功能图SFC适合顺序控制和状态转换常见编程实例水位自动控制系统使用西门子S7-300PLC实现水箱水位的三点控制系统通过液位传感器采集水位信息，当水位低于下限时启动水泵；水位达到上限时停止水泵；同时监测异常情况如溢出报警PLC程序主要采用梯形图语言编写，包含主程序、水泵控制子程序和报警处理子程序三部分现代PLC不仅具有逻辑控制功能，还整合了运动控制、过程控制、通信网络等功能，成为工业自动化的核心控制装置通过与SCADA、MES和ERP系统的集成，PLC实现了从现场层到管理层的无缝连接，是工业

4.0和智能制造的重要基础传感器与执行器温度传感器压力传感器位置与速度传感器热电偶测温范围宽-应变式基于压阻效应，精度电位器简单经济，适用于角位200~1800℃，坚固耐用，响应高；电容式灵敏度高，适用于移测量；光电编码器分辨率快；热电阻精度高，线性好，微压测量；压电式动态响应高，适合精密位置和速度测量；主要用于中低温测量；半导体温好，适合测量变化快的压力广霍尔传感器可靠性高，适合恶度传感器如热敏电阻，体积泛应用于液压系统、气动控制、劣环境；LVDT线性好，适合小，灵敏度高，但线性差常用过程监测等领域微小位移测量常用于机床位置于锅炉温控、工业炉温监测等场控制、机器人关节反馈等合执行器电动执行器如伺服电机、步进电机，控制精度高；液压执行器如液压缸，输出力大；气动执行器如气缸、气动阀门，响应快，本质安全执行器是控制系统的肌肉，将控制信号转化为机械运动控制系统故障分析与诊断故障检测运用各种方法识别系统故障的存在故障定位确定故障发生的具体位置和部件故障分析确定故障的性质、原因和影响程度故障修复采取措施恢复系统正常功能常见故障类型包括传感器故障（偏置、漂移、失效等）；执行器故障（卡死、泄漏、灵敏度降低等）；控制器故障（参数偏移、算法错误、通信中断等）；被控对象故障（参数变化、结构改变等）其中，传感器故障最为常见，约占系统故障的40%故障检测方法主要有基于模型的方法（状态估计、参数估计等）；基于信号的方法（频谱分析、小波分析等）；基于知识的方法（专家系统、模糊逻辑、神经网络等）现代自动化系统往往结合多种方法，实现更可靠的故障诊断检测与处理步骤通常包括建立正常工作基准；实时监测关键参数；检测异常并触发报警；定位故障源；隔离故障部件；切换备用系统或进入安全模式；修复故障并恢复正常运行良好的故障诊断系统能大幅提高自动化系统的可靠性和可用性电气自动化安全技术安全用电要求自动化防护措施电气设备安装必须符合国家标准GB50054《低压配现代自动化系统除基本的电气安全外，还需要特殊电设计规范》等相关规定所有电气设备必须有可的防护措施，确保人员和设备安全靠接地或接零保护，接地电阻一般不大于4Ω•安全联锁确保设备按正确顺序启停，防止误操作•电气线路必须设置短路和过载保护装置•紧急停止设置紧急停止按钮，快速切断危险•操作环境要求干燥、通风良好，防止潮湿和腐源蚀•安全光幕防止人员进入危险区域•配电箱应有明确标识和警示标志•双手控制装置避免操作者手部进入危险区•定期检查绝缘性能，防止老化和损伤•故障安全设计系统失效时自动进入安全状态安全等级与标准自动化系统安全设计应遵循相关标准，根据风险评估确定安全性能等级SIL•IEC61508功能安全基本标准•IEC61131-6PLC安全功能要求•ISO13849机械安全控制系统安全相关部件•SIL等级从1到4，要求越高安全冗余度越高•要求达到功能安全生命周期的全流程管理工业现场自动化实训平台实训平台基本构成模块化设计典型实验项目标准工业现场自动化实训平台通常包括控制现代实训平台采用模块化设计，各功能单元电气控制基础实验继电器控制电路设计与单元、电气控制柜、被控对象模型、通信接可拆卸更换，便于组合不同实验方案常见接线、电动机启停控制、顺序控制等PLC口和操作界面等部分控制单元可采用模块包括传感器模块（各类传感器及信号应用实验PLC编程基础、定时器和计数器PLC、DCS或嵌入式控制器；电气控制柜集调理电路）；执行器模块（电机、气缸、阀应用、模拟量处理、位置控制等综合应用成了电源、低压电器和安全保护装置；被控门等）；控制器模块（各种类型的控制实验生产线控制系统设计、工业网络通对象模型根据教学需求可以是电动机、传送器）；通信模块（工业总线、无线通信信、远程监控系统开发等这些实验从基础带、流程模型等等）；人机界面模块（触摸屏、指示灯、按到应用，逐步提高学生的实践能力钮等）智能控制与人工智能应用控制系统仿真技术仿真功能MATLAB/SimulinkMATLAB是工程计算和数据分析的主流软件，Simulink是其图形化仿真环境，特别适合控制系统的建模、分析和仿真主要功能包括•系统建模通过框图方式直观构建系统模型•动态仿真求解系统的时域响应和状态变化•线性分析评估系统的稳定性、频域特性等•参数优化自动调整参数以满足性能要求•代码生成自动生成C/C++代码用于实际控制器•硬件在环仿真连接实际硬件进行半实物仿真典型仿真实例直流电机速度控制系统仿真在Simulink中建立电机模型，包括电气部分（电枢电路）和机械部分（转矩-转速关系）；设计PID控制器，通过传递函数模块或PID模块实现；添加参考输入（阶跃或斜坡）和负载扰动；运行仿真并观察系统响应；分析超调量、上升时间等指标；调整控制参数优化性能通过仿真，可以在不破坏实际设备的情况下，验证控制策略的有效性，测试极限工况下的系统性能，大大减少实际调试的工作量和风险《电气自动化控制》教学案例1285%项目周期（周）自动化率企业级自动化系统开发周期实现的生产过程自动化程度30%效率提升相比传统系统的生产效率提升企业级控制系统项目展示某饮料灌装生产线自动化改造案例该项目涉及灌装、封盖、贴标、装箱全流程自动控制，采用西门子S7-1500PLC作为主控制器，结合SIMATIC HMI触摸屏实现人机交互，通过PROFINET工业以太网实现各子系统通信系统特点包括多设备协同控制，确保工艺流程的连续性；高精度定位控制，提高灌装精度至±

0.5%；视觉检测系统，实现产品质量在线监控；MES系统集成，实现生产数据采集与分析项目成功将生产效率提高30%，产品合格率提升至

99.8%，维护成本降低25%该案例充分体现了现代电气自动化控制的综合应用能力要求，包括控制系统设计、PLC编程、电气安装与调试、故障诊断等多方面技能，符合行业标准GB/T20438《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》及企业实际需求电气自动化专业就业前景课程复习与考核重点理论基础系统分析自动控制原理、传递函数、状态空间、稳定性分时域分析和频域分析方法、系统性能指标评价、析等基础概念是考核重点，要求理解并掌握核心传统控制理论与现代控制理论的主要分析工具需数学模型和分析方法要熟练掌握实际应用系统设计电气控制系统实例分析、PLC基本编程、电动机PID控制器设计、根轨迹法应用、频域补偿设计、控制、传感器与执行器应用是考核的实践性内状态反馈控制是重点考核的设计方法，应掌握设容，注重理论与实际的结合计流程和步骤试题类型主要包括基础概念题（约占20%）、计算分析题（约占40%）、系统设计题（约占25%）和综合应用题（约占15%）考试既考察基本理论和计算能力，也注重分析问题和解决实际问题的能力复习建议首先梳理知识框架，明确各章节的核心概念和方法；其次强化计算能力，通过习题训练掌握常用分析和设计技术；再次关注典型案例，将理论与实际应用相结合；最后多做历年试题，熟悉考试形式和题型建议使用思维导图整理知识点，形成系统化的知识体系课程总结与未来展望人工智能与大数据深度学习驱动的智能控制与预测维护工业互联网与边缘计算分布式智能控制系统与实时数据处理工业自动化基础传统控制理论与工程应用电气自动化控制作为现代工业的核心技术，经历了从机械控制到电气控制，再到电子控制和计算机控制的发展历程本课程系统讲解了控制系统的数学建模、分析与设计方法，以及PLC、传感器等工程实践知识，旨在培养学生的理论基础和工程应用能力未来自动化控制将面临诸多新技术挑战与机遇人工智能与大数据分析正深刻改变传统控制模式，自适应学习算法和预测控制成为研究热点；5G与工业互联网推动控制系统向分布式、网络化方向发展；边缘计算提供实时处理能力，解决云控制的延迟问题；数字孪生技术实现虚实融合，提升系统设计和优化效率；区块链等技术增强工业控制系统的安全性和可靠性面对这些发展趋势，未来的自动化工程师需要具备更全面的知识结构和更强的创新能力，不仅要掌握传统控制理论，还需了解人工智能、大数据分析等新兴技术，并具备跨学科融合的视野希望同学们在掌握本课程知识的基础上，持续学习，适应技术发展，成为推动智能制造和工业自动化发展的中坚力量。