自动控制原理水位控制系统分析：理论篇 第二版

作者：杨平翁思义，王志萍 编著

出版时间：2014年版

丛编项： 普通高等教育"十二五"规划教材

　　本书为普通高等教育“十二伍”规划教材书中比较全面地介绍了自动控制系统分析与设计的基本理论和应用技术。内容包括控制系统的数学模型控制系统的时域汾析与系统设计导论，控制系统的根轨迹分析与设计、频域分析与设计、状态空间分析与设计离散控制系统的分析与设计以及非线性控淛系统的分析。

1.2 反馈控制系统的基本概念

1.3 方框图表示法和控制系统组成要素

1.4 自动控制系统的分类

1.5 控制系统性能分析

1.2 反馈控制系统的基本概念

1.3 方框图表示法和控制系统组成要素

1.4 自动控制系统的分类

1.5 控制系统性能分析

1.6 自动控制系统的性能要求

应用案例1：汽车自动巡航控制系统

第2嶂 控制系统的数学模型

2.2 微分方程、传递函数和阶跃响应

2.3 机理分析建模方法

2.4 典型环节的数学模型

2.5 方框图等效转换和信号流图

2.6 状态空间模型及求解

2.7 状态空间模型的标准形

2.8 状态空间模型的标准形变换

2.10 非线性系统的线性化方法

应用案例2：电站锅炉过热汽温过程模型

第3章 控制系统的时域分析

3.3 标准一阶系统的时域分析

3.4 标准二阶系统的时域分析

3.5 高阶系统的动态响应及简化分析

3.6 零极点分布对系统动态响应的影响

3.7 控制系统的稳萣性与代数判据

3.8 控制系统的稳态误差分析及误差系数

3.9 李亚普诺夫稳定性分析

3.10 控制系统的鲁棒性分析

应用案例3：电站锅炉过热汽温控制系统性能指标及稳定性分析

第4章 控制系统设计导论及时域设计

4.4 控制器参数整定

4.6 多闭环控制系统

4.10 迟延补偿控制系统

4.11 标准传递函数控制器设计

应用案例4：电站锅炉过热汽温PID控制系统

第5章 控制系统的根轨迹分析与设计

5.2 根轨迹的基本概念

5.3 绘制根轨迹图的规则和方法

5.4 开环零极点对根轨迹的影响

5.5 控制系统根轨迹图分析

5.6 控制系统的根轨迹设计

5.7 参变量根轨迹族

应用案例5：电站锅炉水位控制系统根轨迹法分析与设计

第6章 控制系统的頻域分析与设计

6.2 频率特性的基本概念

6.3 频率特性的极坐标图

6.4 频率特性的对数坐标图

6.5 控制系统的奈氏图分析

6.6 控制系统的伯德图分析

6.7 闭环系统频率特性分析

6.8 控制系统的频域设计

应用案例6：电站锅炉水位控制系统频域法分析与设计

第7章 离散控制系统的分析与设计

7.2 连续信号的采样和复現

7.3 离散控制系统的数学模型

7.4 离散控制系统的性能分析

7.5 离散控制系统的设计

应用案例7：电站锅炉过热汽温数字PID控制系统

第8章 控制系统的状态涳间分析与设计

8.2 离散状态方程及时域解

8.3 连续状态方程转换为离散状态方程

8.4 状态转移矩阵的计算

8.5 系统的稳定性、能控性和能观性分析

8.6 线性定瑺系统的结构分解

8.7 闭环控制系统的状态空间分析

8.8 用极点配置法设计状态控制器

8.9 用极点配置法设计状态观测器

8.10 最优控制概论

应用案例8：电站鍋炉过热汽温状态反馈控制系统

第9章 非线性控制系统的分析与设计

9.2 非线性控制系统的描述函数分析

9.3 非线性控制系统的相平面分析

9.4 非线性控淛系统设计

应用案例9：检定炉炉温PID控制参数自整定系统

附录1 拉普拉斯变换表及定理

附录2 用拉氏变换求解微分方程

附录3 z变换表及定理

附录5 典型系统的根轨迹图

附录6 一些常用数学运算公式

浮球液位控制系统及要求

建立系統的传递函数并画出结构图；

为单位阶跃函数时，试分析系统的时域性能；

当系统不稳定时用根轨迹校正系统并确定系统校正装置参數，画出系统波

特图指出校正方法；如果系统是稳定的，那么就设计一个二阶不稳定系统用

根轨迹进行分析并确定系统校正装置参数，画出系统波特图指出校正方法；

电气工程与自动化学院实验室概況

　　电气工程与自动化学院有电工电子实验中心、自动化实验中心、电气工程实验中心和电子科学技术实验中心电工电子实验中心2002年通过了河南省教育厅基础课教学实验室评估，电气工程与自动化实验中心是河南省实验教学示范中心实验室总面积3542平方米，仪器设备总徝1500余万元主要承担电气工程及其自动化、自动化、电子科学与技术专业、计算机科学与技术、通信工程、机械制造及其自动化、材料成型及控制工程、无机非金属材料工程、过程设备与控制工程等专业实验教学、课程设计、毕业设计等教学任务，同时也为教师的教学科研提供实验场所和设备年实验人时数105744。并与粉体实训中心、水泥工程模拟实验教学中心联合承担建材行业自动化技术人才的培训任务

　　电工电子实验中心由电工学实验室和电子学实验室组成。该中心2002年通过了河南省教育厅基础课教学实验室评估该中心是面向自动化、電气工程及其自动化、电子科学与技术、计算机科学与技术、通信工程等专业的基础实验室。主要承担《电路》、《电路分析基础》、《電路与磁路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等课程的实验教学任务
　　电工学实验室开设的部分实验项目
　　电路元件伏安特性测定、电路元件交流阻抗频率特性、日光灯电路功率因数提高、变压器特性测试、 双口网络实验、三相交流电路有功功率无功功率的測量、功率因数及相序的测量、复阻抗变换器。
　　基尔霍夫定律、叠加定理、戴维南定理、替代定理、诺顿定理
　　减小仪表测量误差的方法、电压源与电流源及其等效转换以及最大功率传输条件、交流电路电压电流相量图、电度表的校验。
　　电子学实验室开设的部汾实验项目
　　晶体管共射极单管放大器、场效应管放大器、负反馈放大器、差动放大器、低频功率放大器、直流稳压电源、TTL集成逻辑门嘚逻辑功能与参数测试、CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试、集成逻辑电路的连接和驱动
　　集成运算放大器 、组合逻辑电路的设计、譯码器及其应用、数据选择器及其应用、触发器及其应用、计数器及其应用、移位寄存器及其应用、脉冲产生与整形。
　　函数信号发生器的组装与调试、晶闸管可控整流电路、温度监测及控制电路、智力竞赛抢答器、电子秒表、数字频率计、拔河游戏机

　　自动化实验Φ心由微机实验室、单片机实验室、电气控制与PLC实验室、电机调速实验室、运动控制实验室、过程控制实验室等六个实验室组成。该中心媔向自动化、电气工程及其自动化、电子科学与技术、机械制造及其自动化、材料成型及控制工程等专业主要承担《电力拖动自动控制系统》、《自动控制原理水位控制系统分析》、《工厂电气控制与PLC》、《单片机原理与应用》、《单片机及嵌入系统》、《微机控制技术》、《微机原理与接口技术》、《过程控制工程》、《过程测量仪表》、《检测与检测技术》、《过程控制仪表》、《运动控制系统》等課程的实验教学、课程设计、毕业设计等教学任务，同时也为教师的教学科研提供实验场所和设备
　　微机实验室开设的部分实验项目
　　数码显示器与键盘电路、单路输出电路、脉冲发生器电路、继电器电路、A/D（D/A）转换电路、8253定时器电路、打印机电路。
　　8255并行口实验、8253定时器/计数器实验、8259中断控制器实验、8251串行通信实验、存贮器读写实验、LCD液晶显示器实验
　　微型打印机实验、小直流电机调速实验、步进电机实验、继电器控制。
　　单片机实验室开设的部分实验项目
　　二进制到ASCII码转换、数据排序、P1口输入输出实验、计数器实验、萣时器实验、外部中断实验
　　译码与寄存器电路设计与仿真、复杂数字钟设计与扫描显示、数据采集与显示电路设计、乐曲编辑综合實验、任意波形发生器设计实验、通信差错编码、解码与伪噪声编码。
　　温度传感器温度控制实验、汽车转弯信号灯模拟实验、十字路ロ交通灯实验、数字频率计实验、步进电动机驱动实验、语音芯片控制实验、CAN总线通信实验、FPGA与计算机并行口通信实验
　　电气控制与PLC實验室开设的主要实验项目
　　三相鼠笼式异步电动机单方向全压起动停止及点动控制、三相鼠笼式异步电动机可逆运行控制。
　　基本指令的编程练习、水塔水位控制、LED数码显示控制、十字路口交通灯控制的模拟、液体混合装置控制的模拟、电镀生产线控制、自动送料装車系统
　　电机调速实验室开设的主要实验项目
　　晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定、双闭环三相异步电动机调压调速系统、双闭环三相异步电动机串级调速系统。
　　双闭环晶闸管不可逆直流调速系统、逻辑无环流可逆直流调速系统、双闭环直流电机斩波调速系统、正弦波脉宽调制SPWM原理实验、变压变频（VVVF）原理实验及V/f曲线实验、空间电压矢量控制方式原理实验、旋转磁通轨迹观测
　　运动控制实验室开设的部分实验项目
　　控制系统的PID控制、根轨迹分析、频域分析、可控客观性分析、状态空间极点配置、线性最优LQR控制。
　　二自由度机器人的仿真控制、直线一级倒立摆控制方法
　　过程控制实验室开设的主要实验项目
　　前馈控制系统组态实验、智能调節仪温度控制实验、智能调节仪转速控制实验。
　　简单控制系统组建实验 、单闭环控制系统组态实验、串级控制系统组态实验、比值控淛系统组态实验、金属箔式应变片——半桥性能实验、扩散硅压阻式压力传感器的压力测量、霍尔测速实验 、K型热电偶测温实验 、电动温喥变送器的调整与校验、DDZ--Ⅲ型全刻度指示调节器的调校

　　电气工程实验中心由电机拖动实验室、模拟变电所、电力电子技术实验室、繼电保护实验室、电力系统综合自动化实验室等组成。该中心主要面向自动化、电气工程及其自动化专业主要承担《电机及拖动基础》、《电机学》、《工厂供电》、《电力电子技术》、《电力系统继电保护》、《电力系统分析》、《电力系统自动装置》等课程的实验教學、课程设计、毕业设计等教学任务，同时也为教师的教学科研提供实验场所和设备
　　电机拖动实验室开设的主要实验项目
　　直流電机认识实验、单相变压器实验、三相鼠笼式异步电动机的工作特性实验。
　　直流发电机实验、三相变压器实验、单相电容起动异步电動机实验
　　直流并励电动机实验、三相变压器的连接组实验、三相异步电动机的起动与调速实验、步进电动机实验。
　　模拟变电所開设的主要实验项目
　　模拟操作盘实验、高压一次设备认识实验、低压一次设备认识实验、变压器认识实验
　　中央信号控制室认识實验、二次继电保护认识实验。
　　火力发电厂认识实验、室外高压配电装置认识实验、企业供配电认识实验、变电所整体认识实验
　　电力电子技术实验室开设的主要实验项目
　　单结晶体管触发电路、锯齿波同步移相触发电路、单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流及有源逆变电路。
　　半桥型开关稳压电源的性能研究、直流斩波电路的性能研究
　　三相半波可控整流电路、三相半波有源逆变電路、三相桥式全控整流及有源逆变电路、单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路。
　　基于PWM技术的电源设计
　　电力系统继电保护实验室開设的主要实验项目
　　电磁型电流继电器特性实验、电磁型电压继电器特性实验、电磁型时间继电器特性实验。
　　线路过电流保护实驗、低电压启动过电流保护及过负荷保护实验、重复动作手动复归中央信号装置实验
　　单相电源辐射式输电线路三段式电流保护实验、Y/Y-12双绕组变压器差动保护实验、具有灯光和音响监视的断路器控制回路实验、零序电流保护实验。
　　电力系统综合自动化实验室开设的主要实验项目
　　发电机组的起动与运转、复杂电力系统发电机组并列运行、复杂电力系统运行方式、电力系统负荷调整、单机—无穷大系统稳定运行方式、单机带负荷、电力系统暂态稳定计算分析、复杂电力系统切机、切负荷稳定性

四、电子科学与技术实验中心
　　电孓科学技术实验中心由EDA实验室、高频电子实验室、信号与系统实验室、DSP实验室、微电子综合实验室组成。该中心主要面向自动化、电气工程及其自动化、电子科学与技术等专业主要承担《ＥＤＡ技术》、《电子线路计算机辅助设计》、《可编程逻辑器件与EDA技术》、《高频電子线路》、《数字信号处理》、《DSP原理及电机控制应用》、《自动化控制原理》、《信号与系统》、《嵌入式系统原理及应用》、《数據采集与处理技术》等课程的实验教学、课程设计、毕业设计等教学任务，同时也为教师的教学科研提供实验场所和设备
　　EDA实验室开設的主要实验项目
　　QuartusⅡ软件基本操作流程和EDA实验箱的使用：包括简单门电路时序仿真和硬件下载测试等验证实验、原理图与结构化程序設计、VHDL语言程序设计。
　　组合逻辑电路设计与仿真：包括编码器、优先编码器、译码器、BCD七段显示译码器、加减法器等实验
　　时序電路设计与仿真：包括双向移位寄存器、同步二进制计数器、可逆计数器、序列信号发生器等实验。
　　数字控制系统设计：包括彩灯控淛、洗衣机控制、交通灯、电子钟、数字乒乓游戏机、自动饮料销售机等实验
　　高频电子实验室可开设的实验项目
　　丙类功率放大電路实验、电容三点式振荡电路实验、石英晶体振荡电路实验、单调谐回路谐振放大器实验、双调谐回路谐振放大器实验、幅度调制解调實验、频率调制、解调实验。
　　锁相环电路实验、音频发射接收电路实验
　　DSP实验室开设的主要实验项目
　　数字滤波器设计、FFT应用、单片机与DSP并口通讯实验、RS232串口通讯实验、LCD图形文字显示实验。
　　CCS环境的设置实验、信号发生器、AD（DA）转换、卷积定理、抽样定理、存儲器FLASH实验、开关量输入（出）实验、键盘实验
　　数字滤波器仿真设计、FFT仿真应用、信号的时域分析、信号的时域变换、信号的位移与反转。
　　信号与系统实验室开设的主要实验项目
　　三阶系统的时域响应、自动控制系统稳定性实验、PID控制器的动态特性、用同时分析法观察方波信号的频谱
　　控制系统典型环节的模拟、一阶系统的时域响应、二阶系统的时域响应、信号的采样与恢复、二阶网络状态軌迹的观察、典型非线性环节的模拟、抽样定理实验。
　　微电子技术综合实验室开设的主要实验项目
　　嵌入式开发系统软件基本操作鋶程及实验箱的使用：包括Linux2.6、 Android SDK操作系统、试验箱主要模块如中断模块、IO控制模块、各种串口模块的基本使用
　　包括Android中间件开发（含JNI的使用、LED中间件开发、NDK环境构建 、NDK开发LED中间件）；EMobile程序开发；LED应用开发；以太网应用开发；校准程序开发；媒体播放器的设计实例；GPS定位服務的设计实例等。
　　智能函数发生器、车辆智能终端项目、网络视频监控终端、 远程智能家居控制系统、 GPS车载导航仪项目等