測量與控制技術作業(yè)指導書

測量與控制技術作業(yè)指導書TOC\o"1-2"\h\u20493第1章測量與控制技術概述 4151761.1測量技術基礎 4175681.1.1測量基本概念 4191211.1.2測量方法 422061.1.3測量誤差 4315291.1.4測量數據處理 421801.2控制系統(tǒng)簡介 4132341.2.1控制系統(tǒng)基本概念 4291451.2.2控制系統(tǒng)的分類 530721.2.3控制系統(tǒng)的功能指標 5175731.3測量與控制技術的應用 513974第2章傳感器技術 5147402.1傳感器原理與分類 5247962.1.1傳感器原理 5271782.1.2傳感器分類 6248292.2常用傳感器特性 6214362.2.1電阻式傳感器 619252.2.2電容式傳感器 6212562.2.3電感式傳感器 6233182.2.4壓電式傳感器 6260102.3傳感器信號處理 7303872.3.1信號放大 7100912.3.2濾波 7182862.3.3線性化 7302932.3.4數字化 73197第3章參數檢測技術 7128873.1溫度檢測 7217653.1.1概述 722333.1.2熱電偶溫度檢測 7207563.1.3熱電阻溫度檢測 7270233.1.4紅外溫度檢測 8142473.2壓力檢測 85663.2.1概述 8209133.2.2電阻應變式壓力檢測 8114463.2.3壓電式壓力檢測 8313533.2.4電容式壓力檢測 88123.3流量檢測 8101883.3.1概述 8326923.3.2差壓流量計 8247873.3.3渦輪流量計 852223.3.4超聲波流量計 81433.4液位檢測 9174993.4.1概述 9187653.4.2靜壓式液位檢測 9199403.4.3浮力式液位檢測 9144743.4.4阻抗式液位檢測 914155第4章數據采集與處理 9182054.1數據采集系統(tǒng)概述 9232614.1.1數據采集系統(tǒng)的基本構成 9244884.1.2數據采集系統(tǒng)的工作原理 10133304.1.3數據采集系統(tǒng)在測量與控制領域的應用 10260164.2采樣定理與信號重構 10325164.2.1采樣定理 10146904.2.2信號重構 1011764.3數字信號處理基礎 10189984.3.1數字信號處理基本概念 112674.3.2數字信號處理算法 1133784.3.3數字信號處理在數據采集與控制中的應用 1116315第5章控制系統(tǒng)數學模型 11103235.1系統(tǒng)的微分方程描述 1177815.1.1微分方程的概念 11233715.1.2系統(tǒng)微分方程的建立 11315425.1.3微分方程的求解 12153155.2傳遞函數及其性質 12277295.2.1傳遞函數的定義 12188235.2.2傳遞函數的性質 12217035.2.3傳遞函數的求解 12157585.3狀態(tài)空間描述 12189645.3.1狀態(tài)空間的概念 12237135.3.2狀態(tài)方程的建立 1257775.3.3輸出方程的建立 1215815.3.4狀態(tài)空間模型的求解 1218565第6章控制系統(tǒng)分析 12209006.1穩(wěn)定性分析 12314236.1.1穩(wěn)定性概念 13213086.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性判據 13109596.1.3勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據 13111716.2靜態(tài)誤差分析 13210986.2.1靜態(tài)誤差概念 13252166.2.2靜態(tài)誤差系數 13257156.2.3減小靜態(tài)誤差的措施 13188596.3頻率特性分析 1350526.3.1頻率特性概念 13224106.3.2幅頻特性與相頻特性 13144766.3.3奈奎斯特穩(wěn)定判據 1363906.3.4頻率特性與系統(tǒng)功能的關系 1349506.3.5頻率域補償 148076第7章控制系統(tǒng)設計 14241517.1控制系統(tǒng)設計概述 14141777.2負反饋控制系統(tǒng)設計 14278887.2.1負反饋控制原理 14182847.2.2控制器設計 14202107.2.3負反饋控制系統(tǒng)設計實例 1466887.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計 15243837.3.1狀態(tài)反饋控制原理 15307437.3.2狀態(tài)反饋控制器設計 1582927.3.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計實例 153249第8章數字控制系統(tǒng) 1579648.1數字控制系統(tǒng)概述 1533528.1.1數字控制系統(tǒng)的基本概念 1545748.1.2數字控制系統(tǒng)的組成 1571828.1.3數字控制系統(tǒng)的特點 16260828.2數字控制器的設計方法 16310818.2.1模擬控制器數字化方法 16115858.2.2直接數字設計方法 16169358.2.3狀態(tài)空間設計方法 16161528.3數字控制算法實現(xiàn) 17282968.3.1PID控制算法實現(xiàn) 1786718.3.2模糊控制算法實現(xiàn) 17259998.3.3自適應控制算法實現(xiàn) 1722864第9章智能控制技術 17311829.1模糊控制 17154949.1.1模糊控制原理 173749.1.2模糊控制器設計 18241429.1.3模糊控制應用實例 1830699.2神經網絡控制 1883799.2.1神經網絡基本概念 1825199.2.2神經網絡控制器設計 1857419.2.3神經網絡控制應用實例 1879609.3專家控制系統(tǒng) 18100519.3.1專家系統(tǒng)基本原理 18245629.3.2專家控制器設計 18233599.3.3專家控制系統(tǒng)應用實例 1828279第10章測量與控制技術在工程中的應用 18151210.1工業(yè)過程控制 182738910.2控制 19754010.3自動駕駛系統(tǒng) 192997810.4智能家居控制系統(tǒng) 19第1章測量與控制技術概述1.1測量技術基礎測量技術是工程技術領域中的基礎性技術，涉及各類物理量的檢測、數據采集和處理。本節(jié)將對測量技術的基本概念、測量方法、測量誤差及數據處理等方面進行介紹。1.1.1測量基本概念測量是指用一定的方法和手段，確定被測量對象在某種特性方面的大小、程度、數量或位置的過程。測量主要包括以下三個要素：（1）被測量：即需要測量的大小、程度、數量或位置等特性。（2）測量單位：用于表示被測量大小的基本量度。（3）測量方法：根據測量目的和被測量的特點，選擇合適的測量手段和設備。1.1.2測量方法測量方法主要包括直接測量、間接測量和組合測量。（1）直接測量：直接對被測量進行測量，如用尺子測量長度。（2）間接測量：通過測量與被測量有函數關系的其他量，再根據函數關系求出被測量值，如通過測量電阻和電流，計算電壓。（3）組合測量：將直接測量和間接測量相結合，以提高測量精度。1.1.3測量誤差測量誤差是指測量結果與真實值之間的偏差。引起測量誤差的因素包括：系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。1.1.4測量數據處理測量數據處理主要包括：數據篩選、數據修正、數據平滑和數據擬合等。通過對測量數據進行處理，可以減小誤差，提高測量結果的可靠性。1.2控制系統(tǒng)簡介控制系統(tǒng)是由控制對象、控制器、執(zhí)行機構和反饋環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。本節(jié)將對控制系統(tǒng)的基礎知識進行介紹。1.2.1控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)是指通過對控制對象的輸入信號進行調節(jié)，使控制對象的輸出信號滿足預定的功能要求的技術?？刂葡到y(tǒng)主要包括以下四個部分：（1）控制對象：被控對象，如溫度、壓力等。（2）控制器：根據預定的功能要求，對控制對象進行控制的設備或算法。（3）執(zhí)行機構：將控制器輸出的控制信號轉換為控制對象的輸入信號。（4）反饋環(huán)節(jié)：將控制對象的輸出信號反饋給控制器，實現(xiàn)對控制對象的閉環(huán)控制。1.2.2控制系統(tǒng)的分類根據控制信號的形式，控制系統(tǒng)可分為模擬控制系統(tǒng)和數字控制系統(tǒng)。（1）模擬控制系統(tǒng)：控制信號為連續(xù)的模擬信號。（2）數字控制系統(tǒng)：控制信號為離散的數字信號。1.2.3控制系統(tǒng)的功能指標控制系統(tǒng)的功能指標主要包括穩(wěn)定性、快速性、準確性和抗干擾性等。1.3測量與控制技術的應用測量與控制技術在國民經濟的各個領域具有廣泛的應用，如工業(yè)生產、交通運輸、環(huán)境保護、生物醫(yī)療等。以下是測量與控制技術的一些典型應用：（1）工業(yè)生產：通過對溫度、壓力、流量等參數的測量和控制，實現(xiàn)生產過程的優(yōu)化。（2）交通運輸：如自動駕駛、交通信號燈控制等。（3）環(huán)境保護：如空氣質量監(jiān)測、水質監(jiān)測等。（4）生物醫(yī)療：如心電監(jiān)護、血壓測量等。（5）其他領域：如智能建筑、農業(yè)自動化等。第2章傳感器技術2.1傳感器原理與分類2.1.1傳感器原理傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它通常由敏感元件、轉換元件、信號處理電路和輸出接口等部分組成。2.1.2傳感器分類傳感器按照工作原理、用途、輸出信號等不同標準，可分為以下幾類：（1）物理傳感器：利用物理效應，如光電效應、磁電效應等，將被測物理量轉換為電信號。（2）化學傳感器：利用化學效應，如電化學反應、光化學效應等，將被測化學量轉換為電信號。（3）生物傳感器：利用生物材料或生物體，如酶、抗體等，檢測特定生物物質或生物過程。（4）機械傳感器：利用彈性、磁性、慣性等原理，將機械量轉換為電信號。2.2常用傳感器特性2.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器主要包括熱電阻、光敏電阻、力敏電阻等，其主要特性如下：（1）靈敏度較高；（2）線性度較好；（3）溫度系數較大；（4）易受環(huán)境因素影響，穩(wěn)定性相對較差。2.2.2電容式傳感器電容式傳感器主要包括變面積式、變介質式、變間距式等，其主要特性如下：（1）靈敏度高；（2）分辨率高；（3）溫度穩(wěn)定性較好；（4）易受高頻干擾。2.2.3電感式傳感器電感式傳感器主要包括自感式、互感式、差動式等，其主要特性如下：（1）靈敏度高；（2）線性度好；（3）抗干擾能力強；（4）對機械結構要求較高。2.2.4壓電式傳感器壓電式傳感器利用壓電效應，其主要特性如下：（1）靈敏度較高；（2）響應速度快；（3）頻帶寬；（4）受溫度影響較小。2.3傳感器信號處理傳感器信號處理主要包括信號放大、濾波、線性化、數字化等環(huán)節(jié)，其目的在于提高傳感器輸出信號的準確性和穩(wěn)定性。2.3.1信號放大信號放大環(huán)節(jié)采用運算放大器等器件，對傳感器輸出的微弱信號進行放大，以滿足后續(xù)處理電路的需求。2.3.2濾波濾波環(huán)節(jié)采用低通、高通、帶通等濾波器，濾除傳感器信號中的高頻噪聲和干擾信號，提高信號質量。2.3.3線性化線性化環(huán)節(jié)對傳感器的非線性特性進行補償，使其輸出信號與被測量的關系盡可能接近線性，便于后續(xù)處理。2.3.4數字化數字化環(huán)節(jié)將模擬信號轉換為數字信號，便于計算機進行處理、存儲和傳輸。常用的數字化方法有模數轉換器（ADC）等。第3章參數檢測技術3.1溫度檢測3.1.1概述溫度檢測是測量與控制技術中的一項基本內容，對于保證工業(yè)生產過程的質量與安全具有重要意義。本章主要介紹常見的溫度檢測方法及溫度傳感器。3.1.2熱電偶溫度檢測熱電偶是一種利用兩種不同金屬接觸處產生熱電勢的原理進行溫度測量的傳感器。其具有測量范圍寬、響應速度快、輸出信號大等優(yōu)點。3.1.3熱電阻溫度檢測熱電阻溫度檢測是利用金屬導體的電阻隨溫度變化的特性進行溫度測量的方法。熱電阻傳感器具有線性好、精度高、穩(wěn)定性強等特點。3.1.4紅外溫度檢測紅外溫度檢測是利用物體發(fā)射的紅外輻射與其溫度之間的關系進行非接觸式溫度測量的技術。其具有響應速度快、不干擾被測對象、安裝方便等優(yōu)點。3.2壓力檢測3.2.1概述壓力檢測在工業(yè)生產過程中具有重要作用，涉及到設備運行的安全、生產效率和產品質量等方面。本章主要介紹壓力檢測的方法及傳感器。3.2.2電阻應變式壓力檢測電阻應變式壓力傳感器利用金屬應變片的電阻隨應變變化的原理進行壓力測量。具有結構簡單、精度高、響應速度快等特點。3.2.3壓電式壓力檢測壓電式壓力傳感器是利用壓電材料在受到壓力作用時產生電荷的原理進行壓力測量。具有靈敏度高、頻率響應范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點。3.2.4電容式壓力檢測電容式壓力傳感器利用電容量與壓力之間的變化關系進行壓力測量。具有線性好、精度高、穩(wěn)定性強等特點。3.3流量檢測3.3.1概述流量檢測在石油、化工、水利等行業(yè)具有廣泛應用，對于保證生產過程穩(wěn)定和優(yōu)化生產操作具有重要意義。3.3.2差壓流量計差壓流量計是利用流體流經節(jié)流裝置時產生的差壓與流量之間的關系進行流量測量的方法。具有結構簡單、適用范圍廣、精度較高等優(yōu)點。3.3.3渦輪流量計渦輪流量計是利用流體流動時對渦輪的旋轉作用產生脈沖信號的原理進行流量測量的傳感器。具有線性好、精度高、響應速度快等優(yōu)點。3.3.4超聲波流量計超聲波流量計利用超聲波在流體中傳播速度與流體流速之間的關系進行非接觸式流量測量。具有安裝方便、無干擾、適用范圍廣等優(yōu)點。3.4液位檢測3.4.1概述液位檢測在化工、石油、食品等行業(yè)中具有重要意義，對于保證生產過程的安全、優(yōu)化操作和提高產品質量具有關鍵作用。3.4.2靜壓式液位檢測靜壓式液位檢測是利用液體對傳感器產生的壓力與液位高度成正比的原理進行液位測量的方法。具有結構簡單、精度較高等優(yōu)點。3.4.3浮力式液位檢測浮力式液位檢測是利用浮子受到液體浮力作用而位置變化的原理進行液位測量的方法。具有結構簡單、安裝方便、適用范圍廣等優(yōu)點。3.4.4阻抗式液位檢測阻抗式液位檢測是利用液體的電阻或介電常數與液位高度之間的關系進行液位測量的方法。具有響應速度快、精度較高等優(yōu)點。第4章數據采集與處理4.1數據采集系統(tǒng)概述數據采集系統(tǒng)是測量與控制技術中的關鍵環(huán)節(jié)，其主要任務是對現(xiàn)實世界中的物理信號進行采集、轉換和傳輸。本節(jié)將從數據采集系統(tǒng)的基本構成、工作原理及其在測量與控制領域的應用進行概述。4.1.1數據采集系統(tǒng)的基本構成數據采集系統(tǒng)主要包括以下四個部分：（1）傳感器：傳感器作為數據采集系統(tǒng)的前端，負責將現(xiàn)實世界中的各種物理信號（如溫度、壓力、流量等）轉換為電信號。（2）信號調理電路：信號調理電路對傳感器輸出的電信號進行放大、濾波、線性化等處理，使其滿足后續(xù)處理電路的要求。（3）模擬數字轉換器（ADC）：ADC將調理后的模擬信號轉換為數字信號，便于數字信號處理。（4）數據采集卡：數據采集卡負責將ADC轉換后的數字信號傳輸給計算機進行處理。4.1.2數據采集系統(tǒng)的工作原理數據采集系統(tǒng)的工作原理主要包括以下三個步驟：（1）信號采樣：根據采樣定理，以足夠高的采樣頻率對模擬信號進行采樣，使其能完全恢復原始信號。（2）信號量化：將采樣后的模擬信號轉換為數字信號，這一過程由ADC完成。（3）數據傳輸與處理：將數字信號傳輸給計算機，利用數字信號處理技術進行分析、處理和應用。4.1.3數據采集系統(tǒng)在測量與控制領域的應用數據采集系統(tǒng)在測量與控制領域具有廣泛的應用，如自動化控制系統(tǒng)、故障診斷、環(huán)境監(jiān)測等。通過數據采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時、準確的數據監(jiān)測與控制，提高生產效率，降低生產成本。4.2采樣定理與信號重構采樣定理是數據采集系統(tǒng)中的基本理論，本節(jié)將介紹采樣定理的基本原理及其在信號重構中的應用。4.2.1采樣定理采樣定理指出，為了使連續(xù)時間信號能夠從其采樣值完全恢復，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。即：f_s≥2f_h其中，f_s為采樣頻率，f_h為信號的最高頻率。4.2.2信號重構信號重構是指利用采樣值恢復原始連續(xù)時間信號的過程。根據采樣定理，可以通過以下步驟實現(xiàn)信號重構：（1）對原始信號進行采樣，得到采樣序列。（2）利用數字信號處理技術，如插值、濾波等，對采樣序列進行處理。（3）通過逆變換，將處理后的采樣序列轉換為連續(xù)時間信號。4.3數字信號處理基礎數字信號處理（DigitalSignalProcessing，DSP）是數據采集系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹數字信號處理的基本概念、算法及其在數據采集與控制中的應用。4.3.1數字信號處理基本概念數字信號處理主要涉及以下基本概念：（1）離散時間信號：將連續(xù)時間信號在時間上離散化，得到離散時間信號。（2）離散時間系統(tǒng)：利用數字信號處理算法對離散時間信號進行處理。（3）數字濾波器：在數字信號處理中，濾波器用于對信號進行特定頻率范圍內的增強或抑制。4.3.2數字信號處理算法數字信號處理算法主要包括以下幾類：（1）傅里葉變換（FFT）：將時域信號轉換到頻域，便于分析信號的頻率成分。（2）數字濾波器設計：根據濾波器類型（如低通、高通、帶通等）和設計指標，設計數字濾波器。（3）自適應濾波器：通過調整濾波器系數，實現(xiàn)對信號的自適應處理。4.3.3數字信號處理在數據采集與控制中的應用數字信號處理在數據采集與控制領域具有廣泛的應用，如：（1）信號預處理：對采集到的原始信號進行去噪、濾波等處理，提高信號質量。（2）特征提?。簭奶幚砗蟮男盘栔刑崛∮杏眯畔ⅲ糜诤罄m(xù)控制策略的制定。（3）控制算法實現(xiàn)：利用數字信號處理技術，實現(xiàn)各種控制算法，如PID控制、模糊控制等。第5章控制系統(tǒng)數學模型5.1系統(tǒng)的微分方程描述5.1.1微分方程的概念微分方程是描述物理系統(tǒng)動態(tài)行為的一種數學表達方式。它建立了系統(tǒng)輸出與輸入、系統(tǒng)狀態(tài)及其導數之間的關系。5.1.2系統(tǒng)微分方程的建立根據物理系統(tǒng)的基本定律和原理，通過拉格朗日方程、牛頓第二定律或電路定律等方法建立系統(tǒng)的微分方程。5.1.3微分方程的求解針對一階微分方程和二階微分方程，分別采用常數變易法、待定系數法、積分因子法等方法進行求解。5.2傳遞函數及其性質5.2.1傳遞函數的定義傳遞函數是系統(tǒng)在零初始條件下，輸出信號的拉普拉斯變換與輸入信號的拉普拉斯變換之比。5.2.2傳遞函數的性質（1）線性性質：傳遞函數具有線性特性，即滿足疊加原理和齊次原理。（2）時不變性質：傳遞函數不隨時間變化，僅與系統(tǒng)結構和參數有關。（3）因果性質：輸出僅與當前及未來的輸入有關，與過去的輸入無關。5.2.3傳遞函數的求解根據系統(tǒng)的微分方程或狀態(tài)空間方程，利用拉普拉斯變換法求解傳遞函數。5.3狀態(tài)空間描述5.3.1狀態(tài)空間的概念狀態(tài)空間是一種描述系統(tǒng)動態(tài)行為的數學模型，通過一組狀態(tài)變量和輸入、輸出變量來描述系統(tǒng)的演化過程。5.3.2狀態(tài)方程的建立根據系統(tǒng)的微分方程，通過狀態(tài)變量、輸出變量和輸入變量的選取，建立系統(tǒng)的一階微分方程組，即狀態(tài)方程。5.3.3輸出方程的建立根據系統(tǒng)輸出與狀態(tài)變量之間的關系，建立輸出方程。5.3.4狀態(tài)空間模型的求解采用數值解法、解析解法等方法求解狀態(tài)空間模型，得到系統(tǒng)輸出與輸入之間的關系。第6章控制系統(tǒng)分析6.1穩(wěn)定性分析6.1.1穩(wěn)定性概念穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)分析與設計中的功能指標。本章主要研究線性定?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)內部穩(wěn)定性和外部穩(wěn)定性。6.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性判據介紹李雅普諾夫穩(wěn)定性判據的基本原理及其在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應用。通過求解系統(tǒng)狀態(tài)方程，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.1.3勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據介紹勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據，通過分析系統(tǒng)特征方程的系數，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.2靜態(tài)誤差分析6.2.1靜態(tài)誤差概念靜態(tài)誤差是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，輸出值與期望值之間的差值。本章分析線性定?？刂葡到y(tǒng)在單位階躍、單位斜坡和單位加速度輸入下的靜態(tài)誤差。6.2.2靜態(tài)誤差系數介紹靜態(tài)誤差系數的定義及計算方法，通過靜態(tài)誤差系數分析系統(tǒng)靜態(tài)誤差功能。6.2.3減小靜態(tài)誤差的措施分析影響靜態(tài)誤差的因素，提出相應的減小靜態(tài)誤差的措施，如提高系統(tǒng)開環(huán)增益、增加積分環(huán)節(jié)等。6.3頻率特性分析6.3.1頻率特性概念頻率特性是指系統(tǒng)輸出與輸入信號的頻率關系。本章主要研究線性定?？刂葡到y(tǒng)的頻率特性，包括幅頻特性和相頻特性。6.3.2幅頻特性與相頻特性分析系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性，了解系統(tǒng)在不同頻率下的功能表現(xiàn)。6.3.3奈奎斯特穩(wěn)定判據介紹奈奎斯特穩(wěn)定判據的基本原理，通過分析系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。6.3.4頻率特性與系統(tǒng)功能的關系分析頻率特性與系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、超調量等功能指標之間的關系，為控制系統(tǒng)設計提供依據。6.3.5頻率域補償介紹頻率域補償原理，通過調整系統(tǒng)頻率特性，改善系統(tǒng)功能。包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等補償方法。第7章控制系統(tǒng)設計7.1控制系統(tǒng)設計概述控制系統(tǒng)設計是測量與控制技術中的重要環(huán)節(jié)，其目標是通過合理的系統(tǒng)配置和參數設計，使控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)功能、動態(tài)功能和魯棒功能。本章將介紹控制系統(tǒng)設計的基本原理和方法，包括負反饋控制系統(tǒng)設計、狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計等內容。7.2負反饋控制系統(tǒng)設計7.2.1負反饋控制原理負反饋控制是控制系統(tǒng)中最基本的一種控制策略，其核心思想是將系統(tǒng)輸出與期望值進行比較，產生的誤差信號通過控制器調整控制量，從而使系統(tǒng)輸出接近期望值。負反饋控制具有以下優(yōu)點：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、減小穩(wěn)態(tài)誤差、改善系統(tǒng)動態(tài)功能。7.2.2控制器設計控制器設計是負反饋控制系統(tǒng)設計的核心內容?？刂破髟O計主要包括以下步驟：（1）確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數。（2）根據系統(tǒng)功能指標，選擇合適的控制器結構。（3）設計控制器參數，使得系統(tǒng)閉環(huán)功能滿足要求。7.2.3負反饋控制系統(tǒng)設計實例以某過程控制系統(tǒng)為例，介紹負反饋控制系統(tǒng)設計方法。具體步驟如下：（1）確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數。（2）根據功能指標，選擇PID控制器作為控制器。（3）設計PID控制器參數，包括比例、積分、微分參數。（4）仿真驗證系統(tǒng)功能。7.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計7.3.1狀態(tài)反饋控制原理狀態(tài)反饋控制是在負反饋控制的基礎上，引入系統(tǒng)狀態(tài)變量進行控制的一種方法。其基本思想是將系統(tǒng)狀態(tài)變量反饋到控制器，通過對狀態(tài)變量的調整，使系統(tǒng)輸出滿足期望值。狀態(tài)反饋控制具有更好的動態(tài)功能和魯棒功能。7.3.2狀態(tài)反饋控制器設計狀態(tài)反饋控制器設計主要包括以下步驟：（1）確定系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。（2）設計狀態(tài)反饋矩陣，使得系統(tǒng)閉環(huán)功能滿足要求。（3）設計控制律，實現(xiàn)對狀態(tài)變量的調整。7.3.3狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計實例以某飛行控制系統(tǒng)為例，介紹狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設計方法。具體步驟如下：（1）建立系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。（2）設計狀態(tài)反饋矩陣，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)功能和魯棒功能。（3）設計控制律，實現(xiàn)對飛行器的穩(wěn)定控制。（4）仿真驗證系統(tǒng)功能。第8章數字控制系統(tǒng)8.1數字控制系統(tǒng)概述數字控制系統(tǒng)是指以數字計算機或數字信號處理器為核心，對被控對象進行控制的系統(tǒng)。它將連續(xù)的物理信號轉換為離散的數字信號，通過數字控制器進行算法處理，再輸出控制信號，實現(xiàn)對被控對象的精確控制。本節(jié)主要介紹數字控制系統(tǒng)的基本概念、組成及特點。8.1.1數字控制系統(tǒng)的基本概念數字控制系統(tǒng)主要由被控對象、傳感器、執(zhí)行器、數字控制器和輸入輸出接口等組成。其基本任務是實現(xiàn)對被控對象的穩(wěn)定、快速、準確控制。8.1.2數字控制系統(tǒng)的組成數字控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括數字計算機或數字信號處理器、A/D和D/A轉換器、傳感器、執(zhí)行器等；軟件部分主要包括控制算法、數據處理程序等。8.1.3數字控制系統(tǒng)的特點數字控制系統(tǒng)具有以下特點：（1）精度高、穩(wěn)定性好；（2）靈活性強、適應性強；（3）易于實現(xiàn)復雜控制算法；（4）便于與計算機及其他設備集成；（5）維護方便、成本較低。8.2數字控制器的設計方法數字控制器設計是數字控制系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)。本節(jié)主要介紹數字控制器的設計方法，包括模擬控制器數字化方法、直接數字設計方法和狀態(tài)空間設計方法。8.2.1模擬控制器數字化方法模擬控制器數字化方法是將已知的模擬控制器通過一定的變換方法轉換為數字控制器。主要包括以下幾種方法：（1）線性變換法；（2）雙線性變換法；（3）零極點匹配法；（4）最小二乘法。8.2.2直接數字設計方法直接數字設計方法是基于數字控制系統(tǒng)的特點，直接在離散域內進行控制器設計。主要包括以下幾種方法：（1）采樣控制設計法；（2）離散PID控制設計法；（3）數字濾波器設計法；（4）狀態(tài)空間設計法。8.2.3狀態(tài)空間設計方法狀態(tài)空間設計方法是將控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程離散化后，直接在離散域內進行控制器設計。主要包括以下步驟：（1）狀態(tài)方程和輸出方程的離散化；（2）狀態(tài)反饋控制器設計；（3）觀測器設計；（4）控制器功能分析。8.3數字控制算法實現(xiàn)數字控制算法是實現(xiàn)數字控制器功能的核心部分，主要包括PID控制算法、模糊控制算法、自適應控制算法等。本節(jié)主要介紹這些算法在數字控制器中的實現(xiàn)方法。8.3.1PID控制算法實現(xiàn)PID控制算法是應用最廣泛的控制算法，其實現(xiàn)方法包括以下步驟：（1）確定采樣周期；（2）選擇適當的PID參數；（3）離散化PID算法；（4）編寫程序實現(xiàn)PID控制。8.3.2模糊控制算法實現(xiàn)模糊控制算法是一種基于模糊邏輯的控制方法，其實現(xiàn)步驟如下：（1）確定輸入、輸出變量；（2）建立模糊控制規(guī)