自动化控制原理 第1章绪论

自动控制原理

长沙理工大学

电气与信息工程学院自动化系

李茂军*1课程性质电气与信息类专业必修的专业基础课，自动化专业主干专业基础课，主要讲述自动控制系统分析与设计的基本理论和方法。自动控制理论可分为古典控制理论、现代控制理论、智能控制理论等，《自动控制原理》主要讲授古典控制理论。古典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系统的分析和设计问题。*2课程性质现代控制理论以状态空间模型为基础，研究多输入多输出（MIMO）系统的分析与设计问题。智能控制理论涉及人工智能、自动控制、运筹学、系统论、信息论等，体现了人的控制策略和控制思想，拥有受控对象及环境的相关知识以及运用这些知识的能力，能在复杂环境下进行综合分析、判断和决策，实现对复杂系统的控制。*3本章内容1.1什么是自动化?1.2自动化的作用1.3自动化的过去、现在和将来1.4自动控制方式1.5自动控制系统分类1.5自动控制系统性能要求1.7典型输入信号*4自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程。1.1什么是自动化?自动化是在没有人的直接参与下，利用各种技术手段，通过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，使机器、设备等按照预定的规律自动运行，实现预期的目标，或使生产过程、管理过程、设计过程等按照人的要求自动地完成。*5

自动控制与自动化的关系和区别：自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按预定的程序或指令自动地运行。自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。自动化就是无须人的直接参与，通过控制装置去自动操纵机器、设备等，使其按照预定的规律运行，完成要求的任务。*6自动化与自动控制的关系和区别：两者既有联系，但也有一定的区别。自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是一样的。*7自动化系统举例

空调—自动调节房间温度：以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度高低，空调控制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于“反馈控制”。反馈控制系统是最为常见的控制系统。*8全自动洗衣机：按照设定的程序自动完成洗衣任务。这是另一种典型的自动控制方式——程序控制。可以检测出洗衣量的多少、脏的程度、衣料的质地等，并根据这些信息自动进行分析计算，决定洗涤剂用量、水位高低、洗衣时间等，从而实现“智能型”的全自动洗衣。*9数控机床和数控加工中心：

自动完成零部件的加工

数控机床——数控技术与机械技术相结合，相当于给机床添加了“大脑”和“感觉器官”，赋予了“智慧”。数控加工中心——带有刀具库和自动换刀装置的多功能数控机床，能自动完成多种工序和复杂形状的产品加工。一种数控加工中心*10战机对目标的自动攻击：现代战机在攻击目标时，可以在几十甚至几百公里以外将导弹发射出去。先进的导弹可以做到“发射后不管”，即在发射后能够自动搜寻、跟踪和击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。战斗机发射导弹战机的武器系统*11*12机器人*13*14*15*16*17*18电力系统自动化*20电力主要来源于水电、火电和核电，其他如太阳能、风能、海洋能、生物能等产生的电力目前还只能是一种补充。电力系统包含发电、输电、变电、配电等多个环节，而且地域分布广，系统结构复杂，如何保障电力系统的安全稳定运行至关重要。电力系统自动化是采用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，对电力系统进行就地或远程的自动监视、调节、控制和管理，保证电力系统的安全经济运行和传输合格的电能质量。*21电力系统复杂而庞大，在电力系统中任何一点发生的故障，都会在瞬间影响和波及全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩大，造成大面积停电，因此电力系统要求进行快速的自动控制。被控参数很多，包括频率、电压、有功和无功功率、功率平衡等，监视和控制成千上万个运行参数必须依靠自动化。*22存在各种干扰，包括系统故障等，系统故障有时会使电力系统失去稳定，造成灾难性后果，因此如何控制才能保证稳定，或出现不稳定后怎样恢复稳定，已成为电力系统自动化的重大课题之一。正是由于采用了自动监控和远动控制技术，才使得电力系统的规模能不断扩大。要保证电力系统安全、优质、经济运行，单靠运行值班人员进行人工监视和操作是无法实现的，必须依靠自动化装置和设备。安全供电、保证良好的电能质量、经济运营都需要自动化。*23按电力系统运行管理，可将电力系统自动化分为调度自动化、发电厂自动化、变电站自动化；调度自动化又可分为输电调度、配电网调度自动化；发电厂自动化又分为火电、水电、核电等；从电力系统自动控制的角度，可以将电力系统自动化分为电力系统频率和有功功率自动控制、电力系统电压和无功功率自动控制等。*24三峡水电站外观*25*26三峡电站控制室*27三峡电站控制设备发电机组单元控制室及调速器发电机组变压设备发电机组厂房*28三峡电站水轮机和发电机吊装*291.2自动化的作用自动化使我们的生活与工作更加方便、高效、省心、省力。自动化使生产过程的效率更高、成本更低、产品质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更小、并显著地降低能源和原材料消耗。自动化使我们能够做很多我们以前无法做的事情，如通过载人航天器翱翔太空、借助无人潜水器探测深海，利用机器人处理危险品、爆炸物、核废料，利用人造卫星实现全球通信等。*30早期的自动化使人类从体力上获得了解放，现代的自动化则已发展为综合自动化，可以自动完成分析、设计、计算、优化、协调、决策等，从而使人不仅从体力上，也从脑力上获得了很大程度的解放。自动化广泛应用于工业﹑农业﹑交通、国防﹑商业﹑医疗﹑航空航天、服务和家庭等各个领域。*31自动化的常见应用类型工厂自动化（FactoryAutomation）

包括生产设备、生产线、生产过程、管理过程等的自动化。通常由数控机床、数控加工中心、工业机器人、自动传送线、无人运输车、自动化仓库及计算机监控中心等构成自动化生产线或自动化工厂。管理过程自动化一般包含一个网络化的计算机信息管理系统，可实现全厂生产、财务、人事、技术与设备等的综合自动化管理。*32发展趋势：“管控一体化”或“综合自动化”生产自动化与管理自动化的有机结合称为“管控一体化”或“综合自动化”，可以实现从需求分析、产品预订、产品设计、产品生产到销售、用户信息反馈及售后服务等全方位自动化，从而最快速地对市场作出反应，最大限度地满足客户需求、提高生产效率、确保产品质量、减少原材料和能源消耗。*33“管控一体化”系统示意图*34办公自动化（OfficeAutomation，简称OA）利用计算机、扫描仪、复印机、传真机、电话机、网络设备、配套软件等各种现代化办公设备和先进的通信技术，高效率地从事办公业务，广泛、全面、迅速地收集、整理、加工、存储和使用各种信息，为科学管理和决策服务。*35家庭自动化（HomeAutomation）指家庭生活服务或家庭信息服务的自动化，如空调、洗衣机、照明控制系统、自动烹调装置、防盗系统、自动抄表系统、计算机网络等。高层次的家庭自动化利用中央微处理机及网络统一管理和控制所有的家电设备，既可以在家里通过键盘、触摸式屏幕、按钮等设备将指令发送至中央微处理器，也可以在外面通过电话或互联网发出指令，获取工作状态的信息，接受提示或报警等。*36家庭自动化系统示意图*37楼宇自动化（BuildingAutomation）对建筑物中所有能源、机电、消防、安全保护设施等实行自动化和智能化的统一管理，以创造出了一个有适宜温度、湿度、亮度、空气清新、高效节能、安全舒适和方便快捷的工作或生活环境。包含的子系统：空调与通风监控系统、给排水监控系统、照明监控系统、电力供应监控系统、电梯运行监控系统、综合防盗保安系统、消防监控系统、停车场监控系统等。*38楼宇自动化系统示意图*39交通自动化（TrafficAutomation）综合运用计算机、通信、检测、自动控制等先进技术，实现对交通运输系统的自动化管理和控制。目标是安全、快捷、舒适、准点和经济。主要内容有交通状况的监控与管理、交通信息的提供与服务、运输系统的最优化运行与控制等。交通自动化正在走向智能化、信息化和综合自动化，如红绿灯自动优化配时、全球卫星定位系统、地理信息系统及综合监控系统等。*40城市智能交通综合管理系统示意图*41军事自动化（MilitaryAutomation）核心是武器装备的自动化和军事指挥的自动化。传统的机械化战争正发展为信息化和自动化战争，谁胜谁负主要取决于信息化和自动化水平的高低，谁能够更快、更准确的获取信息，并在最短的时间里完成分析和决策，以最快的方式实施尽可能精确的打击，谁就掌握了战争的主动权。作战机器人、无人飞机、无人潜艇等各种智能型武器系统不断涌现，未来的战争将是智能机器之间的较量，比的是自动化水平的高低和计算机、通信、检测、控制等技术的优劣。*42海陆空天一体化的指挥体系*43我军新型隐形导弹艇作战机器人我军无人攻击机美军F117隐形战斗轰炸机*44我国“东风”

弹道导弹美军“三叉戟”弹道导弹国产“雷霆”激光制导炸弹*45无人立体作战系统构想图*46农业自动化（AgricultureAutomation）农业现代化的重要标志：大量应用自动化技术和现代信息技术。“精准农业”的概念：根据土壤肥力、苗情、杂草、病虫害等信息，自动地进行精准的耕作、播种、施肥、灌溉、除草、喷洒农药、收割等作业，从而达到省力、高效、安全、节省资源和保护生态的目的。*47日本基于GPS的无人驾驶自动插秧机*48各种自动化农业机械Autonomousricetransplanter*49自动化喷灌系统温室立体栽培1.3自动化的过去、现在和将来*5118世纪末发明蒸汽机及离心调速器

第一次工业革命大规模使用机器系统瓦特1788年发明蒸汽机及其反馈控制系统Watt蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机负载转速杠杆套筒弹簧飞锤圆锥齿轮转速检测转速阀门*52蒸汽机时代的工厂*5319世纪下半叶发现电、发明发电机及电动机

第二次工业革命（电气化）

大量采用电气控制装置*5420世纪前期的“二战”、工业化及经典控制理论的成熟推动了自动化系统的广泛应用*5520世纪中期发明计算机在自动化系统中大量采用计算机——计算机控制系统古董计算机现代工业控制计算机主板*5620世纪80年代开始在自动化系统中大规模实现计算机联网——网络化控制系统*5720世纪90年代通过计算机网络将管理系统与控制系统一体化，即管控一体化控制层管理层中央控制器设计计划管理调度控制单元控制器数控系统Monitor*58自动控制理论的发展古典控制理论，经典控制理论：十九世纪末期，由于战争的需要而发展起来，主要研究SISO系统。现代控制理论：二十世纪中期，由于空间技术的需要而发展起来，主要研究MIMO系统。智能控制理论：二十世纪八十年代，是人工智能、自动控制、运筹学的综合。1.4自动控制方式*60自动控制的基本方式

开环控制，闭环控制，补偿控制最常用的控制方法——PID控制

比例、积分、微分控制

最热门的控制方法——智能控制

专家控制、模糊控制、神经网络控制*61例：电加热炉的炉温控制外部扰动：电源电压波动，环境温度变化等内部扰动：元器件老化、参数改变，工件体积和质量变化等给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件最简单的控制——开环控制*62特点：结构简单，但抗扰性差，控制精度低原理图：方块图：功率放大器加热炉控制输入（给定电压）（电功率）输出量（炉温）控制装置受控对象扰动量扰动量给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件*63自动控制的精髓——反馈控制例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件温度检测根据炉温的高低调节给定电压，从而调节温度*64给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件注：反馈控制又称为闭环控制电加热炉的炉温反馈控制*65方块图：

原理图：控制器加热炉炉温检测ur扰动y－eufu比较点(综合点)检测噪声给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件*66自动控制系统是负反馈系统！正反馈例：振荡电路、“良性循环”、“恶性循环”反馈控制的特点：有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好，控制精度高反馈形式：负反馈，正反馈*67反馈系统的相关术语：受控对象反馈信号温度：被控量给定信号比较环节检测环节-给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源u输出量y被控量（炉温）+工件*68控制装置受控对象检测环节给定信号扰动－反馈信号控制量误差被控量反馈控制系统的基本结构：*69反馈控制系统举例：水箱的水位控制+-水位y出水阀门误差进水水箱放大器M电机给定电位计*70反馈控制举例：全自动燃气热水器手动调节全自动反馈调节：自动根据水温调节火力进水出水进气燃气热水器原理图*71反馈控制举例：电冰箱的温度控制继电控制器温度检测*72反馈控制举例：楼房恒压供水水泵调速

控制器进水至用水户水压检测流量检测*73其他反馈控制的例子：人走路、骑车、驾车等数控机床自动加工零件交通信号控制雷达火炮系统自动跟踪飞机人的体温、呼吸、心跳等教学过程、人才培养过程人口控制、经济控制…还有哪些你知道的反馈控制系统例？*74即时纠偏—补偿控制例：电加热炉对电源电压波动的补偿控制电源电压↑输出电压↑，但补偿调节器使控制电压↓

输出电压基本不变温度基本不变功率放大器加热炉输出电压炉温控制电压扰动电源电压波动给定电位器给定电压扰动检测补偿调节器补偿控制的特点：提供一个控制作用来尽量抵消扰动对系统的影响，抑制扰动比反馈控制更及时。*75功率放大器加热炉输出电压炉温补偿与反馈相结合的炉温复合控制系统炉温检测控制电压扰动给定电位器控制器给定电压误差反馈电压电源电压波动扰动检测补偿调节器

补偿控制属于开环控制，补偿效果取决于设计是否准确，而且仅对特定可测扰动有效，一般扰动要靠反馈控制来抑制。*76复合控制系统例：水箱的水位反馈控制+

针对出水流量变化的补偿控制+-水位y出水阀门误差进水水箱放大器M电机给定电位计出水流量检测补偿调节器出水流量变化补偿调节改变阀门开度水位基本不变比单纯的反馈调节更快、更及时！*77补偿控制可更及时地抑