教学课件：《自动控制原理》

《自动控制原理》多媒体教案

绪论部分

一、什么是自动化？

(a)手动控制漫画(b)自动控制

图1水温的手动控制和自动控制的示意图

图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。

防空导弹制导1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机雷达4-导弹发射架

图2双雷达控制的防空导弹命中爆炸示意图二、自动化的作用加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程1.提高社会生产率和工作效率，2.节约能源和原材料消耗，3.保证产品质量，4.改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动，5.改进生产工艺和管理体制。

现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。

控制科学与工程学科

图1.1学科组成示意图自动化自动控制控制理论电气工程与自动化工业自动化机械制造自动化电力系统自动化

自动化，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。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。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的。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相近的。三、控制和自动化的概念

四、我国古代自动装置中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：

(1)指南车(2)铜壶滴漏(3)浮子式阀门

(4)饮酒速度的自动调节(5)计里鼓车

(6)漏水转浑天仪

(7)候风地动仪(8)水运仪象台

4.1

恒值自动调节系统(现代)图4.1炉温自动控制系统

4.2随动系统（伺服系统）在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统(Servo–mechanism)。国防上的炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。

4.3

自动控制系统的组成（1）给定环节

产生给定的输入信号；（2）反馈环节

对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号；

（3）比较环节

将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生“误差”信号；（4）控制器（调节器）根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心部分；（5）执行环节（执行机构）将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化；

（6）被控对象

控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量；（7）扰动

除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系统内、外的物理量。

4.4自动控制系统的各环节功能框图

给定输入给定环节控制器放大环节执行环节被控对象误差反馈信号输出扰动+_反馈环节

4.5自动化仪表

（1）传感器实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量(通常是电量)，例如热电偶；（2）变送器与传感器配套，使输出成为标准信号。例如对DDZⅢ电动单元组合仪表，标准信号为4–20ma；（3）控制器（调节器）采用模拟信号的调节器使用较多，它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。控制器起了给定环节、比较环节和控制器三者的作用；（4）放大器用以增加信号的幅度或(和)功率，如晶体管放大器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）；（5）执行机构接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用，如电动机M。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、液压伺服马达、电动调节阀等。

4.6自动控制和远距离控制

在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往是较短的。

远距离测量（遥测）系统

图4.1遥测系统框图发送单元发送端接收端有线无线接收单

元解编单元纪录单元显示单元数据处理单元传感单元变换单元数据采编单

元存储纪录重放单元来自被测对象在一个自动化系统中，若是设备之间有较长的距离，例如数十、或数百、数千公里就不能用通常的电气或机械的联系来传递测量信号、反馈信号和控制信号。这时，需要在分离的设备之间设立专门的（通）信道。（通）信道是传输信息的媒质或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。图4.2远距离控制(遥控)系统框图发生器遥控指令指令编码器调制器发射机信道接收机解调器译码器执行机构被控对象反馈环节发送端把所需传送的控制命令、测量数据、反馈信号等经过调制、编码等变换处理之后，再经过（通）信道传递。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信号经过解调、译码等反变换处理，恢复为原来的形式（图4.1和图4.2）。

比例微分积分控制方法

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的元件（环节）和（或）有滞后的元件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。这自然令人想到：解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分”项。它能预测误差变化的趋势。控制规律

控制规律中引入微分、积分有静差和无静差如果自动控制系统是稳定的，有一个现象很值得重视：被控制量（系统输出）在扰动出现后能否较精确地回到所要求的给定值。若是否定的，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分”项。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，也会便随着时间的增加而积分项加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，简称无差系统。0tfuuaufr五、控制与自动化技术的应用范畴

5.2机械制造自动化5.3过程工业自动化5.4电力系统自动化5.5飞行器控制5.6智能建筑5.7智能交通系统5.8生物控制5.9生态与环境控制5.10社会经济控制5.11大系统控制与系统工程

5.1控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。5.3过程工业自动化在连续型工业中，主要对系统的温度，压力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业，称之为过程工业。

过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。

5.3.1过程工业自动化的研究内容及特点工业生产过程的自动控制称为过程控制，它是过程工业自动化的核心内容。过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。

早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。

但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统

(DistributedComputerControlSystem，简称DCS)。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。

5.3.2基于计算机技术的过程控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量……控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台图b

分布式计算机控制系统图

a直接数字控制系统

其他系统5.4.1供电质量的自动化要求(电力系统自动化)供电质量主要指电压质量和频率质量。我国电力系统的频率标准是50hz，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。但频率变化是电力系统内电力盈亏的标志。电力系统内发电出力多于用电量时，多余的电力转化为加速电机转速的动能，频率将加快；发电不足时，发电机付出动能来满足用电的需要，频率将下降。所以，电力系统运行中，需要自动调频装置来保持电力的正常盈亏平衡，根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。

电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。

1965年11月9日下午5点16分11秒，纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们先后在2.72秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速，频率上升，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电力，在大约1.5秒内，这些线路的过负载保护先后动作而断开，造成纽约市缺电大约130万kw，从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了100万kw，以至电压和频率不能平衡。几分钟内，该区内频率下降，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承损坏而停运，最终导致全市停电。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作，全市大乱。断电时间长达13.5小时。由此可知，先进、可靠的电力自动化系统是多么重要和必要！

5.4.2从一次停电事故看电力系统自动化5.5飞行器控制

5.5.1导弹控制系统的功用

5.5.2导航系统

5.5.3制导系统

5.5.4姿态控制系统

5.5.5飞行控制电子综合系统

5.5.6测试与发射控制系统

现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器控制的内容非常丰富：

5.5.1导弹控制系统的功用飞行器控制系统飞行控制系统测试发射控制系统导航系统制导系统姿态控制系统电子综合系统测试系统发射控制系统监视控制系统图5.7飞行器控制系统的构成

导弹控制系统的主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。控制系统的作用就是消除或减小干扰和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。

5.5.2导航系统

飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。所谓导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状