1《自動控制原理》多媒體課件主講：劉海燕

2第一章緒論

本章主要內容：一、自動控制理論發展史簡介二、自動控制系統的一般概念三、開環系統與閉環系統四、自動控制系統分類五、對控制系統性能的要求和本課程的任務3

第一節自動控制理論發展史簡介

18世紀中葉，瓦特設計離心調節器控制蒸汽機車的速度，研制了世界上最早的自動控制系統。

1932年，乃奎斯特提出了幾何穩定判據，后證實，這個判據同樣適用于控制系統。

1945年，伯德提出了反饋放大器的一般設計方法，并編著了《網絡分析與反饋放大器的設計》一書。

1947年，美國出版了當時世界上第一本控制方面的教材《伺服機原理》。

1948年，美國麻省理工學院完成了一系列自動控制的實踐工程。

1954年，錢學森在美國出版專著《工程控制理論》，并于1958年譯成中文。

1954年，天津大學教授劉豹編著《自動控制原理》。

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經典控制理論（20世紀60年代以前）：主要解決單輸入單輸出問題，所研究的系統多半是線性定常系統。現代控制理論：20世紀60年代，隨著高精度數字計算機的誕生，為解決復雜控制系統提供了實現上的可能性。現代控制理論涉及多變量控制系統、最優控制理論、系統辨識與模式識別、最優估計、自適應控制、自學習控制、模糊控制、專家系統、神經元及其網絡控制等等。51自動控制：2自動控制系統：在沒有人直接參與的條件下，通過控制器使被控對象或過程自動地按要求的規律運行。能夠完成自動控制功能的基本體系，稱為自動控制系統。3自動控制理論：分析與綜合自動控制系統的理論稱為自動控制理論。4應用：自動控制技術已經應用在工程、軍事和科學技術等各個領域，包括：航空、航天、航海、冶金、機械、能源、電子、生物、醫療、化工、石油、建筑等。第二節自動控制系統的一般概念一、自動控制技術及其應用6航空及航天飛行器在預定軌道上速度、加速度、飛行距離、高度、陀螺儀、陽光、星光、地磁、周圍環境、內部設備監控、本身狀態、氣壓等的檢測。飛行器：控制在預定軌道上速度、加速度、飛行距離測量、周圍環境、內部設備監控、本身狀態參數的測量。陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器789“勇氣號”火星探測器10“好奇號”火星探測器11美國宇航局機器人檢修太空設備

美國宇航局探索機器人

美軍排雷機器人

月球車12電影《泰坦尼克》中用于水下探測的“鄧肯”號機器人采礦機器人美國“水下龍蝦”機器人

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雷達（Radar，即radiodetectingandranging），意為無線電搜索和測距。它是運用各種無線電定位方法，探測、識別各種目標，測定目標坐標和其它情報的裝置。按用途可分為：目標探測雷達、偵察雷達、武器控制雷達、飛行保障雷達、氣象雷達、導航雷達等。141516北人集團機械加工車間17大型機器人全自動化大沖生產線18

日前，我國重卡領域首條大型機器人全自動化大沖生產線在中國重型汽車集團公司全線調試成功并正式投入使用。她的研制成功，一舉打破了自動化沖壓線僅應用于轎車行業的歷史，是國產重型卡車產品技術的一次重大飛躍。（2009.02.02，太平洋汽車網）中國重汽自動化大沖線集合了目前國內、國際一流的自動化控制技術，無論是系統的復雜性，還是設計理念的先進性都是目前國際一流的水準。自動化送料系統環節由七臺ABB沖壓專用機器人、德國先進清洗、涂油系統組成，確保了鋼板拆包、清洗、均勻涂油等沖壓作業前處理工序流程通暢；液壓金屬打包系統則采用地坑式結構，五臺壓力機產生的工藝廢料直接滑入地坑輸送帶至打包機壓實打包，清運出場。整條生產線先進的控制系統使上下料更智能、軌跡更柔和、運動精度更高。配置了ABB公司專門為沖壓自動化開發的全線監控系統，在保證設備PLC程序安全的同時，可實現壓力機、機器人的自動化并行作業；自動化大沖線產品件的一次成型和穩定的控制系統，對產品質量有著不可小窺的優勢，不但消除了半成品件周轉存儲時帶來的諸多問題，而且完全杜絕了傳統單機生產受操作者主觀情緒的影響。1920

傳統：行駛速度、距離、發動機旋轉速度、燃料剩余量等。

安全：安全氣囊系統、防盜裝置、防滑控制系統、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”等。

環保：排氣循環裝置、電子燃料噴射裝置等。2、汽車21全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)，液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。22樓宇控制與安全防護為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監測、空氣監測、溫度監測、電梯運行狀況。

離子感煙器

明火探測器

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圖示為某公司樓宇自動化系統。該系統分為：電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監控。245、機器人工業機器人：生產用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。汽車焊接機器人倉庫機器人

汽車噴漆機器人25(AutomatedGuidedVehicle，簡稱AGV)，指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，如，工業應用中不需駕駛員的搬運車。它里面所包含的傳感器有：

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內人和物所在位置；紅外線色彩傳感器（運動軌跡）和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。香港理工AGV模型AGV自動送貨車26AGV自動送貨車27智能機器人：有判斷能力日本喂飯機器人

瑞士“達芬奇”手術機器人

美軍爆炸物處理機器人

日本營救機器人

28瑞士“達芬奇”手術機器人

29日本廚師機器人

日本豐田公司機器人樂隊

德國人形機器人調制速溶茶

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“納米”機器人可以用于醫療事業、以幫助人類識別并殺死癌細胞以達到治療癌癥的目的、還可以幫助人們完成外科手術、清理動脈血管垃圾、及組成計算機新硬件等。

31溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養分等參數的測量。農業農業32二、認識一個簡單的自動控制系統1水池液面人工控制系統圖中F1為出水閥，F2為進水閥，希望液面的高度為h0。問：人怎樣參與該系統的控制，起哪些作用？33人工控制過程步驟1：測量實際液面的高度h1——用眼睛；步驟2：將測得實際液面的高度h1與希望的液面高度h0相比較——用大腦；步驟3：根據比較的結果，即按照偏差的正負去決定控制的動作——用手。控制動作的發出者：人人的作用：測量、比較、執行人工控制的本質：檢測偏差、糾正偏差34為便于研究，一般都把實際控制系統的信號流向畫成方框圖的形式。液面人工控制系統的方框圖如下：35人體與機器系統的對應關系362液面自動控制系統可以實現不論放水閥F1輸出的流量如何變化，系統總能自動地維持其液面的高度在允許的偏差范圍之內。37自動控制過程分析步驟1：測量實際液面的高度h1——用浮子；步驟2：將測得液面的高度h1所對應的電位值u1

與希望的液面高度h0所對應的電位值u0

相比較——用電位器；（這里u0=0）步驟3：把比較的結果——小偏差電壓信號進行放大，驅動電動機動作，控制進水閥F2——用電動機。控制動作的發出者：機電裝置自動控制的作用：自動測量、自動比較、自動執行自動控制的本質：檢測偏差、糾正偏差38該系統方框圖：指出：被控對象、測量元件、比較機構、放大機構和執行機構39三、方框圖的畫法：用方框表示系統中的各個組成部件，在每個方框中填入它所表示部件的名稱或其功能函數的表達式，而不必畫出它們的具體結構。根據信號在系統中的傳遞方向，用有向線段依次把它們連接起來，就得到整個系統的框圖。控制系統的框圖由以下三個基本單元組成：引出點、比較點、方框401引出點：它表示信號的引出，箭頭表示信號的傳遞方向。2比較點：又叫相加點，表示兩個或兩個以上的信號在該處的相加減運算，“+”號表示信號相加，“-”號表示信號相減。3方框：輸入信號置于方框的左端，方框的右端為其輸出量，方框中填入部件的名稱。4142

四、

位置隨動系統分析：指出：被控對象、測量元件、比較機構、放大機構和執行機構43位置隨動系統方框圖：44第三節開環控制與閉環控制一、開環控制與閉環控制1開環控制定義：如果系統的被控制量沒有與參考輸入量進行比較，這種控制方式叫開環控制，該系統叫開環控制系統。例如盲人取物：例如根據經驗控制進水閥門定時開閉大腦手參考輸入量被控制量只告知物品位置手位置452閉環控制定義：如果把系統的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入進行比較，這種控制方式叫閉環控制，該系統叫閉環控制系統。例如正常人取物：例如根據實際水位來控制進水開關的開閉大腦手輸入信號輸出信號（只告知物品位置）（手位置）眼睛46用來做高溫燒結、稀有金屬熔煉、各種高溫檢測實驗等等。3開環和閉環爐溫控制系統47開環爐溫控制系統原理方框圖（1）開環爐溫控制系統觸頭位置48（2）閉環爐溫控制系統被控對象、測量元件、比較機構、放大機構、執行機構49閉環爐溫控制系統方框圖：放大器電動機減速器電加熱絲給定溫度T0給定電壓U0誤差UUd溫度T測溫熱電偶Uf爐膛-外界干擾50開環控制系統框圖：執行機構參考輸入控制變量被控制量擾動量被控對象控制器閉環控制系統框圖：執行機構參考輸入控制變量被控制量擾動量被控對象控制器測量元件偏差放大環節反饋信號514開環控制系統的特點

優點：結構簡單，所用器件少，成本低，調試容易，系統一般也容易穩定。缺點：抗干擾能力差。但一旦系統受到干擾后，被控制量就會偏離原有的平衡狀態，系統沒有消除或減小誤差的功能，這是開環系統的一個致命缺點。正是這個缺點，大大限制了開環系統的應用范圍。52

優點：控制準確，精度高，反應靈敏、迅速，穩定性好。缺點：結構復雜，成本高。當受到來自系統內部和外部的干擾時，能自動消除或削弱干擾信號對被控制量的影響。由于閉環控制系統有良好的抗擾動功能，因而它在控制工程中得到了廣泛的應用。5

閉環控制系統的特點536反饋在閉環控制系統中，信號的傳遞有一個閉合的回路。被控制量直接或經過反饋環節后，反作用到系統的輸入端，并和給定信號作比較運算，利用所得的誤差信號對系統進行控制。通常，我們把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，稱為負反饋。反之，稱為正反饋。有的系統直接將被測量接入比較環節，稱為單位反饋。

54自動控制系統框圖的一般形式自動控制系統的框圖557幾個概念：r(t)-----系統的參考輸入(簡稱輸入量或給定量)c(t)-----系統的被控制量(又簡稱輸出量)b(t)-----系統的主反饋量

e(t)-----系統的誤差e(t)＝r(t)－b(t)d(t)-----系統的干擾,它是一種對系統輸出產生不利的信號56給定環節-----產生參考輸入信號的元件。如:浮子、電位器、測溫熱電偶等。控制器-----它的輸入是系統的誤差信號,經其變換或相關的運算后,產生期望的控制信號去控制被控對象。被控對象-----系統控制的對象,它受控制器輸出量的控制,其輸出量就是被控量。反饋環節-----將被控制量轉換為主反饋信號的裝置,這個裝置一般為檢測元件。57例題1：以液面自動控制系統為例，分析系統結構。

被控對象：被控制量：擾動量：給定環節：比較環節：放大環節：反饋環節：執行環節：水池實際水位出水量浮子、電位器電位器放大器浮子電動機、進水閥門58例題2：分析閉環直流電機調速系統的工作原理、系統結構，畫方框圖。59自動調節的過程：系統方框圖：60可以從不同角度分類：1.按照數學模型的性質：線性和非線性，時變和非時變2.按照參考輸入信號的變化規律：恒值控制、隨動控制系統3.按照系統內部傳輸信號的性質：連續控制、離散控制4.按照組成系統的元件種類：機電控制系統、液壓控制系統、氣動控制系統、生物控制系統5、按照被控量的名稱：溫度控制系統、轉速控制系統、張力控制系統第四節自動控制系統的分類61

下面從系統特性角度分類。一、按系統構成元件是否線性分類1線性控制系統由線性元件構成的系統是線性控制系統。或者說，如果系統滿足疊加原理，則稱其為線性系統。2非線性控制系統在控制系統中，如果有一個以上的元件具有非線性，則稱這個系統為非線性控制系統。或者說，如果不能應用疊加原理，則系統是非線性的。嚴格地說，絕對的線性控制系統是不存在的。為了簡化，在一定條件下，可以對某些非線性特性作線性化處理。這樣，非線性控制系統就可以近似為線性控制系統。62二、按輸入信號的變化規律分類1恒值控制系統：給定輸入量是一個常數，要求被控制量也是個恒定值。當有擾動信號作用時，能克服擾動的影響，使被控量維持恒值不變。這種系統在過程控制中應用最為普遍。如溫度控制系統、轉速控制系統、電壓頻率控制系統等。其特點是輸入量為一定值。2隨動控制系統：又名伺服控制系統。其給定輸入是變化規律未知的函數。要求被控量能夠迅速準確地隨輸入量而變。這種系統在軍事上應用最為普遍。如導彈發射架控制系統、雷達天線控制系統等。現在醫學上的先進技術刀手術、機械手也是典型的隨動系統。其特點是輸入量未知。63三、按信號傳輸過程是否連續分類1連續控制系統系統中各處傳輸的信號均是時間t的連續函數，這類控制系統稱為連續控制系統。2離散控制系統在系統中傳輸的信號中，只要有一個信號是時間t的離散信號，則稱這種系統為離散控制系統。計算機控制系統的方框圖64四、按系統參數是否隨時間變化分類1定常控制系統系統參數不隨時間變化的系統是定常控制系統。該系統的微分方程或差分方程的系數為常數。線性定常系統：可以用線性定常（常系數）微分方程描述的系統稱為線性定常系統。2時變控制系統系統參數隨時間變化的系統是時變控制系統。該系統的微分方程或差分方程的系數是時間的函數。線性時變系統：如果描述系統的微分方程的系數是時間的函數，則這類系統為線性時變系統。

宇宙飛船控制系統就是時變控制的一個例子（宇宙飛船的質量隨著燃料的消耗而變化）。本課程主要研究線性定常控制系統。65第五節對控制系統性能的要求和本課程的任務控制系統的性能一般從以下三方面來評價一、穩定性當系統受到某一擾動作用后，使被控制量偏離了原來的平衡狀態，但經過一定的時間，如果系統仍能回到原有的平衡狀態，則稱系統是穩定的。穩定是系統能正常運行的必要條件。控制系統動態過程曲線66

快速性即動態過程進行的時間的長短。過程時間越短，說明系統快速性越好，反之說明系統響應遲鈍。曲線２好。

要求系統的輸出響應具有一定的快速性，它是系統的一個重要性能指標。二、快速性控制系統動態過程曲線67三、準確性

控制系統的穩態精度通常是用它的穩態誤差來表示，穩態誤差越小，系統的控制精度就越高。

以上分析的穩、快、準三方面的性能指標由于被控對象的具體情況不同，各系統要求有所側重。而且同一個系統的穩、快、準的要求是相互制約的。68對于一個具體的控制系統，如何從理論上對它的動態性能和穩定精度進行定性的分析和定量的計算。根據對系統性能的要求，如何合理地設計校正裝置，使系統的性能能全面地滿足技術上的要求。本課程要研究兩大課題69練習：導彈發射架方位隨動控制系統1原理圖70該系統屬于離散的隨動控制系統控制任務：控制導彈發射架的轉角，使轉角隨著輸入的雷達信號而變化。被控量：導彈發射架的轉角2給定輸入：來自雷達的轉角信號1對應的電壓信號ur比較環節：單片機放大環節：放大器反饋環節：光電碼盤（把角度信號2轉化成數字量形式的電信號，送回比較環節）偏差量：ur-uf執行元件：直流伺服電動機、減速器712系統方框圖3調節過程72第一章小結本章首先介紹了自動控制理論發展的歷史，講解了自動控制系統的基本概念、組成和分類，以及繪制結構框圖的方法。最后指明了自動控制的研究對象、內容、性質和任務。本章作業：1-3、1-473練習：一電機調速控制系統1原理圖74分析該系統屬于非線性的恒值控制系統控制任務：控制直流電動機的轉速，使轉速為恒值。被控對象