教學課件：《自動控制原理》

《自動控制原理》多媒體教案

緒論部分

一、什么是自動化？

(a)手動控制漫畫(b)自動控制

圖1水溫的手動控制和自動控制的示意圖

圖中水溫的操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：他的手應該朝哪個方向旋轉加溫用的蒸汽閥門和旋轉多大的角度。采用自動控制時上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如，溫度測量元件、控制記錄儀表和調節(jié)閥等。

防空導彈制導1-目標跟蹤雷達2-導彈導引雷達3-計算機雷達4-導彈發(fā)射架

圖2雙雷達控制的防空導彈命中爆炸示意圖二、自動化的作用加速社會的產業(yè)結構的變革和社會信息化的進程1.提高社會生產率和工作效率，2.節(jié)約能源和原材料消耗，3.保證產品質量，4.改善勞動條件，減輕體力、腦力勞動，5.改進生產工藝和管理體制。

現代社會和現代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現對這種控制的自動化。例如公共電網上的電壓是50周、220伏的交流電。為此，在發(fā)電廠就要設法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動調壓和自動調頻裝置。在工業(yè)生產中，如在化肥廠控制反應釜（塔）內溫度和壓力為恒值，使化學反應速度加快。在機械加工廠金屬切削機床上，經常是控制工件或刀具的轉速為恒值，使產品的質量、產量能提高。而各種現代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的。現代生活中，空調器保持室內溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機無不進行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。

控制科學與工程學科

圖1.1學科組成示意圖自動化自動控制控制理論電氣工程與自動化工業(yè)自動化機械制造自動化電力系統(tǒng)自動化

自動化，是指機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進行操作或運行。自動控制是關于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術。兩者既有聯系，但也有一定的區(qū)別。自動化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題，自動控制則除了上述研究外，還研究社會、經濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經濟控制、社會控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動化的研究領域的。不過人們提到自動控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個意義上自動化和自動控制是相近的。三、控制和自動化的概念

四、我國古代自動裝置中國古代能工巧匠發(fā)明許多原始的自動裝置，以滿足生產、生活和作戰(zhàn)的需要。其中比較著名有下述的幾種：

(1)指南車(2)銅壺滴漏(3)浮子式閥門

(4)飲酒速度的自動調節(jié)(5)計里鼓車

(6)漏水轉渾天儀

(7)候風地動儀(8)水運儀象臺

4.1

恒值自動調節(jié)系統(tǒng)(現代)圖4.1爐溫自動控制系統(tǒng)

4.2隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）在反饋控制系統(tǒng)中，若給定環(huán)節(jié)給出的輸入信號是預先未知的隨時間變化的函數，這種自動控制系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)(Servo–mechanism)。國防上的炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)和天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)等都屬于隨動系統(tǒng)。

4.3

自動控制系統(tǒng)的組成（1）給定環(huán)節(jié)

產生給定的輸入信號；（2）反饋環(huán)節(jié)

對系統(tǒng)輸出（被控制量）進行測量，將它轉換成反饋信號；

（3）比較環(huán)節(jié)

將給定的輸入信號和反饋信號加以比較，產生“誤差”信號；（4）控制器（調節(jié)器）根據誤差信號，按一定規(guī)律，產生相應的控制信號?？刂破魇亲詣涌刂葡到y(tǒng)實現控制的核心部分；（5）執(zhí)行環(huán)節(jié)（執(zhí)行機構）將控制信號進行功率放大，并能使被控對象的被控量變化；

（6）被控對象

控制系統(tǒng)所要控制的設備或生產過程，它的輸出就是被控量；（7）擾動

除輸入信號外能使被控量偏離輸入信號所要求的值或規(guī)律的控制系統(tǒng)內、外的物理量。

4.4自動控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)功能框圖

給定輸入給定環(huán)節(jié)控制器放大環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象誤差反饋信號輸出擾動+_反饋環(huán)節(jié)

4.5自動化儀表

（1）傳感器實現對信號的檢測并將被測的物理量變換為另一個物理量(通常是電量)，例如熱電偶；（2）變送器與傳感器配套，使輸出成為標準信號。例如對DDZⅢ電動單元組合儀表，標準信號為4–20ma；（3）控制器（調節(jié)器）采用模擬信號的調節(jié)器使用較多，它接受來自被控對象的測量值和給定值或它們的誤差，并根據一定的控制（調節(jié)）規(guī)律產生輸出信號以推動執(zhí)行機構（執(zhí)行器）?？刂破髌鹆私o定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)和控制器三者的作用；（4）放大器用以增加信號的幅度或(和)功率，如晶體管放大器，也可以由電信號放大到氣動信號（如電-氣轉換器）；（5）執(zhí)行機構接受控制器來的信息并對被控對象施加控制作用，如電動機M。工業(yè)控制常用的執(zhí)行機構是氣動薄膜調節(jié)閥、液壓伺服馬達、電動調節(jié)閥等。

4.6自動控制和遠距離控制

在一個自動化系統(tǒng)中各設備和自動化儀表之間的距離往往是較短的。

遠距離測量（遙測）系統(tǒng)

圖4.1遙測系統(tǒng)框圖發(fā)送單元發(fā)送端接收端有線無線接收單

元解編單元紀錄單元顯示單元數據處理單元傳感單元變換單元數據采編單

元存儲紀錄重放單元來自被測對象在一個自動化系統(tǒng)中，若是設備之間有較長的距離，例如數十、或數百、數千公里就不能用通常的電氣或機械的聯系來傳遞測量信號、反饋信號和控制信號。這時，需要在分離的設備之間設立專門的（通）信道。（通）信道是傳輸信息的媒質或通道，如架空明線、同軸電纜、射頻波束和光導纖維等。圖4.2遠距離控制(遙控)系統(tǒng)框圖發(fā)生器遙控指令指令編碼器調制器發(fā)射機信道接收機解調器譯碼器執(zhí)行機構被控對象反饋環(huán)節(jié)發(fā)送端把所需傳送的控制命令、測量數據、反饋信號等經過調制、編碼等變換處理之后，再經過（通）信道傳遞。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信號經過解調、譯碼等反變換處理，恢復為原來的形式（圖4.1和圖4.2）。

比例微分積分控制方法

自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的元件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的元件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這自然令人想到：解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分”項。它能預測誤差變化的趨勢?？刂埔?guī)律

控制規(guī)律中引入微分、積分有靜差和無靜差如果自動控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，有一個現象很值得重視：被控制量（系統(tǒng)輸出）在擾動出現后能否較精確地回到所要求的給定值。若是否定的，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分”項。積分項對誤差取關于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，也會便隨著時間的增加而積分項加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零，簡稱無差系統(tǒng)。0tfuuaufr五、控制與自動化技術的應用范疇

5.2機械制造自動化5.3過程工業(yè)自動化5.4電力系統(tǒng)自動化5.5飛行器控制5.6智能建筑5.7智能交通系統(tǒng)5.8生物控制5.9生態(tài)與環(huán)境控制5.10社會經濟控制5.11大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工程

5.1控制與自動化是不斷發(fā)展的高、新科學技術，對人類生產、生活和科學研究有著非常重要的影響。控制與自動化技術發(fā)展至今，可以說是已從“人類手腳的延伸”擴展到“人類大腦的延伸”?？刂婆c自動化技術時時在為人類“謀”福利，可謂無所不在、無處沒有。5.3過程工業(yè)自動化在連續(xù)型工業(yè)中，主要對系統(tǒng)的溫度，壓力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大參數進行控制的工業(yè)，稱之為過程工業(yè)。

過程工業(yè)包括電力、石油化工、化工、造紙、冶金、制藥、輕工等國民經濟中舉足輕重的許多工業(yè)。

5.3.1過程工業(yè)自動化的研究內容及特點工業(yè)生產過程的自動控制稱為過程控制，它是過程工業(yè)自動化的核心內容。過程控制研究過程工業(yè)生產過程的描述、模擬、仿真、設計、控制和管理，旨在進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產過程，加強生產管理，最終顯著地增加經濟效益。

早期的過程控制系統(tǒng)主要采用基地式儀表、氣動單元組合式儀表、電動單元組合式儀表等傳統(tǒng)技術工具。

但隨著微處理器和工業(yè)計算機技術的發(fā)展，目前廣泛采用可編程單回路、多回路調節(jié)器以及分布式計算機控制系統(tǒng)

(DistributedComputerControlSystem，簡稱DCS)。近年來迅速發(fā)展起來的現場總線網絡控制系統(tǒng)(FCS)，更是控制技術和計算機技術高度結合的產物。

5.3.2基于計算機技術的過程控制系統(tǒng)生產過程數字計算機A/D轉換D/A轉換操作臺擾動控制變量輸出變量……控制臺控制臺過程控制計算機控制單元控制單元多路采集器可編程邏輯控制器數據通道工程師/操作員控制臺圖b

分布式計算機控制系統(tǒng)圖

a直接數字控制系統(tǒng)

其他系統(tǒng)5.4.1供電質量的自動化要求(電力系統(tǒng)自動化)供電質量主要指電壓質量和頻率質量。我國電力系統(tǒng)的頻率標準是50hz，頻率下降時，鼓風機出力減少，鍋爐給水泵打不上水，火力發(fā)電廠的鍋爐將不能運行；油泵不能供應軸承潤滑油，汽輪發(fā)電機的軸瓦將被燒壞。頻率變化對電子設備的影響更大。但頻率變化是電力系統(tǒng)內電力盈虧的標志。電力系統(tǒng)內發(fā)電出力多于用電量時，多余的電力轉化為加速電機轉速的動能，頻率將加快；發(fā)電不足時，發(fā)電機付出動能來滿足用電的需要，頻率將下降。所以，電力系統(tǒng)運行中，需要自動調頻裝置來保持電力的正常盈虧平衡，根據實際情況及時自動調節(jié)電力系統(tǒng)的出力或限制負荷。

電壓質量直接影響到用戶的用電質量。電壓過高會損害用電電器，或響應其壽命；電壓過低則電燈不亮，熒光燈不能啟動，甚至會由于轉矩不夠而燒壞電動機。

1965年11月9日下午5點16分11秒，紐約一條線路的后備保護誤動作把線路開關跳開，負荷轉加給了其他四條線路，使它們先后在2.72秒內斷開。于是貝克水電站的發(fā)電機由于失去負荷而加速，頻率上升，電力向紐約州強送，使紐約州涌進了大量電力，在大約1.5秒內，這些線路的過負載保護先后動作而斷開，造成紐約市缺電大約130萬kw，從而又使附近紐澤西州的電力向紐約市涌進了100萬kw，以至電壓和頻率不能平衡。幾分鐘內，該區(qū)內頻率下降，電廠的風機和水泵出力降低，甚至停轉，發(fā)電機只得相繼斷開。由于潤滑泵停運，區(qū)內三臺大機組因軸承損壞而停運，最終導致全市停電。高樓電梯、地鐵、交通信號燈以至路燈等都不工作，全市大亂。斷電時間長達13.5小時。由此可知，先進、可靠的電力自動化系統(tǒng)是多么重要和必要！

5.4.2從一次停電事故看電力系統(tǒng)自動化5.5飛行器控制

5.5.1導彈控制系統(tǒng)的功用

5.5.2導航系統(tǒng)

5.5.3制導系統(tǒng)

5.5.4姿態(tài)控制系統(tǒng)

5.5.5飛行控制電子綜合系統(tǒng)

5.5.6測試與發(fā)射控制系統(tǒng)

現代飛行器有很多種類，例如有飛機、導彈、人造衛(wèi)星、直升機、運載火箭、宇宙飛船、航天飛機等。現代飛行器有很多種類，例如有飛機、導彈、人造衛(wèi)星、直升機、運載火箭、宇宙飛船、航天飛機等。不同種類的飛行器具有不同的用途，同一種飛行器也由于功能、性能不同而分為不同類型。飛行器控制的內容非常豐富：

5.5.1導彈控制系統(tǒng)的功用飛行器控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)測試發(fā)射控制系統(tǒng)導航系統(tǒng)制導系統(tǒng)姿態(tài)控制系統(tǒng)電子綜合系統(tǒng)測試系統(tǒng)發(fā)射控制系統(tǒng)監(jiān)視控制系統(tǒng)圖5.7飛行器控制系統(tǒng)的構成

導彈控制系統(tǒng)的主要任務是：控制導彈有效載荷的投擲精度（命中精度）；對飛行器實施姿態(tài)控制，保證在各種條件下的飛行穩(wěn)定性；在發(fā)射前對飛行器進行可靠、準確的檢測和操縱發(fā)射?？刂葡到y(tǒng)的作用就是消除或減小干擾和影響的后果，控制導彈準確、可靠地完成飛行動作，最后飛向目標。

5.5.2導航系統(tǒng)

飛行器是六自由度運動體，包含角運動和線運動，一般分別稱為繞質心運動和質心運動。繞質心運動參數(如姿態(tài)角度、角速度)的測量主要利用慣性器件，質心運動參數(如位置、速度、加速度)的測量有慣性測量方法和依靠外界參照信息的無線電測量、光學測量方法幾類。所謂導航，是指利用敏感器件測量飛行器的運動參數，并將測量的信息直接或經過變換、計算來表征飛行器在某種坐標系的角度、速度和位置等狀