自動控制原理 第2版 課件 第一章緒論(自動化)1

自動控制原理

主講：?？×?/p>

1引言：工業(yè)革命經(jīng)歷的四個階段工業(yè)革命之前人類主要依靠自身的肌體來完成能量變換和信息變換，但是人類自身轉(zhuǎn)換的功率和范圍都極其有限，縱有九牛二虎之力，也不能晝夜不停地工作著，因此創(chuàng)造的財富有限，最高文明只達(dá)到封建社會。

偉大的都江堰水利工程魚嘴分水堤寶瓶口飛沙堰三大部分互相配合大約公元前256年，秦昭王委任李冰擔(dān)任蜀郡太守。李冰到任后便吸取前人的治水經(jīng)驗，率領(lǐng)當(dāng)?shù)厝嗣?，主持修建了著名的都江堰水利工程。偉大的都江堰水利工程利用自然?guī)律，實現(xiàn)了自動防洪與排沙，充分體現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)的思想。魚嘴分水堤寶瓶口飛沙堰偉大的都江堰水利工程都江堰還能自行解決水利工程的泥沙排放問題

在魚嘴分流處，根據(jù)彎道的水流規(guī)律，表層水流流入內(nèi)江，底層水流則流入外江。表層水流含沙量較底層水流小，從而確保大部分的泥沙經(jīng)外江而流走，這便是“一次排沙”。

雖有少量泥沙進(jìn)入內(nèi)江，但河道又利用水流直沖水底崖壁（玉壘山）而產(chǎn)生的旋流沖力再度將這些泥沙從飛沙堰排走，這便是“二次排沙”。洪水越大排沙效果越好，泥沙排除率最高竟可達(dá)98%。偉大的都江堰水利工程都江堰的魚嘴分水堤、寶瓶口和飛沙堰這三大部分互相配合，完全利用自然規(guī)律做到了自動防洪與排沙，不得不說這是人類歷史上的一個奇跡。它充分體現(xiàn)了因勢利導(dǎo)、順勢而為的精神。它做了最小的改動，卻最大化地利用了自然。

雖歷經(jīng)2200多年，如今卻依然能發(fā)揮重要的作用。都江堰已與大自然融為一體，做到了真正的自動化。引言：工業(yè)革命經(jīng)歷的四個階段第一次工業(yè)革命（英國領(lǐng)先）

機械化時代。當(dāng)蒸汽機出現(xiàn)之后，開始了機器代替手工勞動的工廠生產(chǎn)模式。人類的“力氣”不知被放大多少倍！物質(zhì)豐富了，一些農(nóng)民被改造成為工人，進(jìn)入了資本主義社會時期。7第二次工業(yè)革命（德國領(lǐng)先）

電氣化時代。出現(xiàn)了分工明確、大批量生產(chǎn)的人工流水線制造模式。企業(yè)的經(jīng)營管理大大改善，成本降低，勞動生產(chǎn)率得到了提高。引言：工業(yè)革命經(jīng)歷的四個階段引言：工業(yè)革命經(jīng)歷的四個階段第三次工業(yè)革命（美國領(lǐng)先）

“自動化時代”，也稱為信息化時代。出現(xiàn)了自動化流水線生產(chǎn)模式。在人類活動所見的空間里，只要需要用“力”的地方，都可以給它配上一個小的腦袋（微處理器之類設(shè)備），代替人進(jìn)行某種判斷或操作。第四次工業(yè)革命（群雄逐鹿）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代、人工智能時代?；谛畔⑽锢砣诤舷到y(tǒng)的互聯(lián)自動化生產(chǎn)模式出現(xiàn)。在工業(yè)自動化的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)從機器傳感器到互聯(lián)網(wǎng)通訊的無縫對接。將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合,最終實現(xiàn)工廠智能化。

引言：工業(yè)革命經(jīng)歷的四個階段

自動控制原理（又稱自動控制理論、反饋控制理論，簡稱自控）是一門研究自動控制系統(tǒng)共同規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué)，是研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。自動控制系統(tǒng)雖然種類繁多，但所研究的內(nèi)容和方法卻是類似的。本課程研究的內(nèi)容主要分為系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正兩個方面。

《自動控制原理》課程性質(zhì)與地位

自動控制對人類有著深遠(yuǎn)的影響，幾乎達(dá)到了無所不在的地步，研究自動控制的學(xué)問—自動控制理論與技術(shù)，成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的一個通用工具?！蹲詣涌刂圃怼氛n程目標(biāo)能夠結(jié)合數(shù)學(xué)、物理和電子電路理論等知識描述自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2.掌握經(jīng)典控制理論中的時間域、復(fù)數(shù)域和頻率域分析方法。知識目標(biāo)《自動控制原理》課程目標(biāo)3.能夠通過文獻(xiàn)研究、仿真計算對復(fù)雜控制工程問題進(jìn)行分析，獲得待解決問題的性質(zhì)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)（或參數(shù)）以及合理的解決方法。4.能夠安全地開展實驗、正確采集數(shù)據(jù)、綜合分析實驗結(jié)果，以分析報告形式呈現(xiàn)有效的實驗結(jié)論。5.能夠利用MATLAB工具軟件實現(xiàn)對復(fù)雜控制工程問題進(jìn)行仿真計算，得到有效的結(jié)論。能力目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)：以重大工程案例培養(yǎng)民族自豪感和自信心，領(lǐng)悟控制系統(tǒng)設(shè)計中蘊含的道理，建立正確的人生觀和價值觀。《自動控制原理》課程目標(biāo)錢學(xué)森

課程評價注重過程考核，自動化專業(yè)以平時成績（包括大作業(yè)、課后作業(yè)、課堂討論、線上測驗等）和期末閉卷考試成績兩個方面綜合進(jìn)行評定。成績評定采用百分制，

各項比例：期末考試占60%，過程考核40%【線上成績15%+課后作業(yè)10%+大作業(yè)5%+綜合表現(xiàn)(線上討論、課堂發(fā)言等)10%】。《自動控制原理》課程考核線上成績構(gòu)成：線上單元作業(yè)20%+線上單元測驗20%+線上討論20%+線上期中測試20%+線上期末測試20%。線上單元作業(yè)為1道課后作業(yè)以外的題目（模擬考題）。單元測驗、期中測驗、期末測驗以選擇題為主?！蹲詣涌刂圃怼氛n程考核中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院自動控制原理17課堂教授48學(xué)時，課外12學(xué)時

每章學(xué)時安排：

第一章

緒論

4學(xué)時第二章

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

6學(xué)時(線上2學(xué)時)

第三章

線性系統(tǒng)的時域分析法

8學(xué)時(線上2學(xué)時)第四章

線性系統(tǒng)的根軌跡法

2學(xué)時(線上4學(xué)時)第五章線性系統(tǒng)的頻域響應(yīng)法

10學(xué)時(線上2學(xué)時)第六章線性系統(tǒng)的校正8學(xué)時(線上2學(xué)時)

第七章非線性系統(tǒng)分析10學(xué)時(含復(fù)習(xí)2學(xué)時)

課程學(xué)時安排分組討論：3人一組，特殊情況可以減少或增加1人。小組共同完成大作業(yè)1份，內(nèi)容包括：1、綜述自動化技術(shù)在某一具體行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展（3000字左右，體現(xiàn)課程思政內(nèi)容）2、各章知識點思維導(dǎo)圖3、結(jié)合行業(yè)問題進(jìn)行控制系統(tǒng)的建模、設(shè)計與仿真4、課程總結(jié)（不少于500字）5、小組協(xié)作情況、每位成員的貢獻(xiàn)情況6、參考文獻(xiàn)課程結(jié)束后，提交完整的大作業(yè)；不定期檢查階段性任務(wù)完成情況。小組合作學(xué)習(xí)第四章根軌跡部分自學(xué)說明1、教師提前發(fā)布學(xué)習(xí)提綱，小組合作學(xué)習(xí)2、布置指定習(xí)題，小組完成講解視頻(手機拍攝)3、視頻上傳課程群，同學(xué)們相互學(xué)習(xí)，找出錯誤4、針對疑難問題，課堂討論2學(xué)時

王雪松等《自動控制原理》機械工業(yè)出版社，2021

?？×值取蹲詣涌刂圃怼分袊V業(yè)大學(xué)出版社，2010胡壽松《自動控制原理》科學(xué)出版社，2018KATSUHIKOOGATA

《ModernControlEngineering》(第五版)電子工業(yè)出版社（中文譯名：現(xiàn)代控制工程）GeneF.Franklin《FeedbackControlofDynamicSystems》機械工業(yè)出版社(中文譯名：自動控制原理與設(shè)計)參考書目在線課程：中國大學(xué)慕課/learn/preview/CUMT-1206707809?tid=1465435467新版教材“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點教材第一章緒論22第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本概念第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的工作原理第三節(jié)控制系統(tǒng)的示例第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本要求和典型輸入信號第六節(jié)自動控制理論的發(fā)展簡史什么是自動控制？第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制(AutomaticControl)：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某一工作狀態(tài)或參數(shù)自動按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)的基本概念控制：廣義上講，維持一個易變的物理量穩(wěn)定或使其按照預(yù)定的方式變化的方法或措施就是控制?！?/p>

被控對象(Plants)：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體，如冰箱、空調(diào)、電動機、發(fā)電過程、食品發(fā)酵過程(Process)等?！?/p>

被控變量(ControlledVariable)：是一種被測量和被控制的量值或狀態(tài)。在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域指被控制對象要實現(xiàn)的物理量。如冰箱的溫度；空調(diào)的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速；電機的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)：由一些對象相互作用，相互制約，組成一個具有一定運動規(guī)律的整體?？刂葡到y(tǒng)(ControlSystems)：由被控對象和控制器構(gòu)成的整體。動態(tài)系統(tǒng)(DynamicSystems)：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間而變化的系統(tǒng)，目的往往是為了對外界的激勵或作用力進(jìn)行響應(yīng)。自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活、機械、能源、材料、化工、食品、交通、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事以及經(jīng)濟社會等各領(lǐng)域。擾動(Disturbances)：對系統(tǒng)的輸出量（被控變量）產(chǎn)生不利

影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動；當(dāng)擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部時，則稱之為外部擾動。反饋(Feedback)控制：如果測量了系統(tǒng)的輸出信號并反饋用于控制運算，則稱這個系統(tǒng)是閉環(huán)控制或反饋控制。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的工作原理29

人工控制系統(tǒng)：由人來操作的控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)：如果一個控制系統(tǒng)僅由機器組成，則稱該系統(tǒng)為自動控制系統(tǒng)

開環(huán)控制按控制方式閉環(huán)控制（反饋控制）

復(fù)合控制按對象方式運動控制（電機調(diào)速、機器人等）過程控制（被控對象為某種生產(chǎn)過程，如化工過程）◆定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)◆特點：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制

在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的工作原理30開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-loopControlSystem）舉例？一、開環(huán)控制系統(tǒng)31功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動機速度控制系統(tǒng)（開環(huán)）一、開環(huán)控制系統(tǒng)32另外一種開環(huán)控制方式：按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制該系統(tǒng)對干擾進(jìn)行測量，利用測量得到的干擾值修正控制作用，補償干擾對被控量的影響。

從干擾作用端至輸出端，也僅有順向作用而無反向聯(lián)系，因此也是開環(huán)控制。這種控制方式使用的前提條件是干擾能夠被測量到。

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed-loopControlSystem）閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋（feedback）控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方式。負(fù)反饋——把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為負(fù)反饋。反饋控制——采用負(fù)反饋(正反饋較少使用)并利用偏差進(jìn)行控制的過程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。33二、閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例？34給定電壓熱電偶輸出電壓圖1-7電熱爐爐溫的閉環(huán)控制被控對象？被控變量？二、閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)如圖所示爐溫控制系統(tǒng)的原理示意圖，繪制該控制系統(tǒng)的方框圖并說明其工作原理重點！例135二、閉環(huán)控制系統(tǒng)重點！電熱爐爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖繪制36工作原理：

當(dāng)爐內(nèi)實際溫度與給定裝置表征的希望溫度一致時，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電動機不轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)相對平衡。經(jīng)放大后驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，將調(diào)壓器電刷向上移動，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，趨于希望值，直到達(dá)到新的平衡。

當(dāng)爐溫因擾動出現(xiàn)偏差時（比如爐溫低于希望值），偏差電壓二、閉環(huán)控制系統(tǒng)37希望液位實際液位肌肉、手閥

門水

箱眼

睛（III）

相對應(yīng)的人工操縱系統(tǒng)方塊圖

腦Q2液位控制系統(tǒng)Q1對比人的操作（課后體會）38電動機速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)它的作用？二、閉環(huán)控制系統(tǒng)用號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反（負(fù)反饋）。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。39給定元件40給定元件：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量元件：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號的各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。比較元件：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機。閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成41放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如步進(jìn)電機，繼電器開關(guān)。補償（校正）元件：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。

應(yīng)當(dāng)指出，閉環(huán)控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和生物學(xué)中，也存在著閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)42閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動控制原理的主要研究對象負(fù)反饋有沒有缺點？閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本框圖43輸入量控制器被控對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量電動機期望轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速加熱器實際