自動化控制原理 第1章緒論

自動控制原理

長沙理工大學(xué)

電氣與信息工程學(xué)院自動化系

李茂軍*1課程性質(zhì)電氣與信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，自動化專業(yè)主干專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講述自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的基本理論和方法。自動控制理論可分為古典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等，《自動控制原理》主要講授古典控制理論。古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。*2課程性質(zhì)現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。智能控制理論涉及人工智能、自動控制、運籌學(xué)、系統(tǒng)論、信息論等，體現(xiàn)了人的控制策略和控制思想，擁有受控對象及環(huán)境的相關(guān)知識以及運用這些知識的能力，能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行綜合分析、判斷和決策，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。*3本章內(nèi)容1.1什么是自動化?1.2自動化的作用1.3自動化的過去、現(xiàn)在和將來1.4自動控制方式1.5自動控制系統(tǒng)分類1.5自動控制系統(tǒng)性能要求1.7典型輸入信號*4自動化是利用機(jī)器、設(shè)備或裝置代替人或幫助人自動地完成某個任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某個過程。1.1什么是自動化?自動化是在沒有人的直接參與下，利用各種技術(shù)手段，通過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，使機(jī)器、設(shè)備等按照預(yù)定的規(guī)律自動運行，實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，或使生產(chǎn)過程、管理過程、設(shè)計過程等按照人的要求自動地完成。*5

自動控制與自動化的關(guān)系和區(qū)別：自動化是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按預(yù)定的程序或指令自動地運行。自動控制是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計和運行的理論和技術(shù)。自動化就是無須人的直接參與，通過控制裝置去自動操縱機(jī)器、設(shè)備等，使其按照預(yù)定的規(guī)律運行，完成要求的任務(wù)。*6自動化與自動控制的關(guān)系和區(qū)別：兩者既有聯(lián)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(jīng)濟(jì)、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域。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一樣的。*7自動化系統(tǒng)舉例

空調(diào)—自動調(diào)節(jié)房間溫度：以取暖為例，空調(diào)通過溫度傳感器檢測房間的溫度高低，空調(diào)控制器將檢測的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，若溫度低于設(shè)定值的下限，則使壓縮機(jī)運行，溫度上升，溫度上升到設(shè)定值的上限時則停止運行。空調(diào)運行基于反饋信息（溫度測量值），屬于“反饋控制”。反饋控制系統(tǒng)是最為常見的控制系統(tǒng)。*8全自動洗衣機(jī)：按照設(shè)定的程序自動完成洗衣任務(wù)。這是另一種典型的自動控制方式——程序控制?？梢詸z測出洗衣量的多少、臟的程度、衣料的質(zhì)地等，并根據(jù)這些信息自動進(jìn)行分析計算，決定洗滌劑用量、水位高低、洗衣時間等，從而實現(xiàn)“智能型”的全自動洗衣。*9數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心：

自動完成零部件的加工

數(shù)控機(jī)床——數(shù)控技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，相當(dāng)于給機(jī)床添加了“大腦”和“感覺器官”，賦予了“智慧”。數(shù)控加工中心——帶有刀具庫和自動換刀裝置的多功能數(shù)控機(jī)床，能自動完成多種工序和復(fù)雜形狀的產(chǎn)品加工。一種數(shù)控加工中心*10戰(zhàn)機(jī)對目標(biāo)的自動攻擊：現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)在攻擊目標(biāo)時，可以在幾十甚至幾百公里以外將導(dǎo)彈發(fā)射出去。先進(jìn)的導(dǎo)彈可以做到“發(fā)射后不管”，即在發(fā)射后能夠自動搜尋、跟蹤和擊毀目標(biāo)，是一種高度自動化的攻擊方式。戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈戰(zhàn)機(jī)的武器系統(tǒng)*11*12機(jī)器人*13*14*15*16*17*18電力系統(tǒng)自動化*20電力主要來源于水電、火電和核電，其他如太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物能等產(chǎn)生的電力目前還只能是一種補(bǔ)充。電力系統(tǒng)包含發(fā)電、輸電、變電、配電等多個環(huán)節(jié)，而且地域分布廣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。電力系統(tǒng)自動化是采用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置，對電力系統(tǒng)進(jìn)行就地或遠(yuǎn)程的自動監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制和管理，保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運行和傳輸合格的電能質(zhì)量。*21電力系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，在電力系統(tǒng)中任何一點發(fā)生的故障，都會在瞬間影響和波及全系統(tǒng)，往往引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，造成大面積停電，因此電力系統(tǒng)要求進(jìn)行快速的自動控制。被控參數(shù)很多，包括頻率、電壓、有功和無功功率、功率平衡等，監(jiān)視和控制成千上萬個運行參數(shù)必須依靠自動化。*22存在各種干擾，包括系統(tǒng)故障等，系統(tǒng)故障有時會使電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定，造成災(zāi)難性后果，因此如何控制才能保證穩(wěn)定，或出現(xiàn)不穩(wěn)定后怎樣恢復(fù)穩(wěn)定，已成為電力系統(tǒng)自動化的重大課題之一。正是由于采用了自動監(jiān)控和遠(yuǎn)動控制技術(shù)，才使得電力系統(tǒng)的規(guī)模能不斷擴(kuò)大。要保證電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運行，單靠運行值班人員進(jìn)行人工監(jiān)視和操作是無法實現(xiàn)的，必須依靠自動化裝置和設(shè)備。安全供電、保證良好的電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)運營都需要自動化。*23按電力系統(tǒng)運行管理，可將電力系統(tǒng)自動化分為調(diào)度自動化、發(fā)電廠自動化、變電站自動化；調(diào)度自動化又可分為輸電調(diào)度、配電網(wǎng)調(diào)度自動化；發(fā)電廠自動化又分為火電、水電、核電等；從電力系統(tǒng)自動控制的角度，可以將電力系統(tǒng)自動化分為電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制、電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制等。*24三峽水電站外觀*25*26三峽電站控制室*27三峽電站控制設(shè)備發(fā)電機(jī)組單元控制室及調(diào)速器發(fā)電機(jī)組變壓設(shè)備發(fā)電機(jī)組廠房*28三峽電站水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)吊裝*291.2自動化的作用自動化使我們的生活與工作更加方便、高效、省心、省力。自動化使生產(chǎn)過程的效率更高、成本更低、產(chǎn)品質(zhì)量更好、競爭力更強(qiáng)、對環(huán)境的影響和沖擊更小、并顯著地降低能源和原材料消耗。自動化使我們能夠做很多我們以前無法做的事情，如通過載人航天器翱翔太空、借助無人潛水器探測深海，利用機(jī)器人處理危險品、爆炸物、核廢料，利用人造衛(wèi)星實現(xiàn)全球通信等。*30早期的自動化使人類從體力上獲得了解放，現(xiàn)代的自動化則已發(fā)展為綜合自動化，可以自動完成分析、設(shè)計、計算、優(yōu)化、協(xié)調(diào)、決策等，從而使人不僅從體力上，也從腦力上獲得了很大程度的解放。自動化廣泛應(yīng)用于工業(yè)﹑農(nóng)業(yè)﹑交通、國防﹑商業(yè)﹑醫(yī)療﹑航空航天、服務(wù)和家庭等各個領(lǐng)域。*31自動化的常見應(yīng)用類型工廠自動化（FactoryAutomation）

包括生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)過程、管理過程等的自動化。通常由數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心、工業(yè)機(jī)器人、自動傳送線、無人運輸車、自動化倉庫及計算機(jī)監(jiān)控中心等構(gòu)成自動化生產(chǎn)線或自動化工廠。管理過程自動化一般包含一個網(wǎng)絡(luò)化的計算機(jī)信息管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)全廠生產(chǎn)、財務(wù)、人事、技術(shù)與設(shè)備等的綜合自動化管理。*32發(fā)展趨勢：“管控一體化”或“綜合自動化”生產(chǎn)自動化與管理自動化的有機(jī)結(jié)合稱為“管控一體化”或“綜合自動化”，可以實現(xiàn)從需求分析、產(chǎn)品預(yù)訂、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)到銷售、用戶信息反饋及售后服務(wù)等全方位自動化，從而最快速地對市場作出反應(yīng)，最大限度地滿足客戶需求、提高生產(chǎn)效率、確保產(chǎn)品質(zhì)量、減少原材料和能源消耗。*33“管控一體化”系統(tǒng)示意圖*34辦公自動化（OfficeAutomation，簡稱OA）利用計算機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、電話機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、配套軟件等各種現(xiàn)代化辦公設(shè)備和先進(jìn)的通信技術(shù)，高效率地從事辦公業(yè)務(wù)，廣泛、全面、迅速地收集、整理、加工、存儲和使用各種信息，為科學(xué)管理和決策服務(wù)。*35家庭自動化（HomeAutomation）指家庭生活服務(wù)或家庭信息服務(wù)的自動化，如空調(diào)、洗衣機(jī)、照明控制系統(tǒng)、自動烹調(diào)裝置、防盜系統(tǒng)、自動抄表系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。高層次的家庭自動化利用中央微處理機(jī)及網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理和控制所有的家電設(shè)備，既可以在家里通過鍵盤、觸摸式屏幕、按鈕等設(shè)備將指令發(fā)送至中央微處理器，也可以在外面通過電話或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)出指令，獲取工作狀態(tài)的信息，接受提示或報警等。*36家庭自動化系統(tǒng)示意圖*37樓宇自動化（BuildingAutomation）對建筑物中所有能源、機(jī)電、消防、安全保護(hù)設(shè)施等實行自動化和智能化的統(tǒng)一管理，以創(chuàng)造出了一個有適宜溫度、濕度、亮度、空氣清新、高效節(jié)能、安全舒適和方便快捷的工作或生活環(huán)境。包含的子系統(tǒng)：空調(diào)與通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)、給排水監(jiān)控系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)、電力供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)、電梯運行監(jiān)控系統(tǒng)、綜合防盜保安系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、停車場監(jiān)控系統(tǒng)等。*38樓宇自動化系統(tǒng)示意圖*39交通自動化（TrafficAutomation）綜合運用計算機(jī)、通信、檢測、自動控制等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)對交通運輸系統(tǒng)的自動化管理和控制。目標(biāo)是安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點和經(jīng)濟(jì)。主要內(nèi)容有交通狀況的監(jiān)控與管理、交通信息的提供與服務(wù)、運輸系統(tǒng)的最優(yōu)化運行與控制等。交通自動化正在走向智能化、信息化和綜合自動化，如紅綠燈自動優(yōu)化配時、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)等。*40城市智能交通綜合管理系統(tǒng)示意圖*41軍事自動化（MilitaryAutomation）核心是武器裝備的自動化和軍事指揮的自動化。傳統(tǒng)的機(jī)械化戰(zhàn)爭正發(fā)展為信息化和自動化戰(zhàn)爭，誰勝誰負(fù)主要取決于信息化和自動化水平的高低，誰能夠更快、更準(zhǔn)確的獲取信息，并在最短的時間里完成分析和決策，以最快的方式實施盡可能精確的打擊，誰就掌握了戰(zhàn)爭的主動權(quán)。作戰(zhàn)機(jī)器人、無人飛機(jī)、無人潛艇等各種智能型武器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，未來的戰(zhàn)爭將是智能機(jī)器之間的較量，比的是自動化水平的高低和計算機(jī)、通信、檢測、控制等技術(shù)的優(yōu)劣。*42海陸空天一體化的指揮體系*43我軍新型隱形導(dǎo)彈艇作戰(zhàn)機(jī)器人我軍無人攻擊機(jī)美軍F117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)*44我國“東風(fēng)”

彈道導(dǎo)彈美軍“三叉戟”彈道導(dǎo)彈國產(chǎn)“雷霆”激光制導(dǎo)炸彈*45無人立體作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)想圖*46農(nóng)業(yè)自動化（AgricultureAutomation）農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志：大量應(yīng)用自動化技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)?！熬珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)”的概念：根據(jù)土壤肥力、苗情、雜草、病蟲害等信息，自動地進(jìn)行精準(zhǔn)的耕作、播種、施肥、灌溉、除草、噴灑農(nóng)藥、收割等作業(yè)，從而達(dá)到省力、高效、安全、節(jié)省資源和保護(hù)生態(tài)的目的。*47日本基于GPS的無人駕駛自動插秧機(jī)*48各種自動化農(nóng)業(yè)機(jī)械A(chǔ)utonomousricetransplanter*49自動化噴灌系統(tǒng)溫室立體栽培1.3自動化的過去、現(xiàn)在和將來*5118世紀(jì)末發(fā)明蒸汽機(jī)及離心調(diào)速器

第一次工業(yè)革命大規(guī)模使用機(jī)器系統(tǒng)瓦特1788年發(fā)明蒸汽機(jī)及其反饋控制系統(tǒng)Watt蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖蒸汽蒸汽機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速杠桿套筒彈簧飛錘圓錐齒輪轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速閥門*52蒸汽機(jī)時代的工廠*5319世紀(jì)下半葉發(fā)現(xiàn)電、發(fā)明發(fā)電機(jī)及電動機(jī)

第二次工業(yè)革命（電氣化）

大量采用電氣控制裝置*5420世紀(jì)前期的“二戰(zhàn)”、工業(yè)化及經(jīng)典控制理論的成熟推動了自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用*5520世紀(jì)中期發(fā)明計算機(jī)在自動化系統(tǒng)中大量采用計算機(jī)——計算機(jī)控制系統(tǒng)古董計算機(jī)現(xiàn)代工業(yè)控制計算機(jī)主板*5620世紀(jì)80年代開始在自動化系統(tǒng)中大規(guī)模實現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)——網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)*5720世紀(jì)90年代通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將管理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)一體化，即管控一體化控制層管理層中央控制器設(shè)計計劃管理調(diào)度控制單元控制器數(shù)控系統(tǒng)Monitor*58自動控制理論的發(fā)展古典控制理論，經(jīng)典控制理論：十九世紀(jì)末期，由于戰(zhàn)爭的需要而發(fā)展起來，主要研究SISO系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論：二十世紀(jì)中期，由于空間技術(shù)的需要而發(fā)展起來，主要研究MIMO系統(tǒng)。智能控制理論：二十世紀(jì)八十年代，是人工智能、自動控制、運籌學(xué)的綜合。1.4自動控制方式*60自動控制的基本方式

開環(huán)控制，閉環(huán)控制，補(bǔ)償控制最常用的控制方法——PID控制

比例、積分、微分控制

最熱門的控制方法——智能控制

專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制*61例：電加熱爐的爐溫控制外部擾動：電源電壓波動，環(huán)境溫度變化等內(nèi)部擾動：元器件老化、參數(shù)改變，工件體積和質(zhì)量變化等給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件最簡單的控制——開環(huán)控制*62特點：結(jié)構(gòu)簡單，但抗擾性差，控制精度低原理圖：方塊圖：功率放大器加熱爐控制輸入（給定電壓）（電功率）輸出量（爐溫）控制裝置受控對象擾動量擾動量給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件*63自動控制的精髓——反饋控制例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件溫度檢測根據(jù)爐溫的高低調(diào)節(jié)給定電壓，從而調(diào)節(jié)溫度*64給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源

給定電壓uru輸出量y（爐溫）+-工件注：反饋控制又稱為閉環(huán)控制電加熱爐的爐溫反饋控制*65方塊圖：

原理圖：控制器加熱爐爐溫檢測ur擾動y－eufu比較點(綜合點)檢測噪聲給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源

給定電壓uru輸出量y（爐溫）+-工件*66自動控制系統(tǒng)是負(fù)反饋系統(tǒng)！正反饋例：振蕩電路、“良性循環(huán)”、“惡性循環(huán)”反饋控制的特點：有反饋信息（信號傳遞形成閉合回路），抗擾性好，控制精度高反饋形式：負(fù)反饋，正反饋*67反饋系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語：受控對象反饋信號溫度：被控量給定信號比較環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)-給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源u輸出量y被控量（爐溫）+工件*68控制裝置受控對象檢測環(huán)節(jié)給定信號擾動－反饋信號控制量誤差被控量反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：*69反饋控制系統(tǒng)舉例：水箱的水位控制+-水位y出水閥門誤差進(jìn)水水箱放大器M電機(jī)給定電位計*70反饋控制舉例：全自動燃?xì)鉄崴魇謩诱{(diào)節(jié)全自動反饋調(diào)節(jié)：自動根據(jù)水溫調(diào)節(jié)火力進(jìn)水出水進(jìn)氣燃?xì)鉄崴髟韴D*71反饋控制舉例：電冰箱的溫度控制繼電控制器溫度檢測*72反饋控制舉例：樓房恒壓供水水泵調(diào)速

控制器進(jìn)水至用水戶水壓檢測流量檢測*73其他反饋控制的例子：人走路、騎車、駕車等數(shù)控機(jī)床自動加工零件交通信號控制雷達(dá)火炮系統(tǒng)自動跟蹤飛機(jī)人的體溫、呼吸、心跳等教學(xué)過程、人才培養(yǎng)過程人口控制、經(jīng)濟(jì)控制…還有哪些你知道的反饋控制系統(tǒng)例？*74即時糾偏—補(bǔ)償控制例：電加熱爐對電源電壓波動的補(bǔ)償控制電源電壓↑輸出電壓↑，但補(bǔ)償調(diào)節(jié)器使控制電壓↓

輸出電壓基本不變溫度基本不變功率放大器加熱爐輸出電壓爐溫控制電壓擾動電源電壓波動給定電位器給定電壓擾動檢測補(bǔ)償調(diào)節(jié)器補(bǔ)償控制的特點：提供一個控制作用來盡量抵消擾動對系統(tǒng)的影響，抑制擾動比反饋控制更及時。*75功率放大器加熱爐輸出電壓爐溫補(bǔ)償與反饋相結(jié)合的爐溫復(fù)合控制系統(tǒng)爐溫檢測控制電壓擾動給定電位器控制器給定電壓誤差反饋電壓電源電壓波動擾動檢測補(bǔ)償調(diào)節(jié)器

補(bǔ)償控制屬于開環(huán)控制，補(bǔ)償效果取決于設(shè)計是否準(zhǔn)確，而且僅對特定可測擾動有效，一般擾動要靠反饋控制來抑制。*76復(fù)合控制系統(tǒng)例：水箱的水位反饋控制+

針對出水流量變化的補(bǔ)償控制+-水位y出水閥門誤差進(jìn)水水箱放大器M電機(jī)給定電位計出水流量檢測補(bǔ)償調(diào)節(jié)器出水流量變化補(bǔ)償調(diào)節(jié)改變閥門開度水位基本不變比單純的反饋調(diào)節(jié)更快、更及時！*77補(bǔ)償控制可更及時地抑