自动控制原理第一章教案

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第一章绪论

一、自动控制技术

自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。

二、自动控制理论的发展过程

1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。

2.二十世纪六十年代初。用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。

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3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。

三、自动控制技术与人类历史发展

1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。历史可追溯到夏、商时期。沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。最早记载见于元代。

2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国。记里鼓车的记程功能是由完成的。车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。

3.指南车：指南车又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。它是利用机械传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是，靠人力来带动两轮的指南车行走，依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动来带动车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同，使车上的木人指示方向，不论车子转向何方，木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向，“车虽回运而手常指南”。

4.伺服机构(servomechanism)系指经由闭和回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统，其中被控量为机械位置或机械位置对时间的。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、(sensor)、(controller)等几个部分。

1.1.1 自动控制和自动控制系统

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教学目的：要求学生掌握自动控制的基本概念及自动控制系统的原理。

教学重难点：对人工控制的恒值水位系统与水池水位系统的自动控制系统的理解。

1.人工控制

（1）人工控制：就是测量、求偏差、实施控制以纠正偏差的过程。简单说，就是检测偏差并纠正偏差的过程。

（2）人工控制的恒值水位系统

1）将水位的要求值(期望水位值)牢记在大脑中。

2）用眼睛和测量工具测量水池实际水位。

3）将期望水位与实际水位进行比较、计算、从而得出误差值。

4）按照误差的大小和正负性质，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门，所谓正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。

对于人工控制的系统，如果能找到一个控制装置(也称控制器)来代替人的职能，它就可以变成一个自动控制系统。

2. 自动控制

（1）自动控制是在没有人直接参与的情况下，通过闭环的自动调节作用来消除或减小偏差的过程。

（2）自动控制的基本任务：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。

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__________________________________________________ （3）水位自动控制系统

上图是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。

控制任务：维持水箱内水位恒定；

控制装置：气动阀门、控制器；

受控对象：水箱、供水系统；

被控量：水箱内水位的高度；

给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；

测量装置：浮子；

比较装置：控制器刻度盘；

干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；

3.思考、讨论并回答：列举出人工控制与自动控制的实例。

（1）人工控制

煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制、自行车速度控制、汽车驾驶、收音机音量调节

（2）自动控制

电饭煲、空调、汽轮机转速控制、导弹飞行控制、声控光控路灯

4.自动控制系统

自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对 象组成。若用自动控制装置代替人工操作，则可构成自动控制系统。

系统结构框图既反映了反馈控制的基本原理，又清楚地表明了系统各环节的作用及其它们之间的受控关系。自动控制系统的构成及控制过程通常可用结构框图的形式描述。图中，用“方框”表示系统各个环节，用“箭头”代表信号的传

Q1

流出 Q2

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__________________________________________________ 递方向，用“ ”表示比较环节，而反馈回路的“－”号表示负反馈。

1.1.2 自动控制系统的控制方式

1. 开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。 举例：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起以对按开关的这个活动没有影响。

举例：家用窗帘自动控制系统、宾馆自动门控制系统、楼道自动声控灯装置、十字路口的红绿灯定时控制系统、公园音乐喷泉自动控制系统、自动升旗控制系统、公共汽车车门开关控制系统、普通全自动洗衣机控制系统、普通电风扇控制系统、手电筒控制装置、电吹风控制系统

2. 系统：可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的系统。

举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较，并不断的用手进行调节形成一个反馈闭环控制；骑自行车——同理不断的修正行进的方向与速度形成闭环控制。

举例：供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、夏天房间温度控制系统、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统、自动电热水壶控制系统

3. 开环闭环的区别：1）有无反馈；2）是否对当前控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间，可以借此判断。

基本控

制方式

开环控制 闭环控制 复合控制 开环控制系统 闭环控制系统

复合控制系统

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手动控制系统：必须在人的直接干预下才能完成控制任务的系统

自动控制系统：不需要有人干预就可按照期望规律或预定程序运行的控制系统

判断：骑自行车——人工闭环系统，导弹——自动闭环系统，人打开灯——人工开环系统，自动门、自动路灯——自动开环系统

1.1.3 自动控制系统的组成

自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。各基本环节如下。

1．被控对象

2．测量元件

3．给定元件

4．比较元件

5．放大元件

6．执行元件

7．校正元件

1．4．2 自动控制系统的分类

按控制方式可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。

按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。

按系统功能可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等

为便于研究自动控制系统的实质，确定正确的研究方法及选择合适的数学工具重点讨论几种最基本和最常用的分类方法。

1．按输入量变换规律分类

(1) 恒值控制系统。恒值控制系统的输入量为常值，要求系统在扰动存在的情况下，输出量保持恒定。因此，恒值控制系统的任务就是要克服各种扰动对系统的影响而保持输出量为恒值。前述介绍的自动恒温控制系统和宣流电动机闭环调速系统均为恒值控制系统。此外，工业控制中的过程控制系统(输出量为温度、流量、压力、液位等生产过程参量) 也都为恒值控制系统。

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(2) 随动控制系统。随动控制系统又称伺服系统或跟踪系统，其输人量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够迅速而准确地跟随输入量的变化。因而，随动控制系统的任务是在各种情况下保证输出量以一定相度和速度跟随输入量的变化而变化。武器系统中的火炮跟踪系统、雷达导引系统，机械加工设备的伺服机构，天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。

(3) 程序控制系统。程序控制系统的输入量是按照预定规律随时间变化的函数。数字控制机床、机械手控制系统等。

2．按组成系统元件特性分类

(1) 线性系统。组成控制系统的所有环节(或元件)均为线性元件，即其输入／输出特性都是线性的，这样的控制系统称为线性系统，线性系统可以用线性微分方程(或差分方程) 来描述。在线性系统中，环节(或元件)参数不随时间变化的控制系统称为定常系统(或时不变系统)；参数随时间变化的控制系统称为时变系统。

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