自动控制原理 第2版 课件 第一章绪论(自动化)1

自动控制原理

主讲：常俊林

1引言：工业革命经历的四个阶段工业革命之前人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高文明只达到封建社会。

伟大的都江堰水利工程鱼嘴分水堤宝瓶口飞沙堰三大部分互相配合大约公元前256年，秦昭王委任李冰担任蜀郡太守。李冰到任后便吸取前人的治水经验，率领当地人民，主持修建了著名的都江堰水利工程。伟大的都江堰水利工程利用自然规律，实现了自动防洪与排沙，充分体现了自动控制系统的思想。鱼嘴分水堤宝瓶口飞沙堰伟大的都江堰水利工程都江堰还能自行解决水利工程的泥沙排放问题

在鱼嘴分流处，根据弯道的水流规律，表层水流流入内江，底层水流则流入外江。表层水流含沙量较底层水流小，从而确保大部分的泥沙经外江而流走，这便是“一次排沙”。

虽有少量泥沙进入内江，但河道又利用水流直冲水底崖壁（玉垒山）而产生的旋流冲力再度将这些泥沙从飞沙堰排走，这便是“二次排沙”。洪水越大排沙效果越好，泥沙排除率最高竟可达98%。伟大的都江堰水利工程都江堰的鱼嘴分水堤、宝瓶口和飞沙堰这三大部分互相配合，完全利用自然规律做到了自动防洪与排沙，不得不说这是人类历史上的一个奇迹。它充分体现了因势利导、顺势而为的精神。它做了最小的改动，却最大化地利用了自然。

虽历经2200多年，如今却依然能发挥重要的作用。都江堰已与大自然融为一体，做到了真正的自动化。引言：工业革命经历的四个阶段第一次工业革命（英国领先）

机械化时代。当蒸汽机出现之后，开始了机器代替手工劳动的工厂生产模式。人类的“力气”不知被放大多少倍！物质丰富了，一些农民被改造成为工人，进入了资本主义社会时期。7第二次工业革命（德国领先）

电气化时代。出现了分工明确、大批量生产的人工流水线制造模式。企业的经营管理大大改善，成本降低，劳动生产率得到了提高。引言：工业革命经历的四个阶段引言：工业革命经历的四个阶段第三次工业革命（美国领先）

“自动化时代”，也称为信息化时代。出现了自动化流水线生产模式。在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的地方，都可以给它配上一个小的脑袋（微处理器之类设备），代替人进行某种判断或操作。第四次工业革命（群雄逐鹿）

工业互联网时代、人工智能时代。基于信息物理融合系统的互联自动化生产模式出现。在工业自动化的基础上,实现从机器传感器到互联网通讯的无缝对接。将传统工业生产与现代信息技术深度融合,最终实现工厂智能化。

引言：工业革命经历的四个阶段

自动控制原理（又称自动控制理论、反馈控制理论，简称自控）是一门研究自动控制系统共同规律的工程技术科学，是研究自动控制技术的基础理论。自动控制系统虽然种类繁多，但所研究的内容和方法却是类似的。本课程研究的内容主要分为系统分析和系统校正两个方面。

《自动控制原理》课程性质与地位

自动控制对人类有着深远的影响，几乎达到了无所不在的地步，研究自动控制的学问—自动控制理论与技术，成了现代科学技术研究的一个通用工具。《自动控制原理》课程目标能够结合数学、物理和电子电路理论等知识描述自动控制系统的基本构成和工作原理，建立控制系统的数学模型。2.掌握经典控制理论中的时间域、复数域和频率域分析方法。知识目标《自动控制原理》课程目标3.能够通过文献研究、仿真计算对复杂控制工程问题进行分析，获得待解决问题的性质、关键环节（或参数）以及合理的解决方法。4.能够安全地开展实验、正确采集数据、综合分析实验结果，以分析报告形式呈现有效的实验结论。5.能够利用MATLAB工具软件实现对复杂控制工程问题进行仿真计算，得到有效的结论。能力目标素质目标：以重大工程案例培养民族自豪感和自信心，领悟控制系统设计中蕴含的道理，建立正确的人生观和价值观。《自动控制原理》课程目标钱学森

课程评价注重过程考核，自动化专业以平时成绩（包括大作业、课后作业、课堂讨论、线上测验等）和期末闭卷考试成绩两个方面综合进行评定。成绩评定采用百分制，

各项比例：期末考试占60%，过程考核40%【线上成绩15%+课后作业10%+大作业5%+综合表现(线上讨论、课堂发言等)10%】。《自动控制原理》课程考核线上成绩构成：线上单元作业20%+线上单元测验20%+线上讨论20%+线上期中测试20%+线上期末测试20%。线上单元作业为1道课后作业以外的题目（模拟考题）。单元测验、期中测验、期末测验以选择题为主。《自动控制原理》课程考核中国矿业大学信电学院自动控制原理17课堂教授48学时，课外12学时

每章学时安排：

第一章

绪论

4学时第二章

控制系统的数学模型

6学时(线上2学时)

第三章

线性系统的时域分析法

8学时(线上2学时)第四章

线性系统的根轨迹法

2学时(线上4学时)第五章线性系统的频域响应法

10学时(线上2学时)第六章线性系统的校正8学时(线上2学时)

第七章非线性系统分析10学时(含复习2学时)

课程学时安排分组讨论：3人一组，特殊情况可以减少或增加1人。小组共同完成大作业1份，内容包括：1、综述自动化技术在某一具体行业中的应用与发展（3000字左右，体现课程思政内容）2、各章知识点思维导图3、结合行业问题进行控制系统的建模、设计与仿真4、课程总结（不少于500字）5、小组协作情况、每位成员的贡献情况6、参考文献课程结束后，提交完整的大作业；不定期检查阶段性任务完成情况。小组合作学习第四章根轨迹部分自学说明1、教师提前发布学习提纲，小组合作学习2、布置指定习题，小组完成讲解视频(手机拍摄)3、视频上传课程群，同学们相互学习，找出错误4、针对疑难问题，课堂讨论2学时

王雪松等《自动控制原理》机械工业出版社，2021

常俊林等《自动控制原理》中国矿业大学出版社，2010胡寿松《自动控制原理》科学出版社，2018KATSUHIKOOGATA

《ModernControlEngineering》(第五版)电子工业出版社（中文译名：现代控制工程）GeneF.Franklin《FeedbackControlofDynamicSystems》机械工业出版社(中文译名：自动控制原理与设计)参考书目在线课程：中国大学慕课/learn/preview/CUMT-1206707809?tid=1465435467新版教材“十三五”江苏省高等学校重点教材第一章绪论22第一节自动控制系统的基本概念第二节自动控制系统的工作原理第三节控制系统的示例第四节自动控制系统的分类第五节自动控制系统的基本要求和典型输入信号第六节自动控制理论的发展简史什么是自动控制？第一节自动控制系统的基本概念自动控制(AutomaticControl)：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使机器、设备或生产过程的某一工作状态或参数自动按照预定的规律运行。自动控制系统的基本概念控制：广义上讲，维持一个易变的物理量稳定或使其按照预定的方式变化的方法或措施就是控制。◆

被控对象(Plants)：控制系统要进行控制的受控客体，如冰箱、空调、电动机、发电过程、食品发酵过程(Process)等。◆

被控变量(ControlledVariable)：是一种被测量和被控制的量值或状态。在工业技术领域指被控制对象要实现的物理量。如冰箱的温度；空调的温度、风向、风速；电机的转速系统：由一些对象相互作用，相互制约，组成一个具有一定运动规律的整体。控制系统(ControlSystems)：由被控对象和控制器构成的整体。动态系统(DynamicSystems)：系统状态随时间而变化的系统，目的往往是为了对外界的激励或作用力进行响应。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念

自动控制技术广泛应用于日常生活、机械、能源、材料、化工、食品、交通、农业、航空航天、军事以及经济社会等各领域。扰动(Disturbances)：对系统的输出量（被控变量）产生不利

影响的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。反馈(Feedback)控制：如果测量了系统的输出信号并反馈用于控制运算，则称这个系统是闭环控制或反馈控制。自动控制技术的广泛应用第二节自动控制系统的工作原理29

人工控制系统：由人来操作的控制系统自动控制系统：如果一个控制系统仅由机器组成，则称该系统为自动控制系统

开环控制按控制方式闭环控制（反馈控制）

复合控制按对象方式运动控制（电机调速、机器人等）过程控制（被控对象为某种生产过程，如化工过程）◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制

在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。第二节自动控制系统的工作原理30开环控制系统（Open-loopControlSystem）举例？一、开环控制系统31功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统（开环）一、开环控制系统32另外一种开环控制方式：按干扰补偿的开环控制该系统对干扰进行测量，利用测量得到的干扰值修正控制作用，补偿干扰对被控量的影响。

从干扰作用端至输出端，也仅有顺向作用而无反向联系，因此也是开环控制。这种控制方式使用的前提条件是干扰能够被测量到。

闭环控制系统（Closed-loopControlSystem）闭环控制系统又称反馈（feedback）控制系统，是应用最广泛的控制方式。负反馈——把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈。反馈控制——采用负反馈(正反馈较少使用)并利用偏差进行控制的过程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。33二、闭环控制系统举例？34给定电压热电偶输出电压图1-7电热炉炉温的闭环控制被控对象？被控变量？二、闭环控制系统根据如图所示炉温控制系统的原理示意图，绘制该控制系统的方框图并说明其工作原理重点！例135二、闭环控制系统重点！电热炉炉温闭环控制系统方框图绘制36工作原理：

当炉内实际温度与给定装置表征的希望温度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值，直到达到新的平衡。

当炉温因扰动出现偏差时（比如炉温低于希望值），偏差电压二、闭环控制系统37希望液位实际液位肌肉、手阀

门水

箱眼

睛（III）

相对应的人工操纵系统方块图

脑Q2液位控制系统Q1对比人的操作（课后体会）38电动机速度控制系统+++++电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG电动机速度闭环控制系统二、闭环控制系统它的作用？二、闭环控制系统用号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反（负反馈）。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。39给定元件40给定元件：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量元件：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号的各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较元件：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。闭环控制系统的基本组成41放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。补偿（校正）元件：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。闭环控制系统的基本组成闭环控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。

应当指出，闭环控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也存在着闭环控制系统。二、闭环控制系统42闭环控制系统是自动控制原理的主要研究对象负反馈有没有缺点？闭环控制系统的基本框图43输入量控制器被控对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量电动机期望转速实际转速加热器实际