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1、自动控制原理自动控制原理 长沙理工大学长沙理工大学 电气与信息工程学院自动化系电气与信息工程学院自动化系 李茂军李茂军 * * 2 2 课程性质课程性质 uu电气与信息类专业必修的专业基础课，自动化专电气与信息类专业必修的专业基础课，自动化专 业主干专业基础课，主要讲述自动控制系统分析业主干专业基础课，主要讲述自动控制系统分析 与设计的基本理论和方法。与设计的基本理论和方法。 uu自动控制理论可分为古典控制理论、现代控制理自动控制理论可分为古典控制理论、现代控制理 论、智能控制理论等，论、智能控制理论等，自动控制原理自动控制原理主要讲主要讲 授古典控制理论。授古典控制理论。 uu古典控制理论以
2、传递函数为基础，主要研究单输古典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输 入单输出（入单输出（SISOSISO）系统的分析和设计问题。）系统的分析和设计问题。 * * 3 3 课程性质课程性质 uu现代控制理论以状态空间模型为基础，研究多输现代控制理论以状态空间模型为基础，研究多输 入多输出（入多输出（MIMOMIMO）系统的分析与设计问题。）系统的分析与设计问题。 uu智能控制理论涉及人工智能、自动控制、运筹学智能控制理论涉及人工智能、自动控制、运筹学 、系统论、信息论等，体现了人的控制策略和控、系统论、信息论等，体现了人的控制策略和控 制思想，拥有受控对象及环境的相关知识以及运制思想，拥有受
3、控对象及环境的相关知识以及运 用这些知识的能力，能在复杂环境下进行综合分用这些知识的能力，能在复杂环境下进行综合分 析、判断和决策，实现对复杂系统的控制。析、判断和决策，实现对复杂系统的控制。 * * 4 4 本章内容本章内容 1.1 什么是自动化? 1.2 自动化的作用 1.3 自动化的过去、现在和将来 1.4 自动控制方式 1.5 自动控制系统分类 1.5 自动控制系统性能要求 1.7 典型输入信号 * * 5 5 自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助 人自动地完成某个任务或实现某个过程。人自动地完成某个任务或实现某个过程。 1.1 1.1 什么
4、是自动化什么是自动化? ? 自动化是在没有人的直接参与下，利用各种技自动化是在没有人的直接参与下，利用各种技 术手段，通过自动检测、信息处理、分析判断、操术手段，通过自动检测、信息处理、分析判断、操 纵控制，使机器、设备等按照预定的规律自动运行纵控制，使机器、设备等按照预定的规律自动运行 ，实现预期的目标，或使生产过程、管理过程、设，实现预期的目标，或使生产过程、管理过程、设 计过程等按照人的要求自动地完成。计过程等按照人的要求自动地完成。 * * 6 6 自动控制与自动化的关系和区别：自动控制与自动化的关系和区别： 自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按预定自动化是指机器或装置在无人干预的
5、情况下按预定 的程序或指令自动地运行。的程序或指令自动地运行。 自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理 论和技术。论和技术。 自动化就是无须人的直接参与，通过控制装置 去自动操纵机器、设备等，使其按照预定的规律运 行，完成要求的任务。 * * 7 7 自动化与自动控制的关系和区别：自动化与自动控制的关系和区别： 两者既有联系，但也有一定的区别。两者既有联系，但也有一定的区别。 自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自 动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生
6、 物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制 、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都 不能归入自动化的研究领域。不过人们提到自动控不能归入自动化的研究领域。不过人们提到自动控 制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动 化和自动控制是一样的。化和自动控制是一样的。 * * 8 8 自动化系统举例自动化系统举例 空调空调自动调节房间温度：自动调节房间温度： 以取暖为例，空调通过温度传以取暖为例，空调通过温度传 感器检测房间的温度高低，空调控感器检测房间的温
7、度高低，空调控 制器将检测的温度与设定值进行比制器将检测的温度与设定值进行比 较，若温度低于设定值的下限，则较，若温度低于设定值的下限，则 使压缩机运行，温度上升，温度上使压缩机运行，温度上升，温度上 升到设定值的上限时则停止运行。升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于 “ “ 反馈控制反馈控制” ”。反馈控制系统是最为常见的控制系统。反馈控制系统是最为常见的控制系统。 * * 9 9 全自动洗衣机：全自动洗衣机： 按照设定的程序自动完成洗按照设定的程序自动完成洗 衣任务。这是另一种典型的自动衣任务。这是另一种典型的自动
8、 控制方式控制方式程序控制。程序控制。 可以检测出洗衣量的多少、可以检测出洗衣量的多少、 脏的程度、衣料的质地等，并根脏的程度、衣料的质地等，并根 据这些信息自动进行分析计算，据这些信息自动进行分析计算， 决定洗涤剂用量、水位高低、洗决定洗涤剂用量、水位高低、洗 衣时间等，从而实现衣时间等，从而实现“ “智能型智能型” ”的的 全自动洗衣。全自动洗衣。 * * 1010 数控机床和数控加工中心：数控机床和数控加工中心： 自动完成零部件的加工自动完成零部件的加工 数控机床数控机床数控技术与数控技术与 机械技术相结合，相当于给机机械技术相结合，相当于给机 床添加了床添加了“ “大脑大脑” ”和和“
9、 “感觉器官感觉器官” ” ，赋予了，赋予了“ “智慧智慧” ” 。 数控加工中心数控加工中心带有刀带有刀 具库和自动换刀装置的多功能具库和自动换刀装置的多功能 数控机床，能自动完成多种工数控机床，能自动完成多种工 序和复杂形状的产品加工。序和复杂形状的产品加工。 一种数控加工中心 * * 1111 战机对目标的自动攻击：战机对目标的自动攻击： 现代战机在攻击目标时，可以在几十甚至几百现代战机在攻击目标时，可以在几十甚至几百 公里以外将导弹发射出去。先进的导弹可以做到公里以外将导弹发射出去。先进的导弹可以做到“ “ 发射后不管发射后不管” ”，即在发射后能够自动搜寻、跟踪和，即在发射后能够自动
10、搜寻、跟踪和 击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。 战斗机发射导弹战机的武器系统 * * 1212 * * 1313 机器人机器人 * * 1414 * * 1515 * * 1616 * * 1717 * * 1818 * * 1919 电力系统自动化电力系统自动化 * * 2121 l 电力主要来源于水电、火电和核电，其他如太阳 能、风能、海洋能、生物能等产生的电力目前还 只能是一种补充。 l 电力系统包含发电、输电、变电、配电等多个环 节，而且地域分布广，系统结构复杂，如何保障 电力系统的安全稳定运行至关重要。 l 电力系统自动化是采用各种具有自动
11、检测、决策 和控制功能的装置，对电力系统进行就地或远程 的自动监视、调节、控制和管理，保证电力系统 的安全经济运行和传输合格的电能质量。 * * 2222 l l 电力系统复杂而庞大，在电力系统中任何电力系统复杂而庞大，在电力系统中任何 一点发生的故障，都会在瞬间影响和波及一点发生的故障，都会在瞬间影响和波及 全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩 大，造成大面积停电，因此电力系统要求大，造成大面积停电，因此电力系统要求 进行快速的自动控制。进行快速的自动控制。 l l 被控参数很多，包括频率、电压、有功和被控参数很多，包括频率、电压、有功和 无功功率、功率平
12、衡等，监视和控制成千无功功率、功率平衡等，监视和控制成千 上万个运行参数必须依靠自动化。上万个运行参数必须依靠自动化。 * * 2323 l l 存在各种干扰，包括系统故障等，系统故障有时会存在各种干扰，包括系统故障等，系统故障有时会 使电力系统失去稳定，造成灾难性后果，因此如何使电力系统失去稳定，造成灾难性后果，因此如何 控制才能保证稳定，或出现不稳定后怎样恢复稳定控制才能保证稳定，或出现不稳定后怎样恢复稳定 ，已成为电力系统自动化的重大课题之一。，已成为电力系统自动化的重大课题之一。 l l 正是由于采用了自动监控和远动控制技术，才使得正是由于采用了自动监控和远动控制技术，才使得 电力系统
13、的规模能不断扩大。电力系统的规模能不断扩大。 l l 要要保证电力系统安全、优质、经济运行，单靠运行保证电力系统安全、优质、经济运行，单靠运行 值班人员进行人工监视和操作是无法实现的，必须值班人员进行人工监视和操作是无法实现的，必须 依靠自动化装置和设备。依靠自动化装置和设备。 l l 安全供电、保证良好的电能质量、经济运营都需要安全供电、保证良好的电能质量、经济运营都需要 自动化。自动化。 * * 2424 l l 按电力系统运行管理，可将电力系统自动化分为按电力系统运行管理，可将电力系统自动化分为 调度自动化、发电厂自动化、变电站自动化；调度自动化、发电厂自动化、变电站自动化； l l 调
14、度自动化又可分为输电调度、配电网调度自动调度自动化又可分为输电调度、配电网调度自动 化；发电厂自动化又分为火电、水电、核电等；化；发电厂自动化又分为火电、水电、核电等； l l 从电力系统自动控制的角度，可以将电力系统自从电力系统自动控制的角度，可以将电力系统自 动化分为电力系统频率和有功功率自动控制、电动化分为电力系统频率和有功功率自动控制、电 力系统电压和无功功率自动控制等。力系统电压和无功功率自动控制等。 * * 2525 三峡水电站外观三峡水电站外观 * * 2626 * * 2727 三峡电站控制室三峡电站控制室 * * 2828 三峡电站控制设备三峡电站控制设备 发电机组单元控制室
15、 及调速器 发电机组变压设备 发电机组厂房 * * 2929 三峡电站水轮机和发电机吊装三峡电站水轮机和发电机吊装 * * 3030 1.2 1.2 自动化的作用自动化的作用 自动化使我们的生活与工作更加方便、高效、省自动化使我们的生活与工作更加方便、高效、省 心、省力。心、省力。 自动化使生产过程的效率更高、成本更低、产品自动化使生产过程的效率更高、成本更低、产品 质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更 小、并显著地降低能源和原材料消耗。小、并显著地降低能源和原材料消耗。 自动化使我们能够做很多我们以前无法做的事情自动化使我们能够做很多我们以前无
16、法做的事情 ，如通过载人航天器翱翔太空、，如通过载人航天器翱翔太空、 借助无人潜水器借助无人潜水器 探测深海，利用机器人处理危险品、爆炸物、核探测深海，利用机器人处理危险品、爆炸物、核 废料，利用人造卫星实现全球通信等。废料，利用人造卫星实现全球通信等。 * * 3131 早期的自动化使人类从体力上获得了解放，早期的自动化使人类从体力上获得了解放， 现代的自动化则已发展为综合自动化，可以现代的自动化则已发展为综合自动化，可以 自动完成分析、设计、计算、优化、协调、自动完成分析、设计、计算、优化、协调、 决策等，从而使人不仅从体力上，也从脑力决策等，从而使人不仅从体力上，也从脑力 上获得了很大程度的解放。上获得了很大程度的解放。 自动化广泛应用于工业自动化广泛应用于工业 农业农业 交通、国交通、国 防防 商业商业 医疗医疗 航空航天、服务和家庭航空航天、服务和家庭 等各个领域。等各个领域。 * * 3232 自动化的常
