人工控制和自动控制
电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 第一章 自动控制的基本概念
第一章 自动控制的基本概念
在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改 变，便构成图示的直流电动机转速闭环控制系统。
测速发电机由电动机同轴带动，用于测量电动机的实际转速n（即系统的输出 量），然后转换成电压uf，再反送到系统的输入端，与给定值（即系统的输入量） 进行比较，从而得出电压ue = ugd - uf 。由于该电压能间接地反映出误差的性质 （即大小和正负方向），通常称之为偏差信号，简称为偏差。偏差ue经放大器放 大成ua后，作为电枢电压控制电动机转速n之用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式组合而成，以 完成某种自动控制任务的有机整体。
输入信号：系统的输入信号又称为参考输入，通常是指给定值，它是控制着 输出量变化规律的指令信号。
输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按某种规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
第一章 自动控制的基本概念
一、人工控制
如图所示为一个人工控制水位保持恒定的供水系统。
人工控制的水位系统
第一章 自动控制的基本概念
操作步骤是： （1）将水位的要求值（期望水位值）牢记在操作者的大脑中。 （2）通过眼睛和测量工具测量出水池的实际水位。 （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。
方块图清楚表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路， 使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统形成闭合环路，并 按偏差ue的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制 系统，或称为反馈控制系统。
高二通用技术试题大全
高二通用技术试题答案及解析1.在水箱水位控制系统有两种控制方式：人工控制和自动控制，两种控制对比( )A．都是由人控制的B．都是自动控制的C．自动控制中浮子和连杆机构的作用，相当于人工控制中的人眼、人脑和人手的作用D．人工控制中浮子和连杆机构的作用，相当于自动控制中的人眼、人脑和人手的作用【答案】D2.有报纸报道，一位8岁小女孩在进某酒店的旋转大门时，被旋转大门夹住，结果造成重伤。
为此，酒店对大门进行了重新设计，釆用压力传感器检测是否受到阻力，使旋转大门遇到阻力时能够自动停止转动。
如当人被旋转大门夹住时，压力传感器会检测到大门遇到阻力，控制电路接收到该信号后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动刹车动作，将门刹住，防止以外事故发生。
改进后的酒店旋转大门控制系统为（）A．自动控制、闭环控制系统B．自动控制、开环控制系统C．手动控制、闭环控制系统D．手动控制、开环控制系统【答案】A3.某花农拟建一间养花温室，该温室的环境调节系统应能根据不同的花种和生长期对环境的要求，灵活地调节室内环境以满足其生长发育的需求。
这个事例说明了（）A．组成温室的各个部件必须都是高科技产品，否则就实现不了整体功能B．温室是一个封闭系统，不需要和外界进行信息、物质和能量的交换C．温室系统的设计，首先要明确其目的，否则就无法形成一个良好、有序的系统D．温室系统的设计要更多地考虑局部，对全局可以考虑得少一些【答案】C4.以下影响系统优化的因素不正确的是( )A．实施系统优化，要有付出(投入)B．优化追求的目标要适度C．优化要追求高目标D．系统优化的实施要看是否具备相应条件【答案】C5.李林通过通用技术的学习，提出了一些保温杯性能试验方案。
下列试验方案中不合理的是（）A．保温试验：将开水倒入保温杯B．渗漏试验：往杯中加水后，旋紧内，测量温度，旋紧杯盖，2小时后再测量水的温度杯盖，把保温杯横放在桌面上，观察是否有水渗漏C．内胆异味试验：旋紧杯盖一段时间后打开杯盖，用鼻子感受内胆的气味D．跌落试验：用铁锤敲击保温杯，观察保温杯是否损坏【答案】B6.小王在锯割操作中折断了锯条，现在要换新锯条。
《自动控制原理》名词解释
1、自动控制: 指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控制对象或过程自动地按照预定的要求运行。
2、人工控制：在人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象和过程按预定规律变化的过程，（1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。
（1）连续系统:当系统中各元件的输入量和输出量均是连续量或模拟量时，就称此类系统是连续系统（2）离散系统：当系统中某处或多处信号是脉冲序列或数字形式时，就称这类系统是离散系统。
（1）恒值控制系统：控制系统在运行中被控量的给定值保持不变（2）随动控制系统：控制系统被控量的值不是预先设定的，而是受外来的某些随机因素影响而变化，其变化规律是未知的时间函数（3）程序控制系统：控制系统被控量的给定值是预定的时间函数，并要求被控量随之变化。
（三）按控制方式分：开环控制、反馈控制、复合控制（四）按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统（五）按系统共用：温度控制、压力控制、位置控制1）输入量（激励）作用于一个元件、装置或系统输入端的量，可以是电量，也可以是非电量，一般是时间的函数（确定函数或随机函数），如给定电压。
2）输出量（响应）指确定被控对象运动状态的量，它是输出端出现的量，可以是电量或非电量，它是系统初始状态和输入量的函数。
3）被控制量制被控对象所要求自动控制的量。
它通常是决定被控对象工作状态的重要变量。
当被控对象只要求实现自动调节，即要求某些参数保持给定数值或按一定规律变化时，被控制量就是被调节量（被调量）。
4）控制量（控制作用）指控制器的输出量。
当把控制器看成调节器时，控制量即调节量（调节作用）。
5）反馈把系统的输出送回到输入，以增强或减弱输入信号的效应称为反馈。
使输入信号增强者为正反馈，使输入信号减弱者称为负反馈。
反馈信号与系统输出量成比例者称为硬反馈或刚性反馈（比例反馈），反馈信号为输出量的导数者称为软反馈或柔性反馈。
人工控制和自动控制
水箱的液面高度维持在预定的高度上。
流入
当水的流出量 增大或流入量减
小，平衡则被破
水箱
坏，液面的高度
h
流出 不能自然地维持
恒定。
.
3
这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发
生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现
了。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量（进水
量），而使另外某些特定的物理量（如被控量液面高
度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。
这 种 人 为 流入
地强制性地改
变进水量，而
使液面（被控
量）高度维持
h
恒定的过程，
水箱 （控制对象）
流出
即是人工控制
过. 程。
4
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件
1.自动控制的定义
自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用
控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）
输入
偏差
+-
控制器
输出 被控对象
反馈元件
.
18
三.开环与闭环控制系统的比较
闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响
应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。
这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且
成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，
就不可能做到这一点。
从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建
1.3 闭环控制 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的
系统，都叫做闭环控制系统。
.
15
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控 制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输 出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务， 这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反 馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈 原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭 环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值 之间的偏差。
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。
如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。
这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。
控制分人工控制和自动控制两种。
在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。
自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。
自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。
为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。
图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。
生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。
在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。
蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。
此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。
蒸汽流量是操纵变量。
若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：(1)用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；(2)通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；(3)根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；(4)反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。
操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。
为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。
11人工控制和自动控制
自动控制技术的应用范围广泛， 涉及工业、农业、军事、航空航 天等多个领域。
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自动控制系统的核心是控制器， 它根据输入信号与系统设定值的 差异，调节被控制对象以达到预 定的输出。
自动控制技术的优点包括提高生 产效率、减少人为误差、降低能 耗等，为现代化生产和生活提供 了重要的技术支持。
THEME TEMPLATE
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应用场景
工业控制：用于生 产过程中的设备控 制和自动化生产
智能家居：用于家 庭环境的温度、湿 度、照明等自动调 节
交通管理：用于城 市交通信号灯的自 动控制和智能调度
农业科技：用于农 田灌溉、施肥等自 动化作业，提高农 业生产效率
优缺点分析
优点：自动控制系统能够减 少人为干预，提高生产效率； 能够实现快速响应和精确控 制。
缺点：自动控制系统成本较 高，需要专业的技术人员进 行维护和调试；同时，自动 控制系统对工作环境的要求 较高，需要稳定的电源和信 号传输设备。
发展趋势
人工智能技术的融合 物联网和传感器技术的应用 云计算和大数据分析的支撑 机器学习和深度学习算法的优化
人工控制与自动控制的比 较
章节副标题
控制方式比较
未来发展中，人工控制与自动控 制将共同应对挑战，推动工业自 动化进程
人工控制与自动控制的融 合
章节副标题
融合方式
人工控制与自动控制并行运行 人工控制与自动控制交互运行 人工控制与自动控制协同运行 人工控制与自动控制融合发展
融合优势
降低成本：通过融合，可以 减少人力成本，同时优化资 源利用。
提高效率：人工控制与自动 控制相结合，能够提高生产 或服务的效率。
什么是控制
了解控制学习目标：1、理解控制的含义，明确控制的目的和对象。
2、了解控制的手段，知道人工控制和自动控制。
3、理解控制在生产和生活中的应用。
《城市之光》片断想一想：事物的发展与变化一棵苹果树结不出苹果结的苹果又多又大结出苹果又小又酸天上降落的雨水用来灌溉农田发电引起洪涝灾害骑自行车代步、省力摔跟头撞到物体和别人的目标不相符，甚至是不希望得到的，如果人们想达到某一特定目的，就必须借助适当的手段来实现。
大禹治水思考：大禹治水过程中，通过什么手段实现了什么样的目的？疏通河道、泄洪为主“洪波安息”、“水患大治”补充：大禹，是中国历史上的一个重要人物，由他所创立的夏王朝是中国历史上的第一个王朝，夏、商、周三代之首。
大约在4000多年前，我国的黄河流域洪水为患，尧命鲧（鲧，传说为尧舜时代的部落首领）负责领导与组织治水工作。
鲧采取“水来土挡”的策略治水。
鲧治水失败后由其独子禹主持治水大任。
禹接受任务后，首先就带着尺、绳等测量工具到全国的主要山脉、河流作了一番周密的考察。
他发现龙门山口过于狭窄，难以通过汛期洪水；他还发现黄河淤积，流水不畅。
于是他确立了一条与他父亲的"堵"相反的方针，叫作“疏”，就是疏通河道，拓宽峡口，让洪水能更快的通过。
禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。
高处就凿通，低处就疏导”的治水思想。
根据轻重缓急，定了一个治的顺序，先从首都附近地区开始，再扩展到其它各地。
据说禹治水到涂山国，即他家所在地，但他三过家门，都因治水忙碌，无法进家门看看。
他的妻子到工地看他，也被他送回。
禹治水13年，耗尽心血与体力，终于完成了这一件名垂青史的大业。
一、控制的涵义控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展的行为和过程。
（射手通过瞄准，使箭射中靶心。
）从前面的事例及定义中我们知道，控制都有它的目的、手段和对象。
也就是说，理解任何控制现象，都要明确三要素：（1）控制对象是什么？（2）控制要达到什么目的从人工干预的情形来分：人工控制：控制的过程必须在人的直接干预和全程干预下才能完成控制任务自动控制：在控制的过程中不需要人的直接干预，使事物的变化准确的按照期望的方向发展。
三、手动控制和自动控制
第一节 了解控制
乒乓球“投篮”
控制
1
控制的涵义
根据自己的目的，通过一定的方法,使事 物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
理解控制现象，需要明确：
事例
目的 控制方法 对象
1、控制要达到什么目的 2、采取什么控制方法 3、控制的对象是什么
手摇扇子扇风 扇风 的控制
开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响控制作
用的系统。
反馈环节：将控制结果反馈回来的部分。
活动：画图图
控制事例
目的 （期望值）
结果
控制方式
打开电风扇的控制 空调自动调温的控制
打开电风扇
电风扇是否转 动
使室内温度达 到设定值
室内实际温度
投掷飞镖
靶心
飞镖实际位置
瓦特式速度调节器基本 工作原理
希望的速度值
发动机的转速
开环控制 闭环控制 开环控制 闭环控制
练习：(2014·省学考)如图所示为某仓储运货工 作示意图，运货车的工作过程是：当传感器检测 到车上的载货量达到设定值时，控制电路控制电 机转动，车驶向卸货平台；当车上的限位开关接 触到卸货平台，电机停止转动，车停下等待卸货； 当传感器检测到货物被卸，电机反向转动，车返 回装货平台。请回答下列各题，填写 “________”处的相应内容。
骑自行车的方向控制
课堂总结
一、控制的概念
根据自己的目的，通过一定的方法,使事 物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
二、控制的手段
手动控制、自动控制
三、控制的方式
开环控制、闭环控动的控制 转动扇叶 打开开关 电风扇
空调自动调温 的控制
使室内温 度达到设
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输入
偏差
+-
控制器
输出 被控对象
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反馈元件
三.开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响
应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。 这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且 成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下， 就不可能做到这一点。
从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建 造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但 是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因 为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅 振荡或变幅振荡。
自动控制技术
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第一章 自动控制的基本概念
主要内容： 1.人工控制与自动控制
2.开环控制 3.闭环控制 4.自动控制系统的组成 5.自动控制系统的分类
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1.1人工控制与自动控制
1.1.1 自动控制问题的提出
一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望
液面高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，
人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现 了闭环控制的原理。
直流电动机转速闭环控制的例子。
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电动机
负载
电 位 器
功率 放大器
M
给定 位置
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F 测速发动机
负载 扰动
电位器 ur +- e
uf
功率 ua 放大器
转速 电动机
测速发动机
闭环控制的特点： ① 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏 差信号，由偏差产生对系统被控量的控制； ② 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用， 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。
自动地按预先给定的规律去运行。 当出水与进水的平
衡被破坏时，水箱水
流入
控制 器
浮子
位下降(或上升)，出现 偏差。这偏差由浮子 检测出来，自动控制 器在偏差的作用下，
水
控制阀门开大(或关小)，
h
箱 流出 对 偏 差 进 行 修 正 ， 从
而保持液面高度不变。
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2. 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人
的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制 与自动控制的功能方框图进行对照。
流入
流入
控制器
浮子
水箱
水箱Leabharlann h流出h流出
眼睛
浮子
大脑
自动控制器
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肌肉、手
执行元件
希望液位 大脑
肌肉和 阀门
实际液位 水箱
眼睛
希望液位 控制器
气动 阀门
实际液位 水箱
浮子
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能， 存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：
1.3 闭环控制 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的
系统，都叫做闭环控制系统。
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在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控 制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输 出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务， 这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反 馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈 原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭 环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值 之间的偏差。
度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。
这 种 人 为 流入
地强制性地改
变进水量，而
使液面（被控
量）高度维持
h
恒定的过程，
即是人工控制
过精程品PP。T
水箱 （控制对象）
流出
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件
1.自动控制的定义
自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用
控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）
水箱的液面高度维持在预定的高度上。
流入
当水的流出量 增大或流入量减
小，平衡则被破
水箱
坏，液面的高度
h
流出 不能自然地维持
恒定。
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这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发
生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现
了。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量（进水
量），而使另外某些特定的物理量（如被控量液面高
滑臂位置 电位器
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功率 放大器
电动机 转速
开环控制的特点： （1）结构简单、调整方便、成本低。 （2）给定一个输入，有相应的一个输出。 （3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的， 形成开环。 （4）输出不影响输入。 （5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准 确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。
控制量 控制器
被控量 被控对象
交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品 自动生产线，数控车床等等。
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下图是一个直流电动机转速控制系统。
电 位
电压放大
器
器
功率 放大器
电动机 M
负载
当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压， 从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的 控制过程，用方框图简单直观地表示出来。
调节风 门
实际温度 空调
温度传感 器
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小结
• 人工控制 • 自动控制 • 控制量和被控对象 • 自动控制的基本元件
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作业
• 电饭煲
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1.2开环控制 1.2 开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给 出开环控制的一般定义： 定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有 反向联系。 开环控制系统的典型方框图如图所示。
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测量元件与变送器（代替眼睛）； 自动控制器（代替大脑）； 执行元件（代替肌肉、手）。 这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自 动控制系统。下图是典型控制系统方框图。
扰动输入
参考输入 控制器
执行 元件
输出 对象
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测量变 送元件
• 自动调温空调
案例
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希望温度 控制器
工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合 起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础
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结
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束