第一章-计算机控制原理概论
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日本(rì běn)SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)；
第十二页，共68页。
神州(Shénzhōu)号发射、返回
13
第十三页，共68页。
嫦娥(chánɡ é)一号
14
第十四页，共68页。
楼宇自动(zìdòng)控制系统 （Building Automation System）
是建筑智能化的重要组成部分。对整座建筑的 空调系统、风机组、制冷机组、冷却塔、水箱 水位、给排水、变配电、照明回路等系统进行 信号采集和控制，实现(shíxiàn)大厦设备管理 自动化，起到集中管理、分散控制、节能降耗 的作用。
1
ur
2
u
c
ue
＞ ua
ij
第二十七页，共68页。
i n 减速器
输入 轴
r
电位 器 ue (比较 器)
放大 器 ua
电动 机
输出 轴
减速 器 c
随动系统(xìtǒng)的原理图
第二十八页，共68页。
小结 (xiǎojié)
自动控制要解决的基本问题(wèntí)
如何使被控制量按照给定量的变化 规律变化，就是一个控制系统要解决 的基本问题(wèntí)。
二. 闭环控制
参考输入 ＋
r －
误差信号 c
b 反馈信号
控制器
执行信号 控制对象
a
被控变量 y
反馈环节
开环和闭环：实际的控制系统按有无反馈作用来界定 反馈：输出量送回至输入端并与输入信号(xìnhà o)比较的过程 负反馈：反馈的信号(xìnhà o)是与输入信号(xìnhà o)相减而使偏差 越来越小
解决方法
闭环控制=反馈控制=偏差控制（ §1-3 ）
29 第二十九页，共68页。
自动控制系统——在没有人直接参与的情况 下，利用控制装置对被控对象进行控制操纵 ，使被控量按照参考输入保持常值或者跟随 参考输入的变化规律而变化的系统。
自动控制理论——研究自动控制共同规律的 一门科学，包括：工程控制论、生物 (shēngwù)、经济、社会控制论。
第二十二页，共68页。
控制系统的工作(gōngzuò)原理：
检测(jiǎn cè)输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差；
用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。
系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减 少系统的输出量与参考输入量之间的偏差，故 称之为反馈控制。
15 第十五页，共68页。
16
第十六页，共68页。
§1-2 自动控制(zìdònɡ kònɡ zhì)的基本概念
例1控量）
2 与要求的温度（给定 值）进行(jìnxíng)比较 得到温度偏差的大小和 方向
3 根据偏差大小和方向 调节调压器，控制加热 电阻丝的电流以调节温 度回复到要求的温度
第九页，共68页。
日本Fanuc 公司研制出由加工中心(zhōngxīn)和工 业机器人组成的柔性制造单元(1976)；
第十页，共68页。
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域(lǐnɡ yù) 的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 (1986)。
第十一页，共68页。
日本安川公司(ɡōnɡ sī)娱乐机械狗 (2001)；
20 第二十页，共68页。
•炉温(lú wēn)自动控制流程
期望温度 + ur
u _
电压放大器
ub
功率放大器
电机、减速器、 调压器
炉子
实际温度
热电偶
控制的实质：检测偏差(piānchā)和 纠正偏差(piānchā)
21
第二十一页，共68页。
从炉温控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)工作过程定义变量： 系统输入量、参考输入量（信号） 系统输出量 偏差信号 反馈、反馈信号
中国东汉时期天文学家，研制出自动测量地震的候风地动 仪；世界上第一架测验地震的仪器。是中国古代(gǔdài) 一项重要的科学发明，它比欧洲出现地震仪的时间要早 1500年左右。成功地记录了138年发生在甘肃的一次强 烈地震.
第二页，共68页。
中国马钧研制(yánzhì)出用齿轮传动的自动指示方向 的指南车 (235年)， “车虽回运而手常指南” ；
中国明代宋应星所著《天工开物》记载了有程序控 制思想的提花织机结构图（1637）；
第三页，共68页。
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年)。 控制进气阀的开启(kāiqǐ)程度来控制蒸 汽机速度。
第四页，共68页。
经典控制（ 1915--1950） 美国(měi ɡuó) N. Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺服结
第七页，共68页。
美国George Devol研制出第一台工业机器人样机 (1954) ，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立(chuànglì)了第一家机器人公司， Unimation；
第八页，共68页。
美国(měi ɡuó) M. E. Merchant 提出计算机集成 制造的概念(1969)；
控制。 在计算机控制推广应用的实践中，总结(zǒngjié)了系统的
分析设计的理论和方法以及工程实现技术，使计算机控 制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程 科学技术。
43
第四十三页，共68页。
典型的计算机反馈(fǎnkuì)控制系统框图
计算机
给定值
数字
控制器 －
模/数 转换
数/模 转换
显然： 反馈控制建立在偏差基础(jīchǔ)上，其 控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。
第二十三页，共68页。
•例2. 车床(chēchuáng)主轴的直流电动机转
速控制系统
＋
1
2
3
ug
＞
ua
ij
n
－
ug 功率 放大器
直流 电动机
工作 n 机械
第二十四页，共68页。
＋
ug
功率
放 大 器 ua
ij
执行 机构
检测 装置
被控 对象
被控量
44
第四十四页，共68页。
－
ub
n
＋
－
测 速发 电机
第二十五页，共68页。
ug
加法器
功n 率 放大器
直流 电动机
测速 发电机
干扰转矩
工作
n
机械
第二十六页，共68页。
例3. 雷达(léidá)导引随动控 制系统
控制目标：输出轴始终紧紧跟踪输入(shūrù)轴变化。 由于输入(shūrù)轴的位置无法预先确定——随动系统。
r
35
第三十五页，共68页。
§1-4 控制系统(kònɡ zhìxì 1.按输入信号分tǒ类n：ɡ)的类型
定值控制系统 伺服系统（随动系统） 程序控制系统 2.按系统是否满足叠加原理 线性系统与非线性系统 3.按系统控制器是否采用计算机 计算机（数字）控制系统与模拟系统 4.按控制对象的范畴 运动控制系统与过程控制系统 5.按系统参数(cānshù)是否随时间变化 时变系统和定常系统
3 准确性 即稳态精度，用系统(xìtǒng)的稳态误差来表征 。 稳态误差是控制系统(xìtǒng)响应的稳态值与期 望值之差。
第四十页，共68页。
注： 1 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性
和快速性要求(yāoqiú)各有侧重； 2 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约
，应根据实际需求合理选择。
以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制 精度高，抗干扰能力强。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散（ §1-6 ）。
第三十三页，共68页。
四. 自动(zìdò ng)控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅(bùjǐn)使生产 过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产 率，而且减轻了人的劳动强度。
构，提出PID控制方法 (1922)； 美国(měi ɡuó) E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器
(1925)，气压反馈控制器 (1929)；
第五页，共68页。
现代(xiàndài)控制（1950-Now ）
第六页，共68页。
美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制 (yánzhì)出第一台数控机床(1952)；
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
19
第十九页，共68页。
控制过程： 1 炉温由热电偶转换为对应的电压u2 2期望的炉温由电压u1给定，并与实际温度
(wēndù)u2比较得到温度(wēndù)偏差信号△u＝ u1－u2 3 温度(wēndù)偏差信号经电压、功率放大后， 用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压 器动触头。当温度(wēndù)偏高时，动触头向减 小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度 (wēndù)达到给定值为止，此时，偏差△ u=0， 电机停止转动。
第四十一页，共68页。
§1-6 计算机控制
引言 系统组成 控制机与通用机区别 系统发展(fāzhǎn)概况
42 第四十二页，共68页。
引言 (yǐnyán)
计算机功能：信息存储记忆、逻辑判断推理和快速数值 计算；
应用：信息处理工具等； 工程控制应用：例如,工业生产制造, 轧机控制、航天器
第三十六页，共68页。
§1-5 对控制系统的基本(jīběn)要求
稳定性（前提） 快速性（动态(dòngtài)性能） 准确性（稳态精度）
第三十七页，共68页。
1 稳定性
对一个能正常工作的线性定常系统来说，在动态响应过程 中，可以允许(yǔnxǔ)产生振荡现象，但其振幅度必须是逐 渐衰减的，即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干 次后，应能稳定到平衡位置，这种系统称为稳定系统。
30
第三十页，共68页。
§1-3 开环控制(kòngzhì)和闭环 控制(kòngzhì)
一.开环控制 控制装置与被控(bèi kònɡ)对象之间只有顺 向作用
而没有反向联系的控制。
参考输入 控制器
r
执行信号 a
被控变量
控制对象
y
开环控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)
第三十一页，共68页。
x(t) 1
y(t) 1
y(t) 1
y(t) 1
1
2
0
0
t
t
0
0 t
t
(a)
(b)
(c)
(d)
第三十八页，共68页。
注： 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 由系统结构和参数决定，与外界(wàijiè)因素无关。
第三十九页，共68页。
2 快速性 系统(xìtǒng)输出量和期望输出量产生偏差时， 系统(xìtǒng)消除这种偏差的快慢程度。表征系 统(xìtǒng)的动态性能。
第十七页，共68页。
•人工炉温(lú wēn)控制 框图
（期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
测量 （眼睛）
被控对象
（实际炉温）
（电热丝、炉子）
控制(kòngzhì)的实质：检测偏差和纠正偏差
18 第十八页，共68页。
•炉温(lú wēn)自 动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
2. 自动控制(zì dònɡ kònɡ zhì)使工作具 有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和 战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机 控制才能打下高速高空飞行的飞机。
3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开
自动控制技术了，例如原子能的生产。
第三十四页，共68页。
ACT-DT1型电机转速控制模型 该模块是一个典型的控制对象。 可进行电机转速闭环控制。在面 板上安装有1个12V工作的直流电 机，可用0—10V的直流控制信号 控制其转速，电机转速为0— 1500rpm连续可调。转速通过光 电码盘进行检测，经过(jīngguò) 频压转换后输出1—10V转速信号 。在面板上设置有1只0—10V直流 电压表和1只转速表，可用于电压 测量和转速指示。
第三十二页，共68页。
三.开环控制与反馈(fǎnkuì)控制的比较
开环 优点: 系统结构简单，调试容易，当输入信号 (xìnhào)和扰动能预先知道时，控制效果较好。
缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件 参数变化以及外来的未知扰动(rǎodòng)对控制精 度影响较大，抗干扰能力差。
闭环
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可
§1-1 控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ) 的发展史
前期控制(kòngzhì)(1400BC--1900) 经典控制(kòngzhì)(1935--1950) 现代控制(kòngzhì)(1950--Now)
第一页，共68页。
前期控制(1400 BC--1900) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400 BC-1100BC)； 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的 油灯（BC250）；
第十二页，共68页。
神州(Shénzhōu)号发射、返回
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第十三页，共68页。
嫦娥(chánɡ é)一号
14
第十四页，共68页。
楼宇自动(zìdòng)控制系统 （Building Automation System）
是建筑智能化的重要组成部分。对整座建筑的 空调系统、风机组、制冷机组、冷却塔、水箱 水位、给排水、变配电、照明回路等系统进行 信号采集和控制，实现(shíxiàn)大厦设备管理 自动化，起到集中管理、分散控制、节能降耗 的作用。
1
ur
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＞ ua
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第二十七页，共68页。
i n 减速器
输入 轴
r
电位 器 ue (比较 器)
放大 器 ua
电动 机
输出 轴
减速 器 c
随动系统(xìtǒng)的原理图
第二十八页，共68页。
小结 (xiǎojié)
自动控制要解决的基本问题(wèntí)
如何使被控制量按照给定量的变化 规律变化，就是一个控制系统要解决 的基本问题(wèntí)。
二. 闭环控制
参考输入 ＋
r －
误差信号 c
b 反馈信号
控制器
执行信号 控制对象
a
被控变量 y
反馈环节
开环和闭环：实际的控制系统按有无反馈作用来界定 反馈：输出量送回至输入端并与输入信号(xìnhà o)比较的过程 负反馈：反馈的信号(xìnhà o)是与输入信号(xìnhà o)相减而使偏差 越来越小
解决方法
闭环控制=反馈控制=偏差控制（ §1-3 ）
29 第二十九页，共68页。
自动控制系统——在没有人直接参与的情况 下，利用控制装置对被控对象进行控制操纵 ，使被控量按照参考输入保持常值或者跟随 参考输入的变化规律而变化的系统。
自动控制理论——研究自动控制共同规律的 一门科学，包括：工程控制论、生物 (shēngwù)、经济、社会控制论。
第二十二页，共68页。
控制系统的工作(gōngzuò)原理：
检测(jiǎn cè)输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差；
用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。
系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减 少系统的输出量与参考输入量之间的偏差，故 称之为反馈控制。
15 第十五页，共68页。
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第十六页，共68页。
§1-2 自动控制(zìdònɡ kònɡ zhì)的基本概念
例1控量）
2 与要求的温度（给定 值）进行(jìnxíng)比较 得到温度偏差的大小和 方向
3 根据偏差大小和方向 调节调压器，控制加热 电阻丝的电流以调节温 度回复到要求的温度
第九页，共68页。
日本Fanuc 公司研制出由加工中心(zhōngxīn)和工 业机器人组成的柔性制造单元(1976)；
第十页，共68页。
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域(lǐnɡ yù) 的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 (1986)。
第十一页，共68页。
日本安川公司(ɡōnɡ sī)娱乐机械狗 (2001)；
20 第二十页，共68页。
•炉温(lú wēn)自动控制流程
期望温度 + ur
u _
电压放大器
ub
功率放大器
电机、减速器、 调压器
炉子
实际温度
热电偶
控制的实质：检测偏差(piānchā)和 纠正偏差(piānchā)
21
第二十一页，共68页。
从炉温控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)工作过程定义变量： 系统输入量、参考输入量（信号） 系统输出量 偏差信号 反馈、反馈信号
中国东汉时期天文学家，研制出自动测量地震的候风地动 仪；世界上第一架测验地震的仪器。是中国古代(gǔdài) 一项重要的科学发明，它比欧洲出现地震仪的时间要早 1500年左右。成功地记录了138年发生在甘肃的一次强 烈地震.
第二页，共68页。
中国马钧研制(yánzhì)出用齿轮传动的自动指示方向 的指南车 (235年)， “车虽回运而手常指南” ；
中国明代宋应星所著《天工开物》记载了有程序控 制思想的提花织机结构图（1637）；
第三页，共68页。
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年)。 控制进气阀的开启(kāiqǐ)程度来控制蒸 汽机速度。
第四页，共68页。
经典控制（ 1915--1950） 美国(měi ɡuó) N. Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺服结
第七页，共68页。
美国George Devol研制出第一台工业机器人样机 (1954) ，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立(chuànglì)了第一家机器人公司， Unimation；
第八页，共68页。
美国(měi ɡuó) M. E. Merchant 提出计算机集成 制造的概念(1969)；
控制。 在计算机控制推广应用的实践中，总结(zǒngjié)了系统的
分析设计的理论和方法以及工程实现技术，使计算机控 制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程 科学技术。
43
第四十三页，共68页。
典型的计算机反馈(fǎnkuì)控制系统框图
计算机
给定值
数字
控制器 －
模/数 转换
数/模 转换
显然： 反馈控制建立在偏差基础(jīchǔ)上，其 控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。
第二十三页，共68页。
•例2. 车床(chēchuáng)主轴的直流电动机转
速控制系统
＋
1
2
3
ug
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ua
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－
ug 功率 放大器
直流 电动机
工作 n 机械
第二十四页，共68页。
＋
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功率
放 大 器 ua
ij
执行 机构
检测 装置
被控 对象
被控量
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第四十四页，共68页。
－
ub
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－
测 速发 电机
第二十五页，共68页。
ug
加法器
功n 率 放大器
直流 电动机
测速 发电机
干扰转矩
工作
n
机械
第二十六页，共68页。
例3. 雷达(léidá)导引随动控 制系统
控制目标：输出轴始终紧紧跟踪输入(shūrù)轴变化。 由于输入(shūrù)轴的位置无法预先确定——随动系统。
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第三十五页，共68页。
§1-4 控制系统(kònɡ zhìxì 1.按输入信号分tǒ类n：ɡ)的类型
定值控制系统 伺服系统（随动系统） 程序控制系统 2.按系统是否满足叠加原理 线性系统与非线性系统 3.按系统控制器是否采用计算机 计算机（数字）控制系统与模拟系统 4.按控制对象的范畴 运动控制系统与过程控制系统 5.按系统参数(cānshù)是否随时间变化 时变系统和定常系统
3 准确性 即稳态精度，用系统(xìtǒng)的稳态误差来表征 。 稳态误差是控制系统(xìtǒng)响应的稳态值与期 望值之差。
第四十页，共68页。
注： 1 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性
和快速性要求(yāoqiú)各有侧重； 2 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约
，应根据实际需求合理选择。
以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制 精度高，抗干扰能力强。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散（ §1-6 ）。
第三十三页，共68页。
四. 自动(zìdò ng)控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅(bùjǐn)使生产 过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产 率，而且减轻了人的劳动强度。
构，提出PID控制方法 (1922)； 美国(měi ɡuó) E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器
(1925)，气压反馈控制器 (1929)；
第五页，共68页。
现代(xiàndài)控制（1950-Now ）
第六页，共68页。
美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制 (yánzhì)出第一台数控机床(1952)；
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
19
第十九页，共68页。
控制过程： 1 炉温由热电偶转换为对应的电压u2 2期望的炉温由电压u1给定，并与实际温度
(wēndù)u2比较得到温度(wēndù)偏差信号△u＝ u1－u2 3 温度(wēndù)偏差信号经电压、功率放大后， 用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压 器动触头。当温度(wēndù)偏高时，动触头向减 小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度 (wēndù)达到给定值为止，此时，偏差△ u=0， 电机停止转动。
第四十一页，共68页。
§1-6 计算机控制
引言 系统组成 控制机与通用机区别 系统发展(fāzhǎn)概况
42 第四十二页，共68页。
引言 (yǐnyán)
计算机功能：信息存储记忆、逻辑判断推理和快速数值 计算；
应用：信息处理工具等； 工程控制应用：例如,工业生产制造, 轧机控制、航天器
第三十六页，共68页。
§1-5 对控制系统的基本(jīběn)要求
稳定性（前提） 快速性（动态(dòngtài)性能） 准确性（稳态精度）
第三十七页，共68页。
1 稳定性
对一个能正常工作的线性定常系统来说，在动态响应过程 中，可以允许(yǔnxǔ)产生振荡现象，但其振幅度必须是逐 渐衰减的，即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干 次后，应能稳定到平衡位置，这种系统称为稳定系统。
30
第三十页，共68页。
§1-3 开环控制(kòngzhì)和闭环 控制(kòngzhì)
一.开环控制 控制装置与被控(bèi kònɡ)对象之间只有顺 向作用
而没有反向联系的控制。
参考输入 控制器
r
执行信号 a
被控变量
控制对象
y
开环控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)
第三十一页，共68页。
x(t) 1
y(t) 1
y(t) 1
y(t) 1
1
2
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0
t
t
0
0 t
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(a)
(b)
(c)
(d)
第三十八页，共68页。
注： 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 由系统结构和参数决定，与外界(wàijiè)因素无关。
第三十九页，共68页。
2 快速性 系统(xìtǒng)输出量和期望输出量产生偏差时， 系统(xìtǒng)消除这种偏差的快慢程度。表征系 统(xìtǒng)的动态性能。
第十七页，共68页。
•人工炉温(lú wēn)控制 框图
（期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
测量 （眼睛）
被控对象
（实际炉温）
（电热丝、炉子）
控制(kòngzhì)的实质：检测偏差和纠正偏差
18 第十八页，共68页。
•炉温(lú wēn)自 动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
2. 自动控制(zì dònɡ kònɡ zhì)使工作具 有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和 战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机 控制才能打下高速高空飞行的飞机。
3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开
自动控制技术了，例如原子能的生产。
第三十四页，共68页。
ACT-DT1型电机转速控制模型 该模块是一个典型的控制对象。 可进行电机转速闭环控制。在面 板上安装有1个12V工作的直流电 机，可用0—10V的直流控制信号 控制其转速，电机转速为0— 1500rpm连续可调。转速通过光 电码盘进行检测，经过(jīngguò) 频压转换后输出1—10V转速信号 。在面板上设置有1只0—10V直流 电压表和1只转速表，可用于电压 测量和转速指示。
第三十二页，共68页。
三.开环控制与反馈(fǎnkuì)控制的比较
开环 优点: 系统结构简单，调试容易，当输入信号 (xìnhào)和扰动能预先知道时，控制效果较好。
缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件 参数变化以及外来的未知扰动(rǎodòng)对控制精 度影响较大，抗干扰能力差。
闭环
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可
§1-1 控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ) 的发展史
前期控制(kòngzhì)(1400BC--1900) 经典控制(kòngzhì)(1935--1950) 现代控制(kòngzhì)(1950--Now)
第一页，共68页。
前期控制(1400 BC--1900) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400 BC-1100BC)； 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的 油灯（BC250）；