自动化学科概论第2章.pptx
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自动化概论(PPT35页)
对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳态值 之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间，就认为控 制过程已经结束。即 t≥ts 时 y（t）－ y（∞）≤ ±5%y（∞）或±2%y（∞）
哈尔滨电力职业技术学院
3．最大动态偏差ym或超调量
在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡 量被调量偏离给定值的程度。
哈尔滨电力职业技术学院
2. 比例积分(PI)调节器
PI 调节器的阶跃响应曲线
e
e0
0
t
比例调节 + 积分调节 粗调 + 细调
e0
0
Ti
e0
t
哈尔滨电力职业技术学院
3. 比例微分(PD)调节器
动态方程为
：
Kpe
Kd
de dt
K p (e
Kd Kp
de ) dt
1
(e Td
de ) dt
传递函数为:
例：典型的自动化元件
差压变送器
调节器 气动调节阀
显示操作器
2.1.3 自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。
一、按工作原理分类
1．前馈控制系统 2．反馈控制系统 3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统）
二、按给定值特点分类
1. 定值控制系统 2. 随动控制系统 3．程序控制系统
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
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3．最大动态偏差ym或超调量
在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡 量被调量偏离给定值的程度。
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2. 比例积分(PI)调节器
PI 调节器的阶跃响应曲线
e
e0
0
t
比例调节 + 积分调节 粗调 + 细调
e0
0
Ti
e0
t
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3. 比例微分(PD)调节器
动态方程为
：
Kpe
Kd
de dt
K p (e
Kd Kp
de ) dt
1
(e Td
de ) dt
传递函数为:
例：典型的自动化元件
差压变送器
调节器 气动调节阀
显示操作器
2.1.3 自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。
一、按工作原理分类
1．前馈控制系统 2．反馈控制系统 3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统）
二、按给定值特点分类
1. 定值控制系统 2. 随动控制系统 3．程序控制系统
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
《自动化学科概论》课件
发展
自动化学科起源于工业革命，经历了机械自动化、电气自动化、计算机控制和智能化的发展 阶段。
Hale Waihona Puke 关键里程碑关键里程碑包括第一台可编程数字计算机、第一个工业机器人等。
自动化学科的主要内容
控制理论
研究控制系统的设计、分析 和优化方法。
传感器与执行器
研究感知和执行装置的设计 和应用。
自动化系统
研究自动化系统的建模、仿 真和调控。
3 认识自动化学科的
重要性和应用范围
探索自动化学科的未来 发展趋势和挑战
课程概述
本课程旨在介绍自动化学科的基本概念和理论，并深入探讨其在工业、交通、医疗等领域中的应用。通 过学习本课程，您将获得对自动化技术与系统的全面了解。
自动化学科的定义和发展
定义
自动化学科是研究如何使用机械、电子和计算机等技术，实现工业和日常生活中的智能化、 自动化过程的学科。
3
未来发展
自动化学科将继续与其他领域交叉，推动技术的进一步创新和应用。
结论和总结
通过学习《自动化学科概论》，您将拥有对自动化学科原理和应用的全面认 识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。
自动化学科的应用领域
工业自动化 交通自动化 医疗自动化 家庭自动化
汽车生产、电子制造等 交通信号控制、智能交通系统等 手术机器人、医疗设备等 智能家居、智能家电等
自动化学科的前景和挑战
1
前景
自动化技术的不断发展将推动工业生产效率的提升，改善生活质量。
2
挑战
面临的挑战包括人工智能、数据安全和人机协作等方面的问题。
《自动化学科概论》PPT 课件
欢迎来到《自动化学科概论》PPT课件。在这个课程中，我们将介绍自动化 学科的基本概念、发展历程，以及它在各个应用领域中的重要性和前景。
自动化学科起源于工业革命，经历了机械自动化、电气自动化、计算机控制和智能化的发展 阶段。
Hale Waihona Puke 关键里程碑关键里程碑包括第一台可编程数字计算机、第一个工业机器人等。
自动化学科的主要内容
控制理论
研究控制系统的设计、分析 和优化方法。
传感器与执行器
研究感知和执行装置的设计 和应用。
自动化系统
研究自动化系统的建模、仿 真和调控。
3 认识自动化学科的
重要性和应用范围
探索自动化学科的未来 发展趋势和挑战
课程概述
本课程旨在介绍自动化学科的基本概念和理论，并深入探讨其在工业、交通、医疗等领域中的应用。通 过学习本课程，您将获得对自动化技术与系统的全面了解。
自动化学科的定义和发展
定义
自动化学科是研究如何使用机械、电子和计算机等技术，实现工业和日常生活中的智能化、 自动化过程的学科。
3
未来发展
自动化学科将继续与其他领域交叉，推动技术的进一步创新和应用。
结论和总结
通过学习《自动化学科概论》，您将拥有对自动化学科原理和应用的全面认 识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。
自动化学科的应用领域
工业自动化 交通自动化 医疗自动化 家庭自动化
汽车生产、电子制造等 交通信号控制、智能交通系统等 手术机器人、医疗设备等 智能家居、智能家电等
自动化学科的前景和挑战
1
前景
自动化技术的不断发展将推动工业生产效率的提升，改善生活质量。
2
挑战
面临的挑战包括人工智能、数据安全和人机协作等方面的问题。
《自动化学科概论》PPT 课件
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自动化学科概论（第二版）
自动化学科概论（第二版）目录第1章绪论1.1课程的目的与定位1.2课程的性质与特点1.3全书内容简介1.4课程教学安排思考题第2章自动化2.1初识自动化2.2自动化的定义与作用2.3自动化的发展历史2.4自动化在工业化建设中的作用与地位2.5自动化在信息化进程中的作用与地位2.6自动化在现代化建设中的作用与地位思考题第3章自动化基本原理3.1自动化与自动控制3.2自动控制系统的描述与模型构建3.3自动控制的基本原理3.4数字控制与计算机控制系统思考题第4章现代自动化系统4.1现代自动化系统——实例与特点4.2现代自动化系统——设备与部件4.3现代自动化系统——集成与优化4.4大系统思考题第5章自动化（科学技术）学科、专业5.1自动化科学技术的定位5.2自动化科学技术的基本内容与核心概念5.3自动化科学技术的特点5.4自动化科学技术与信息科学技术的关系5.5自动化学科与专业的含义与区分5.6自动化学科5.7自动化专业思考题附录5.1自动化科学技术的发展历史附录5.2自动化学科的分类附录5.3我国自动化学科、专业人才培养的演变历程第6章自动化学科、专业的知识体系与课程体系6.1自动化学科的知识结构与知识体系6.2自动化专业的知识结构与知识体系6.3自动化专业人才的知识、素质与能力要求6.4自动化专业的课程结构与课程体系思考题第7章自动化专业学生的工程与科研训练7.1自动化专业的工科属性7.2层次化的工程与科研训练7.3工程训练7.4科研训练7.5工程与科研能力评价任务思考题附录7.1面向自动化类专业大学生的部分竞赛项目第8章自动化学科（专业）发展8.1中国特色的自动化专业8.2自动化学科（专业）的特点8.3自动化学科（专业）与其他相关学科（专业）的关系8.4自动化学科（专业）的发展前景与发展趋势思考题附录8.1自动化领域著名公司、研究院所、大学与重要学术刊物参考文献。
自动化学科概论(第二版)
自动化学科概论（第二版）一、引言自动化学科是一门研究如何使用机械、电子和计算机技术来实现自动控制的学科。
它涉及到多个领域，包括机械工程、电子工程、计算机科学和控制理论等。
自动化技术的发展和应用广泛应用于各个行业和领域，为现代社会的发展做出了重要贡献。
二、自动化的基本概念1. 自动化的定义自动化是指利用现代科学技术，通过对被控对象的监测、计算、判断和操作，实现对被控对象的控制，从而使其在规定的条件下完成一定的任务。
2. 自动化系统的组成自动化系统通常包括输入、处理和输出三个基本部分。
输入部分负责采集被控对象的信息，处理部分负责对输入的数据进行处理和判断，输出部分负责根据处理结果对被控对象进行控制。
3. 自动化的特点自动化具有以下几个特点：•自动化可以提高生产效率和质量，降低成本。
通过自动化技术，可以实现对生产过程的精确控制，减少人为因素对生产质量的影响，提高产品的合格率和一致性。
•自动化可以提高安全性和稳定性。
自动化系统可以对危险和复杂的工作进行替代，减少人员的伤害风险，提高工作的稳定性和可靠性。
•自动化可以实现对大规模和复杂系统的管理。
自动化系统可以对大量的数据进行监测和处理，实现对系统的全面管理和控制。
•自动化可以提高人的工作环境和工作负担。
通过自动化系统可以对一些重复性和繁琐的工作进行自动化处理，减轻人员的工作压力，提高工作的舒适性和效率。
三、自动化学科的发展历程1. 自动化学科的起源自动化学科的起源可以追溯到工业革命时期。
当时，人们开始使用机器来替代人力进行生产，从而提高生产效率。
这标志着自动化技术的开始。
2. 自动化学科的发展阶段自动化学科的发展可以分为以下几个阶段：•机械自动化阶段：在这个阶段，机械设备被广泛应用于工业生产，并实现了一定程度的自动化。
•电气自动化阶段：随着电气技术的发展，人们开始使用电气设备来实现自动化控制，提高了控制的精度和可靠性。
•电子自动化阶段：随着电子技术的发展，人们开始使用电子设备来实现自动化控制，同时引入了数字计算技术，提高了控制系统的灵活性和可编程性。
自动化概论-第2章自动控制系统
4
精选课件
❖ 1.自动控制装置
由被控对象、执行机构、元件测量、控制器、放大元件 等组成。
过程控制系统 实验装置
5
精选课件
❖ ⑴被控对象
❖ 被控对象(Plants)是控制系统所控制和操纵的对象，一 般指所需控制的设备或生产过程。
❖ 常见的控制对象有： ❖ 锅炉 ❖ 加热炉 ❖ 反应釜 ❖ 压缩机 ❖ 旋转窑等生产设备
27
精选课件
28
精选课件
2.2.2 按控制方式分类
❖ 1. 开环控制系统 ：开环控制(Open-loop Control)是一 种最简单的控制方式，它是指控制装置与被控对象之间 只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式 组成的控制系统称为开环控制系统(Open-loop Control System)。
基本特征：
控制系统中各个组成部件之间存在着控制和信息联系， 控制的目的是使被控对象的输出能自动地按预定的规律运 行，达到预期目标。
3
精选课件
给定
信号
输入量 给定 +
e 串联 +
xi
环节 r －
校正
-
放大 元件
执行 机构
并联 校正
xb
测量 元件
扰
ni
动 量
被控 输出量
对象
xo
自动控制系统基本组成方框图
23
精选课件
2.2.1 按控制系统输入信号变化规律分类
❖ 1. 恒值控制系统 ：恒值控制系统的给定值为常量，控 制系统的任务是尽量排除各种扰动的影响，以一定精 度维持系统被控量在期望的数值上。
T
45℃
0
24
t
精选课件
自动化概论PPT
2.3.3
传感器接口电路
除了要正确选择传感器的类型外，还要设计最 佳的接口电路。所谓接口电路，就是要把传感器与 佳的接口电路。所谓接口电路，就是要把传感器与 后续的有关电路联系起来的电路。接口电路的设计 后续的有关电路联系起来的电路。接口电路的设计 需要考虑两个问题：一个是传感器的输出与计算机 需要考虑两个问题：一个是传感器的输出与计算机 的输入匹配问题；另一个是选择器件的问题。一般 的输入匹配问题；另一个是选择器件的问题。一般 传感器的输出信号有三种形式：数字开关量、数字 传感器的输出信号有三种形式：数字开关量、数字 脉冲和模拟信号。 脉冲和模拟信号。 （1）数字开关量信号分为电压输出型和触点 ）数字开关量信号分为电压输出型和触点 型。如果传感器的输出电压信号为0 V或2 V，可以 。如果传感器的输出电压信号为0 V或 V，可以 直接和控制装置相连接，但是由于这种信号有抖动， 所以在与计算机连接时要采用消除抖动电路。 （2）数字脉冲电路用计数器计数后送入计算 机，通过对脉冲的计数来达到对信息的采集。一般
2.2.1 光电式传感器
图2.2 光电式传感器的基本组成
2.2.2 图像传感器 。智能车 图像传感器在智能车设计中非常常见。 图像传感器在智能车设计中非常常见
路径识别模块中的摄像头的重要组成部分就是图像 传感器。 图像传感器又称为成像器件或摄像器件， 传感器 。 图像传感器又称为成像器件或摄像器件 ， 可实现可见光、紫外线、 射线、近红外光等的探测， 可实现可见光、紫外线、X射线、近红外光等的探测， 是现代视觉信息获取的一种基础器件。 是现代视觉信息获取的一种基础器件 。 因其能实现 信息的获取、 转换和视觉功能的扩展（ 光谱拓宽、 信息的获取 、 转换和视觉功能的扩展 （ 光谱拓宽 、 灵敏度范围扩大） 能给出直观 、 真实、 多层次 、 灵敏度范围扩大 ） ， 能给出直观、 真实 、 多层次、 多内容的可视图像信息， 多内容的可视图像信息 ， 图像传感器在现代科学技 术中得到越来越广泛的应用。 术中得到越来越广泛的应用。
1-1 自动化专业概述 自动控制原理课件
(6) 英国J. Watt基于机械式调节原理用离心式调速器实现 了蒸汽机的速度控制(1788年)
(7) 英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立 摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以 及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。
自动控制原理
The Principle of Automatic Control Theory
自动化学院
1、自动化与自动控制
自动化（Automation）——机器或装置在无 人干预情况下按指定的程序或指令自动地 进行操作或运行。广义上，自动化还包括 模拟或再现人的智能活动。
自动控制（Automatic Control）——是关于 受控系统的分析、设计和运行的理论和技 术。
(3) 美国N. Minorsky研制出用 于船舶驾驶的伺服结构，提 出PID控制方法(1922)，并成 功应用于美国军舰控制。
(4) 美国MIT的V. Bush研制成第一台大型模拟计算机 (Differential Analyzer)(1928)—— 美 国 现 代 工 程 之 父 ， 1964年获美国总统科学奖（National Medal of Science）。
(10) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 (11) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945) ， 以 及 钱 学 森 的 《 工 程 控 制 论 》 (Engineering Cybernetics) (1954)
自动化概论PPT课件(38页)
“Present Developments in Control Applications”， 德国
课程基本情况
学时：27 作业：（无） 成绩评定：
平时（考勤）30% 期末考查（开卷笔试）70%
专业的前身
工业企业电气化及自动化专业 （简称工企专业 ）
工业电气自动化专业 工业自动化专业
生产过程自动化 仪表自动化
自动化概论
本课程的主要内容
1.自动化的概念和发展简史 2.自动控制系统的类型和组成 3.基本的控制方法 4.控制和自动化的应用范畴 5.控制和自动化的展望 6.自动化专业概览
教材与参考书
[1] 西安交大万百五主编《自动化（专业）概论》（第二版），武 汉理工大学出版社，2005年。
[2] 电子书《信息爆炸时代的控制》——关于控制、动力学和系统 未来方向的专家小组报告，2003年。
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
自动化与工业化、信息化、知识化的关系社 会来自机械化（应用机器系统）
电气化（加入电机、网络）
工业化
自动化（加入自动控制器）
总
数字化（应用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）
信息化
发 先进自动化（系统、管理）
展 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志
（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化技术是工业化的核心技术
先进自动化（核心是信息、控制、系统） 是信息化完成与否的标志
先进自动化技术是信息化的核心技术
课程基本情况
学时：27 作业：（无） 成绩评定：
平时（考勤）30% 期末考查（开卷笔试）70%
专业的前身
工业企业电气化及自动化专业 （简称工企专业 ）
工业电气自动化专业 工业自动化专业
生产过程自动化 仪表自动化
自动化概论
本课程的主要内容
1.自动化的概念和发展简史 2.自动控制系统的类型和组成 3.基本的控制方法 4.控制和自动化的应用范畴 5.控制和自动化的展望 6.自动化专业概览
教材与参考书
[1] 西安交大万百五主编《自动化（专业）概论》（第二版），武 汉理工大学出版社，2005年。
[2] 电子书《信息爆炸时代的控制》——关于控制、动力学和系统 未来方向的专家小组报告，2003年。
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
自动化与工业化、信息化、知识化的关系社 会来自机械化（应用机器系统）
电气化（加入电机、网络）
工业化
自动化（加入自动控制器）
总
数字化（应用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）
信息化
发 先进自动化（系统、管理）
展 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志
（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化技术是工业化的核心技术
先进自动化（核心是信息、控制、系统） 是信息化完成与否的标志
先进自动化技术是信息化的核心技术
自动化专业概论 (2)
y(s) 1 1 85 s(85s 1) s 85s 1
计算机解法： 85 y[(k 1)t] y(kt) y(kt) 1 t
y[(k 1)t] y(kt) t [ y(kt) 1] 85
x(t) f [x(t),U (t),t]
x(t)
lim
x[(k
1)t]
x(k t )
dt t0
t0
t0
t
ln(5 t 25 (5 t)2 ) ln(5 25 52 )
y
0.1414
t 5
t
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
求微分方程：
85 y(t) y(t) 1
经典解法：85sy(s) y(s) 1 s
t
y(t) 1 85e 85
第9讲 微分方程的数值解
数学模型的发展过程： 差分方程 微分方程 理论建模（白盒法）
传递函数 实验建模（黑盒法）
微分方程的数值解：
传递函数 微分方程 差分方程 仿真程序
数字仿真
1 传 递 函 数 微 分 方 程
x1 1 e 60s
x2 0.6369 uPI 1 54s
uPI
1
e
3差分方程仿真程序 经验公式： Ke s 被控对象： (1 Ts)n
仿真步长（计算步距）：
t
nT 100
40
仿真时间（过渡过程时间）： ts (ST) (5 20)(nT )
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
f [x(kt),U (kt), kt]
t 0
t
x[(k 1)t] x(kt) tf [x(kt),U (kt),kt]
自动化学科概论-第2章
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生活中的辛苦阻挠不了我对生活的热 爱。20.12.1220.12.12Saturday, December 12, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。19:23:0119:23: 0119:2312/12/2020 7:23:01 PM
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做一枚螺丝钉，那里需要那里上。20. 12.1219 :23:01 19:23D ec-201 2-Dec-2 0
自动化学科概论 第3章 自动化的基本原理
自动化学科概论
3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论 3.2 被控对象及其数学模型的建立 3.3 自动控制基本原理 3.4 数字控制及计算机控制系统 3.5 自动化基本设备 3.6 小结
第3章 自动化的基本原理
自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自 动控制系统实现的。
(1)高实时性要求。网络堵塞以及网络传输 引起的大延时在控制系统中都是不允许的。
(2)高可靠性、高安全性要求。网络传输过 程中引起的信息出错及信息丢失将导致控制系 统错控或失控，也是不允许的。
(3)良好的确定性要求。网络传输的信息必 须语义明确，解释单一。
控制器
外部信息 内部信息
被控制对象的控制信号
非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法
在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法
各种智能控制方法
第3章 自动化的基本原理
3.4.1 从模拟量到数字量 3.4.2 计算机控制 3.4.3 基于网络技术的计算机控制
绝大多控制系统的被控量是连续时间信号 计算机等数字运算装置只能处理数字信号
电动机的控制是多回路控制的 双闭环控制调速系统
3. 位置随动系统
自动化专业英语P3U2教学课件
并行输入接口 术语“输入”和“输出”通常指CPU和CPU的输出。如图3-2A-1所示的一个简单接口的标准图。输入接口仅受处理器控制。无论何时处理器寻址输入口，外部数据总线上的数据被允许放到处理器数据总线上，并且当CPU把数据放到总线上时，这一数据是可用的。 在这种接口中，有一个三态缓冲器，它能迫使处理器总线与外部数据线有相同的二进制值。当在不允许状态时，缓冲器输出进入高阻“第三态”，它能从总线上有效地移开数据线，允许其他数据利用系统总线。
P3U2A Interfaces to External Signals and Devices 第三部分第二单元课文A 外部信号与设备的接口
A 外部信号与设备的接口
概述 系统总线上的信号以非常有序的顺序发生。每个信号以事件的特定顺序来启动并在一固定时间后或被另外时间的顺序而终止。在仅有存储器和微处理器的系统中，由微处理器直接启动总线事件。 独立的外部设备和无总线兼容的信号以及与系统总线信号无时态关系的信号都不能直接连到系统总线上。系统总线通信是通过输入/输出接口来完成的。输入/输出接口的主要作用是协调处理器与外部设备之间的数据传输，以及转换为处理器可识别形式的数据。接口的其他作用可提供电隔离、噪声抑制、临时数据存储或数据格式转换。 有几种类型的接口，例如并行输入/输出、数字－模拟转换、模拟－数字转换、实时时钟、直接存储器访问，都是常用的。这里，我们仅限于讨论并行I/O和A/D及D/A。
逐次逼近型A/D 应用在A/D转换器结构上有很广泛的技术。最普通的是逐次逼近型转换器。它具有适度速度和适度分辨率的优点。 它的作用：第一次将输入电压与设为满量程A/D参考电压一半的测试电压相比较。利用标准的D/A转换器来得到测试电压。如果第一次比较后，输入电压大于满量程的一半，那么设定最高有效输出位。如果输入电压小于满量程的一半，那么从测试电压中删掉满量程电压的一半，否则电压保持同一值。 下一次，四分之一的满量程参考电压加到测试电压上，将输入电压与测试电压再一次比较，如果输入电压超过测试电压，那么下一个最高有效位被设定，测试电压，第二位设为0，四分之一满量程参考电压被删除。 这一过程逐次以更小的加权二进制电压重复，直到测试完最低有效位。
自动化导论第2章 自动控制系统的描述原理
实例三 水箱水位
自动控制： 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且
其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际 水位重新与水位要求值相等时为止。
图1-2 水箱水位的自动控制系统原理图
系统方框图
为了使控制系统的表示既简单又明了，在控制工程中一般 采用方框图来表示系统的组成及各组成部分之间信号的传输关 系。
实例二 水箱水位
手动控制：
• 观测实际水位，将
实际水位与要求的水位 值相比较，得出两者偏 差。
• 根据偏差的大小和
方向调节进水阀门的开 度，即当实际水位高于 要求值时，关小进水阀 门开度，否则加大阀门 开度以改变进水量，从 而改变水箱水位，使之 与要求值保持一致。
图1-1 水箱水位的人工控制系统原理图
准通常用系u(t)
执行元件 被控对象
c(t)
b(t)
并联校正
反馈环节
比较 环节
扰动
给定环节 r(t)
e(t) 控制器 u(t) 被控对象
c(t)
b(t) 反馈环节
名词术语
被控对象
自动 控制 系统
给定环节 比较环节
反馈环节 放大环节
控制器
执行环节
校正环节
串联校正 并联校正
ü 输入信号 ü 输出信号 ü 反馈信号 ü 偏差信号 ü 误差信号 ü 扰动信号
自动化导论
第二章 自动控制系统的描述原理
苗玉 自动化教研室
自动化是指机器设备、系统或过程，在没有人 或较少人的参与下，按照人的要求，经过自动 检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现 预期的目标。 自动化的核心是自动控制
自动化学科概论-第2章
仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞
自动化学科概论-第2章
“自动化”的定义： 自动化是指机器设备（扩展到生产、管理过程）
在没有人直接参与的情况下，
经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制 实现预期的目标
自动化的核心是“控制” 进一步扩展到经济系统、生态系统等
自动化学科概论-第2章
自动化技术的两方面：
展
智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
知识化
自动化学科概论-第2章
工业化与信息化的关系图
工业化
（工业化基础）机械化
物
质
•
（能量流）电气化
能
量
自动化
（基础自动化）
信息化
计算机化（信息化基础）
信 网络化（信息流）
息 系统化 （先进自动化）
自动化学科概论-第2章
自动化的重要性
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化学科概论-第2章
自动化工厂
自动化学科概论-第2章
(3) 自动化的作用与重要性
※基本作用（传统观念）
——比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品， 质量越来越好，价格越来越低。
——把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）
自动化学科概论-第2章
2.1.4 自动化在信息化建设中的作用与地位
自动化与信息化的关系
信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业
仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：
一定要在工业化的基础上 数字化（大规模使用数字计算机）
网络化（实现计算机网络） 先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成了（工业）信息化
自动化学科概论-第2章
“自动化”的定义： 自动化是指机器设备（扩展到生产、管理过程）
在没有人直接参与的情况下，
经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制 实现预期的目标
自动化的核心是“控制” 进一步扩展到经济系统、生态系统等
自动化学科概论-第2章
自动化技术的两方面：
展
智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
知识化
自动化学科概论-第2章
工业化与信息化的关系图
工业化
（工业化基础）机械化
物
质
•
（能量流）电气化
能
量
自动化
（基础自动化）
信息化
计算机化（信息化基础）
信 网络化（信息流）
息 系统化 （先进自动化）
自动化学科概论-第2章
自动化的重要性
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化学科概论-第2章
自动化工厂
自动化学科概论-第2章
(3) 自动化的作用与重要性
※基本作用（传统观念）
——比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品， 质量越来越好，价格越来越低。
——把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）
自动化学科概论-第2章
2.1.4 自动化在信息化建设中的作用与地位
自动化与信息化的关系
信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业
仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：
一定要在工业化的基础上 数字化（大规模使用数字计算机）
网络化（实现计算机网络） 先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成了（工业）信息化
自动化专业概论开篇课件-PPT
➢ 随动(Servo,伺服） 给定信号是预先未知、随时间变化 火炮打飞机、天文望远镜
➢ 程序控制 按照预定的程序（时间顺序）来控制 可编程控制器（Program Logic Controller，PLC）
➢ 控制系统的组成 被控对象、执行机构、控制器、 给定、反馈、比较、
自动化仪表 ➢ 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动
➢ 自适应控制（Adaptive Control） 自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息 不完备的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良 好的工作品质。 解决控制对象未知、变化的问题 系统辨识＋在线控制器设计
返回
➢遥测、遥控和遥感
遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就 是对被控对象进行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机或人 造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射 出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、 森林、作物产量等）的信息。
➢ 控制（Control）
指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到 系统的作用。 宏观：经济发展，人口控制。微观：日常生活中。
➢ 自动化与控制的区别 自动化：指设备、过程或系统等具体物理对象的“自动”运行。 控制：指为达到目标而采用的方法与手段，应用范围比自动化广，自动化 的核心是信息、控制和系统。 属性：自动化属技术科学，控制属基础科学
➢智能控制（Intelligent Control)
对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立 有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去 进行定量计算和分析、设计。智能控制具有人工智能、 控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性 相结合的分析方法特点。按照这些思路已经研究出一 些智能控制的理论和技术：
东北大学 自动化专业概论PPT课件 2
1945年，美国数学家、控制理 论专家N.维纳把反馈的概念推广到 生物等一些控制系统。 1948年他出版了名著《控制论》一 书，为控制理论的发展奠定了基础。
1954年，中国科学家钱学森全面地 总结和提高了经典控制理论，在美 国出版了用英语撰写的、在世界上 很有影响的《工程控制论》 (Engineering Cybernetics)一书。
2.2 我国古代自动装置
⑴ 指南车
齿轮系
车辆 转弯 车身 木人 方向
图2.3
指南车方向自动装置框图
⑵ 铜壶滴漏 ⑶ 饮酒速度的自动调节 ⑷ 计里鼓车 ⑸ 漏水转浑天仪 ⑹ 候风地动仪
⑺ 水运仪象台
2.3 控制和自动化技术发展简史
控制和自动化技术的发展经历 了四个历史时期。
2.3.1 自动装置的出现和应用(18世 纪以前)
进汽 蒸汽源
+
转速 蒸汽 负荷 测 量
-
离心式 调速器
图2.4
对象和调节器形成调节系统
⑶ 反馈控制和频率法
输入变量 + 误差 调节器 控制量 输出变量 （控制器） 前向通道 被控对象 （给定规律） 反馈通道
图2.5
反馈调节（控制）系统
2.3.3 局部自动化时期(20世纪40～50年代) 在第二次世界大战期间，为了 防空火力控制系统和飞机自动导航 系统等军事技术问题，各国科学家 设计出各种精密的自动调节装置， 开创了防空火力系统和控制这一新 的科学领域。
⑹ 模式识别和人工知能 使用 电子数字计算机并使它能直接接受 和处理各种自然的模式 消息，如语 言、文字、图像、景物等，称为 “模式识别”，如对汽车牌照的识 别以控制和管理交通，对指印的识 别以甄别罪犯，对汉字的识别以实 现办公自动化等。
自动化技术概论
自动化装置的发展
经典控制理论时代——机械装置为主，包括 气动、液压装置，逐渐由电子装置取代（电 子管、晶体管等模拟电路）
现代控制理论时代——计算机技术快速发 展，模拟电路逐步由数字电路取代，功能越 来越强，体积越来越小，性能也越来越可靠
目前计算机技术已经非常普及，自动化装置 也充满人类生产生活的几乎所有方面——嵌 入式控制系统
¾ 材料和加工—在电子学、化学、材料生物学的纳米技术，薄膜加 工和微集成系统的设计，供应链管理和企业资源配置等方面的控 制，特别是颗粒系统和生物过程控制方面的挑战
¾ ……
由Computer Motion Inc. 开发的机器人外科手术系统 ZEUSTM，能完成远程的创口最小的显微手术
北美的UUNET网络中枢
自动控制的分类
9 运动控制：机械装置、机器人、电机控制 9 过程控制：物质流动、交换过程的控制 9 其它控制：楼宇、办公自动化；金融、医疗自
动化
自动化技术
“自动化”的积累与发展，已成为一门应用性的 技术科学。从信息、能量与物质的角度来说， “自动化”研究的是物质世界的信息运动规律和 信息处理方法，以及能量与物质的有效利用 等。
“自动化”技术已广泛应用于工业、农业、军事、科学研 究、交通运输、商业、医疗、经济、建筑、教育、服务 业及家庭等方面。
人类社会的进步和生产力的发展，促进了人类劳动和生 活方式的不断改进，由人力劳动发展到机械化、工业 化，然后又出现自动化。不同时期的“自动化”概念及其 功能，均有可能发生变化（定义的修正、功能的扩充或 概念的延伸）。
浙江大学本科生通识课程
自动化技术概论
控制科学与工程学系 宋执环
课程安排
理论课：第一周---第四周
电器与自动化2.pptx
做成三角形或半圆形，缩短衔铁重心与支点间的距 离，减小衔铁转动惯量。
②减小铁心磁滞的影响；通过用加速电阻提高铁心 磁通的变化速率。
2)温度补偿： ①采用康铜材料进行补偿，减小磁化线圈电阻随
温度的变化。 ②采用磁分路。
3、调节器的工作特性：
1）n<n1，触点处于闭合状态，u、If升高； 2）n1——nmax，触点处于振动状态，u
第四节 交流发电机的工作特性
一、空载特性 空载特性是指交流发电机空载运行(输出电
流为0)时，发电机端电压和转速之间的关系。 通过空载特性可以发现，交流发电机的输出
电压随着转速的升高而升高 。
二、输出特性
输出特性是指发电机端电压一定(一般定为额定电 压14v或28v)时，交流发电机输出电流与转速之间 的关系 。
按装用的二极管数量分： 1）六管交流发电机 2）八管交流发电机 3）九管交流发电机 4）十一管交流发电机
按磁场绕组的搭铁方式分： 1）内搭铁交流发电机 2）外搭铁交流发电机 按冷却方式分： 1）开启式 2）封闭式
第二节 交流发电机的构造
一、转子： 转子用来形成发电机的磁场。转子一般由
磁轭、激磁绕组、爪极、滑环和轴等组成。 滑环与装在后端盖上的炭刷相接触，当炭
刷与直流电源接通时，激磁绕组中便有电 流流过，产生磁场。
二、定子
定子又称电枢，用来产生交流电动势，它由定子铁心和定子绕 组组成。
定子绕组在定子铁心中的布置应遵循如下原则： (1)为使三相电动势大小相等，每相绕组串联的线圈个数及每个
(1)在额定电压下，发电机输出电流为0时的转速， 称为发电机的空载转速。
(2)在额定电压下，发电机输出额定电流(即输出额 定功率)时的转速，称为满载转速。
②减小铁心磁滞的影响；通过用加速电阻提高铁心 磁通的变化速率。
2)温度补偿： ①采用康铜材料进行补偿，减小磁化线圈电阻随
温度的变化。 ②采用磁分路。
3、调节器的工作特性：
1）n<n1，触点处于闭合状态，u、If升高； 2）n1——nmax，触点处于振动状态，u
第四节 交流发电机的工作特性
一、空载特性 空载特性是指交流发电机空载运行(输出电
流为0)时，发电机端电压和转速之间的关系。 通过空载特性可以发现，交流发电机的输出
电压随着转速的升高而升高 。
二、输出特性
输出特性是指发电机端电压一定(一般定为额定电 压14v或28v)时，交流发电机输出电流与转速之间 的关系 。
按装用的二极管数量分： 1）六管交流发电机 2）八管交流发电机 3）九管交流发电机 4）十一管交流发电机
按磁场绕组的搭铁方式分： 1）内搭铁交流发电机 2）外搭铁交流发电机 按冷却方式分： 1）开启式 2）封闭式
第二节 交流发电机的构造
一、转子： 转子用来形成发电机的磁场。转子一般由
磁轭、激磁绕组、爪极、滑环和轴等组成。 滑环与装在后端盖上的炭刷相接触，当炭
刷与直流电源接通时，激磁绕组中便有电 流流过，产生磁场。
二、定子
定子又称电枢，用来产生交流电动势，它由定子铁心和定子绕 组组成。
定子绕组在定子铁心中的布置应遵循如下原则： (1)为使三相电动势大小相等，每相绕组串联的线圈个数及每个
(1)在额定电压下，发电机输出电流为0时的转速， 称为发电机的空载转速。
(2)在额定电压下，发电机输出额定电流(即输出额 定功率)时的转速，称为满载转速。
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自动控制理论从三个方面对自动控制系统 进行研究和阐述：
⑴ 系统的模型
⑵ 系统的分析
⑶ 控制系统的综合
不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术
第3章 自动化的基本原理
3.2.1 被控对象的类型 3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法 3.2.3 复杂系统建模的困难
液位自动控制系统
y yr y
y 即为液位偏差信号，假设
H(s)=1,则系统输出y为 y G(s) Gk (s) y
最后可得：
y G(s) Gk (s) (s)
yr 1 G(s) Gk (s)
(s) 表示了整个系统输出与输入之间
的传递关系，称为系统的“闭环传递函
数”，而把G(s) Gk (s) 称为系统的
单变量控制系统——只有一个输入量和一个输 出量的控制系统
多变量控制系统——有多于一个输入量或多于 一个输出量的控制系统
混合槽液位控制系统
多变量控制系统用状态空间方法描述 解耦控制对解决多变量控制系统控制问 题最具价值
非线性系统是指含有非线性元件的系统， 需用非线性微分方程或状态方程描述。
典型非线性特性
实验法--把需建模的对象看成为一个“黑箱”
复杂系统的建模，会存在更多的困难：
⑴ 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象， 不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达 式去描述。
⑵ 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微 分方程或大维数的状态方程。
⑶ 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统 的模型应为变参数微分方程。
“开环传递函数”。
复合控制 复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)
能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利 影响，而反馈控制能保证系统的高精度。 这是一种得到广泛应用的控制形式。
单回路控制——具有一个闭合环路的控制
多回路控制——具有多个控制器、多个反馈闭 合环路
用简单的一个闭合环路控制往往不能得到 好的控制系统特性，必须采用具有多个控制器、 多个反馈闭合环路的多回路控制。
开环控制和闭环控制是按信号的传递路 径来区分的两种不同的控制形式。
1. 开环控制
扰动补偿控制，也称为“前馈控制”
2. 闭环系统
自动控制最基本的形式，将被控量测量出 来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行 比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象 实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真 正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控 制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕 反馈控制来研究自动控制系统的。
自动控制系统动态过程常见形式：
⑴单调收敛过程 ⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程 ⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
自动控制系统的基本性能
⑴ 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 准确性
对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就 是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行 的。
“系统”是由相互作用、相互联系的若干个 组成部分结合而成的具有特定功能的整体。
自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务 的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的 人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制 对象组成。
简单的水箱液位控制
水箱液位自动控制系统
一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希 望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较 (5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作 被控对象，实现被控量达到所希望的目标 (6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对 象的操作
饱和特性
死区特性
带滞环的继电特性
非线性控制系统与线性系统相比的特点：
⑴线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参 数，与系统的初始条件以及外加输入无关。
⑵ 对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振 幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称 为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。
工程技术领域的被控对象不同的分类法
（1）按被控对象的特性可分为线性和非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常和时变 （3）按系统传输信号的性质可分为连续系统和 离散系统
（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为 恒值控制系统和随动控制系统
建立被控对象数学模型的方法主要有解析法 和实验法两种。
解析法--建立起输入与输出之间的因果关系
⑷ 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏
微分方程描述。
第3章 自动化的基本原理
3.3.1 自动控制系统的基本性能要求 3.3.2 开环控制与闭环控制 3.3.3 单回路控制与多回路控制 3.3.4 基本控制规则 3.3.5 单变量控制与多变量控制 3.3.6 非线性系统控制及其困难
一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到 一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过 程称为动态，处于平衡状态时称为静态。
非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法
在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法
各种智能控制方法
第3章 自动化的基本原理
自动化学科概论 第3章 自动化的基本原理
自动化学科概论
3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论 3.2 被控对象及其数学模型的建立 3.3 自动控制基本原理 3.4 数字控制及计算机控制系统 3.5 自动化基本设备 3.6 小结
第3章 自动化的基本原理
自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自 动控制系统实现的。
电动机的控制是多回路控制的典型例子。
1. 速度闭环控制调速统 2. 双闭环控制调速系统
3. 位置随动系统
控制规则的确定是控制器设计的核心
⑴ 比例控制 ⑵ 比例+积分控制 ⑶ 比例+微分控制
在实际的自动控制系统中，为保持系统具 有良好的动态特性和静态特性，往往使控制 器同时具有比例、微分、积分控制作用，构 成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I （积分）D（微分）控制。