华北理工大学：《自动控制原理》课程授课教案（讲稿，任课教师：刘东辉）

课程名称：《自动控制原理》第1周，第1讲次本讲目的要求及重点难点：【目的要求】讲述学习这门课的重要性，调动学生学习的积极性；了解自动控制理论的发展历程；掌握自动控制的基本概念。[重点]学习这门课的着重点；掌握自动控制的基本概念。[难点]正确区分自动控制与手动控制。[本讲课程的引入]讲述学习这门课的重要性；自动控制的基本概念。[本讲课程的内容]前言1课程性质与目的本课程实用于建筑环境与设备工程专业，是一门专业基础课（后续课程：建筑设备自动化热工测量）。通过本课程的讲授与实验，使学生掌握自动控制的基本理论和基本方法，能对本专业的控制问题提出控制方案，确定控制参数，使学生在将来与自动控制专业人员的协作中具有共同语言，并提出合理建议，能配合控制工程师设计自动控制系统。目前，越来越多的工程技术人员，参加或将要参加供热、通风、空调的自动控制系统的设计、安装、调试与运行管理工作。2自动控制的重要性在供热、通风、空调系统中采用自动控制技术，可保证系统合理和节能的前提下满足人们生产和生活的需要且能安全运行。近年来我国在供热、通风、空调工程方面的自动控制有很大发展。已能生产供热、通风、空调专用的：功能模件式电子组装仪表2

2 课程名称：《自动控制原理》 第 1 周 ， 第 1 讲次 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 讲述学习这门课的重要性，调动学生学习的积极性；了解自动控制理 论的发展历程；掌握自动控制的基本概念。 [重 点] 学习这门课的着重点；掌握自动控制的基本概念。 [难 点] 正确区分自动控制与手动控制。 [本讲课程的引入] 讲述学习这门课的重要性；自动控制的基本概念。 [本讲课程的内容] 前言 1 课程性质与目的 本课程实用于建筑环境与设备工程专业，是一门专业基础课（后续课程：建 筑设备自动化 热工测量）。 通过本课程的讲授与实验，使学生掌握自动控制的基本理论和基本方法，能 对本专业的控制问题提出控制方案，确定控制参数，使学生在将来与自动控制专 业人员的协作中具有共同语言，并提出合理建议，能配合控制工程师设计自动控 制系统。 目前，越来越多的工程技术人员，参加或将要参加供热、通风、空调的自动 控制系统的设计、安装、调试与运行管理工作。 2 自动控制的重要性 在供热、通风、空调系统中采用自动控制技术，可保证系统合理和节能的前 提下满足人们生产和生活的需要且能安全运行。 近年来我国在供热、通风、空调工程方面的自动控制有很大发展。已能生产 供热、通风、空调专用的： 功能模件式电子组装仪表

第一章（第十一章）自动控制原理第一节自动控制系统的基本概念一自动控制技术及应用在现代科学的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制一指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机械设备或生产过程的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如：数控机床，按照预定程序自动切削工作空调房间安照预定的温度自动调温人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等等。二自动控制理论自动控制理论一是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等，使自动控制理论得到了完善和发展。战后已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的一一经典控制理论，它主要研究单输入、单输出、线性定常系统的分析设计问题。20世纪60年代初期始，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，自动控制理论跨入了一个新的阶段一一现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用方法是以状态为基础的状态空间法现在，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。三反馈控制原理自动控制系统一一为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和制装置n

3 第一章 （第十一章）自动控制原理 第一节 自动控制系统的基本概念 一 自动控制技术及应用 在现代科学的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。 自动控制—指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控 制装置或控制器），使机械设备或生产过程的某个工作状态或参数（即被控量）自 动地按照预定的规律运行。 例如： 数控机床，按照预定程序自动切削工作 空调房间安照预定的温度自动调温 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等等。 二 自动控制理论 自动控制理论 — 是研究自动控制共同规律 的技术科学。 它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。 第二次世界大战期间，为了设计制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、 雷达跟踪系统等，使自动控制理论得到了完善和发展。战后已形成完整的自动控 制理论体系，这就是以传递函数为基础的——经典控制理论，它主要研究单输 入、单输出、线性定常系统的分析设计问题。 20 世纪 60 年代初期始，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的 应用，自动控制理论跨入了一个新的阶段——现代控制理论。它主要研究具有 高性能、高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用方法是以状态为基础 的状态空间法。 现在，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础 的智能控制理论深入。 三 反馈控制原理 自动控制系统——为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置

按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以保持某一恒定值，如速度、温度、压力等，也可以按照某个给定规律运行，例如飞机的飞行航迹、记录曲线等；控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。举例：人的活动都体现出反馈控制的原理，人（本身）就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。如人用手拿取书桌上的书；汽车司机操纵方向盘等。举例：人用手拿取书桌上的书输入信号输出量手臂、手大脑眼睛（书位置）（手位置）眼睛人取书的反馈系统方块图被控对象一一手被控量一一手的位置控制机构一一眼晴、大脑、手臂检测——眼睛【本讲课程的小结】今天我们讲述了自动控制理论的发展历程，我们将主要讲授经典控制理论。-

4 按照一定的方式连接 起来，组成一个有机总体。 在自动控制系统中，被控对象的输出量 即被控量 是要求严格加以控制的物 理量，它可以保持某一恒定值，如速度、温度、压力等，也可以按照某个给定规 律运行，例如飞机的飞行航迹、记录曲线等； 控制装置则是对被控对象施加控制作用 的机构的总体，它可以采用 不同的 原理和方式 对被控对象进行控制，但最基本 的一种是基于反馈控制原理 组成 的反馈控制系统。 举例： 人的活动都体现出反馈控制的原理，人（本身）就是一个具有高度复杂控制 能力的反馈控制系统。如人用手拿取书桌上的书 ； 汽车司机操纵方向盘等。 举例：人用手拿取书桌上的书 人取书的反馈系统方块图 大脑 （书位置） 输入信号 眼睛 （手位置） 眼睛 手臂、手 输出量 人取书的反馈系统方块图 被控对象 —— 手 被控量 —— 手的位置 控制机构 —— 眼睛、大脑、手臂 检测 —— 眼睛 【本讲课程的小结】今天我们讲述了自动控制理论的发展历程，我们 将主要讲授经典控制理论

课程名称：《自动控制原理》第1周，第2讲次本讲目的要求及重点难点：【目的要求]进一步明确什么是自动控制；掌握自动控制系统的基本组成。[重点】自动控制的实例；自动控制系统的基本组成。[难点]明确什么是自动控制。[本讲课程的引入】通过讲述与本专业相关的实例，进一步明确什么是自动控制；自动控制系统的基本组成。[本讲课程的内容]四人工控制与自动控制造风恒温室X4P热水回水室温人工控制示意图1-热水加热器2-温度计3-阀门室内温度控制一一送风，经过热水加热器1加热后送入恒温室指示温度一室内设温度计2控制室内温度一人根据室内温度改变调节阀开度控制水量，从而控制室内温度归纳起来，人进行的工作是：1观察温度计的指示值2将室温指示值与室温要求值加以比较，并算出两者的偏差（规定值-指示值）3偏差为正时，开大热水阀门，使偏差减小；当偏差为负时，关小热水阀门，使n

5 课程名称：《自动控制原理》 第 1 周 ， 第 2 讲次 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 进一步明确什么是自动控制；掌握自动控制系统的基本组成。 [重 点] 自动控制的实例；自动控制系统的基本组成。 [难 点] 明确什么是自动控制。 [本讲课程的引入] 通过讲述与本专业相关的实例，进一步明确什么是自动控 制；自动控制系统的基本组成。 [本讲课程的内容] 四 人工控制与自动控制 回水 2 恒温室 回风 热水 3 ＋ 送风 1 室温人工控制示意图 1-热水加热器 2-温度计 3-阀门 室内温度控制——送风，经过热水加热器 1 加热后送入恒温室 指示温度 — 室内设温度计 2 控制室内温度 —人根据室内温度改变调节阀开度控制水量，从而控制室内温度。 归纳起来，人进行的工作是： 1 观察温度计的指示值 2 将室温指示值与室温要求值加以比较，并算出两者的偏差（规定值-指示值） 3 偏差为正时，开大热水阀门，使偏差减小；当偏差为负时，关小热水阀门，使

偏差减小。阀门开大、关小的程度与偏差大小有关。重复上述三个步骤，直至温度指示值与要求值近似相等。人在控制过程中起到了：观测、比较、判断和控制作用。人的控制精度差，不能时时控制。送风rE恒温室国风热水回水室温自动控制示意图1-热水加热器2-传感器（检测元件、检测装置）3-控制器4-执行器（执行机构+调节机构）一一电动调节阀控制器3一一将传感器2反映的室温测量值一一与实际值进行比较和运算-控制执行器4一一调温从上述可知：传感器相当于人工控制中的温度计控制器代替人的眼睛和大脑一一比较、运算执行器中的电动机相当于人的双手五月自动控制系统的组成（反馈控制系统的组成、闭环控制系统的组成）干扰干扰通道比较元件愉入量输出量控制器执行器被控对象ogOa检测装置反馈控制系统组成方块图系统受到的两种作用：给定、干扰（结合上图解释）

6 偏差减小。阀门开大、关小的程度与偏差大小有关。 重复上述三个步骤，直至温度指示值与要求值近似相等。 人在控制过程中起到了：观测、比较、判断和控制作用。 人的控制精度差，不能时时控制。 热水 回风 恒温室 4 M TC 1 3 TE 2 回水 ＋ 1 送风 室温自动控制示意图 1-热水加热器 2-传感器（检测元件、检测装置） 3-控制器 4-执行器（执行机构+调节机构）——电动调节阀 控制器3——将传感器2反映的室温测量值——与实际值进行比较和运算—— 控制执行器 4——调温 从上述可知：传感器相当于人工控制中的温度计 控制器代替人的眼睛和大脑——比较、运算 执行器中的电动机相当于人的双手 五 自动控制系统的组成（反馈控制系统的组成、闭环控制系统的组成） 输入量 θg θg 输入量 控制器 执行器 － θz 检测装置 比较元件 被控对象 θa 干扰 干扰通道 输出量 输出量 串联补偿 控制器 θz － － 比较元件 执行器 被控对象 检测装置 反馈补偿 干扰 干扰通道 θa 反馈控制系统组成方块图 系统受到的两种作用：给定、干扰（结合上图解释）

（一）组成1被控对象：自动控制系统中要进行控制的设备或过程的一部分获全部。如恒温室。2执行器：一般由执行机构+调节机构组成。其职能是直接推动被控对象，使被控量发生变化。如电动调节阀：执行机构（电动机等）+调节机构（调节阀门）3检测元件（装置）：用来检测被控制量。如果这个被控量是非电量，要转换成电量。例如：测量转送一一测速发电机测量角度一一电位器、旋转变压器测量温度一一热电偶、热电阻4给定元件：其职能是给出与希望的被控量相对应的系统输入量（参据量）。如电位器。一一表示比较元件，它往往是控制器的一个组成部分，在图中5比较元件：把它单独画出来为的是说明其比较作用。“_”号表示给定值与反馈值符号相反，即负反馈。其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定值进行比较，求出它们偏差。常用的比较元件有：差动放大器、电桥电路等。6放大元件：其智能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。如放大器（电压放大、功率放大）7矫正元件：也叫补偿元件。用串联或反馈方式连接在系统中，改善系统的性能。1干扰干扰通道比较元件输入量L串联补偿控制器执行器图被控对象0.og反馈补偿N检测装置7

7 （一）组成 1 被控对象：自动控制系统中要进行控制的设备或过程的一部分获全部。 如恒温室。 2 执行器：一般由执行机构+调节机构组成。其职能是直接推动被控对象，使被 控量发生变化。 如电动调节阀：执行机构（电动机等）+调节机 构（调节阀门） 3 检测元件（装置）：用来检测被控制量。如果这个被控量是非电量，要转换成电量。 例如： 测量转送——测速发电机 测量角度——电位器、旋转变压器 测量温度——热电偶、热电阻 4 给定元件：其职能是给出与希望的被控量相对应的系统输入量（参据量）。 如电位器。 5 比较元件： ＋ － 表示比较元件，它往往是控制器的一个组成部分，在图中 把它单独画出来为的是说明其比较作用。“-”号表示给定值与反馈值符号相反， 即负反馈。其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定值进行比较，求出 它们偏差。常用的比较元件有：差动放大器、电桥电路等。 6 放大元件：其智能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象。如放大器（电压放大、功率放大） 7 矫正元件：也叫补偿元件。用串联或反馈方式连接在系统中，改善系统的性能。 输入量 θg θg 输入量 控制器 执行器 － θz 检测装置 比较元件 被控对象 θa 干扰 干扰通道 输出量 输出量 串联补偿 控制器 θz － － 比较元件 执行器 被控对象 检测装置 反馈补偿 干扰 干扰通道 θa

在控制系统中，常把5、6、7合在一起称为控制器。（二）常用术语：被控对象、被控量、给定值、传感器、执行器干扰一一引起被控量发生变化的外部原因。操作量一一被控量受到干扰后恢复到新稳定值需要通过调节阀向对象输入（或输出）的物料量或能量。如图中的热水量。【本讲课程的小结】今天我们讲述了什么是人工控制与自动控制，自动控制系统的基本组成。80

8 在控制系统中，常把 5、6、7 合在一起称为控制器。 （二） 常用术语：被控对象、被控量、给定值、传感器、执行器 干扰 —— 引起被控量发生变化的外部原因。 操作量 —— 被控量受到干扰后恢复到新稳定值需要通过调 节阀向对象输入（或输出）的物料量或能量。如图中的热水量。 【本讲课程的小结】今天我们讲述了什么是人工控制与自动控制，自 动控制系统的基本组成

课程名称：《自动控制原理》第2周，第1讲次本讲目的要求及重点难点：[目的要求]讲述自动控制系统的分类及分类方法[重点] 动控制系统的分类及分类方法。[难点] 动控制系统的分类及分类方法。[本讲课程的引入】通过讲述自动控制系统的分类方法，进一步了解自动控制系统。[本讲课程的内容]六自动控制系统的分类自动控制系统有多种分类方法（一）自动控制系统按其主要元件的特性方程式的输入输出特征，可分为：线性控制系统、非线性控制系统1线性连续控制系统这类系统可以用线性微分方程式描述，其一般形式为dn-1dc (t) +aic (t)+ac (t)ao.d c (t)+ anldtndt++dr (t) +br=bo dtmdtC（t）—一被控量r(t)一一系统输入量系数aoal...anbobi...bm是常数时，称为定常系统。dc (t)+3dc (t)+6dc (t)+8c (t)= r (t)dtdt?dt系数ao(t)ai(t)..an(t)bo(t)bi(t)）...bm(t)随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续控制系统，按其输入量的变化规律不同又分为：（1）恒值控制系统（定值控制系统）一要求给定值是一常数，被控量亦等于一9

9 课程名称：《自动控制原理》 第 2 周 ， 第 1 讲次 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 讲述自动控制系统的分类及分类方法 [重 点] 动控制系统的分类及分类方法。 [难 点] 动控制系统的分类及分类方法。 [本讲课程的引入] 通过讲述自动控制系统的分类方法，进一步了解自动控制系 统。 [本讲课程的内容] 六 自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法 （一） 自动控制系统按其主要元件的特性方程式 的输入输出特征 ， 可分为：线性控制系统 、非线性控制系统 1 线性连续控制系统 这类系统可以用线性微分方程式描述，其一般形式为 m-1 m-1 n-1 n-1 d n d =b a r（t） c（t） m d m dt 0 n dt 0 b d + dt 1 +a dt 1 r（t） d c（t） +.+ +.+ r（t） c（t） bm-1 an-1 r（t）+ c（t）+ d dt dt bm a n C（t）——被控量 r(t)——系统输入量 系数 a0 a1 。an b0 b1 。bm 是常数时，称为定常系统 。 3c（t） c（t） dt d 3 2 + 3 2 dt d dt + 6 d c（t）+ 8 c（t）= r（t） 系数 a0(t) a1(t) 。an(t) b0(t) b1(t) 。bm(t) 随时间变化时，称为时变系统 。 线性定常连续控制系统，按其输入量 的变化规律 不同又分为： （1） 恒值控制系统（定值控制系统）—要求给定值是一常数，被控量亦等于一

个常数。例如恒速、恒温、恒压控制系统但由于扰动的影响，被控量会偏离参考量而出现偏差，系统便根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。此系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控量的影响。此系统可以随生产条件的改变而改变，但一经调整后，被控量就应与调整好的输入量（参据量）保持一致。（2）随动系统这类系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪系统。随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。如高射炮射角随动系统（3）程序控制系统这类控制系统的参据量是按预先规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。如机械加工使用的数字程控机床2线性定常离散控制系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统要用差分方程描述，3非线性控制系统系统中只要有一个元件的输入一一输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。要用非线性微分方程（或差分）方程描述非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，如y(t)+y(t)y(t)+()=r(t)10

10 个常数。例如恒速、恒温、恒压控制系统 但由于扰动的影响，被控量会偏离参考量而出现偏差，系统便根据偏差产生 控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。 此系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控量的影响。 此系统可以随生产条件的改变而改变，但一经调整后，被控量就应与调整好 的输入量（参据量）保持一致。 （2）随动系统 这类系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可 能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪系统。 随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析设计的重点是研究被控量跟随 的快速性和准确性。如高射炮射角随动系统 （3）程序控制系统 这类控制系统的参据量是按预先规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、 准确地加以复现。如机械加工使用的数字程控机床 2 线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在 时间上是离散的。离散系统要用差分方程描述。 3 非线性控制系统 系统中只要有一个元件的输入——输出特性是非线性的，这类系统就称为非 线性控制系统。 要用非线性微分方程（或差分）方程描述。 非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次 幂或乘积项，如 y(t) + y(t) y(t) + y (t) = r(t) . . . 2

严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，例如放大器非线性方程在数学上处理较困难，目前对不同类型的非线性控制系统的研究还没有统一的方法。但对于非线性程度不太严重的元部件，可采用在一定范围内线性化的方法。从而将非线性控制系统近似为线性控制系统。（二）按系统结构可分为（按控制方式分）1闭环控制系统也称反馈控制系统，如图所示，它的特点是系统中采用了负反馈，即存在着一条从系统输出端经过传感器到输入端的联络通道一一反馈通道。是按偏差控制的。2开环控制系统开环控制是一种简单的控制方式，其特点是控制器与被控对象间只有正向控制。输入量输出量控制器执行器被控对象3复合控制系统是按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。扰动补偿装置比较元件输入量十—电压放大器—功率放大器电动机输出量测速发电机对于主要扰动采用适当补偿装置（一个补偿装置只能补偿一种扰动因素），同时再组成反馈控制系统实现偏差控制，以消除其它扰动产生的偏差。【本讲课程的小结】今天我们讲述了自动控制系统的分类。11

11 严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，例如放大器 非线性方程在数学上处理较困难，目前对不同类型的非线性控制系统的研究 还没有统一的方法。但对于非线性程度不太严重的元部件，可采用在一定范围内 线性化的方法。从而将非线性控制系统近似为线性控制系统。 （二）按系统结构可分为（按控制方式分） 1 闭环控制系统 也称反馈控制系统，如图所示，它的特点是系统中采用了负反馈，即存在着 一条从系统输出端经过传感器到输入端的联络通道——反馈通道。 是按偏差控制的。 2 开环控制系统 开环控制是一种简单的控制方式，其特点是控制器与被控对象间只有正向控 制。 控制器 输入量 执行器 被控对象 输出量 3 复合控制系统 是按偏差 控制和按扰动 控制相结合的控制方式。 － 测速发电机 功率放大器 补偿装置 电压放大器 输入量＋ 比较元件 电动机 扰动 输出量 对于主要扰动采用适当补偿装置（一个补偿装置只能补偿一种扰动因 素），同时再组成反馈控制系统实现偏差控制，以消除其它扰动产生的偏差。 【本讲课程的小结】今天我们讲述了自动控制系统的分类