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山东科技大学
《自动控制原理》（经典部分）课程教案
授 课 时 间： 2007－2008学年第1学期
适用专业、班级： 自动化2005－1、2、3班
* * 人： ***
编 写 时 间： 2007 年 7 月
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授课学时：4学时
章节名称 第一章 绪 论
第一节 自动控制的基本原理与方式
第二节 自动控制系统示例
第三节 自动控制系统的分类
第四节 对自动控制系统的基本要求 备注
教学目的和要求 1、 了解自动控制的发展概况。
2、 掌握反馈控制系统的组成及原理。
3、 会根据实际控制系统绘制系统方框图。
4、 掌握控制系统性能的基本要求。
重 点
难 点 重点：开环控制和闭环控制的区别；反馈控制系统的组成及原理；控制系统性能的基本要求；根据实际控制系统绘制系统方框图。
难点：根据实际控制系统绘制系统方框图。
教学方法
教学手段 1、 教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多问的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、 教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等） 一、 引入 （约3min）
从“自动化技术发展历史和应用”引入新课。
二、 教学进程设计
（一）自动控制的发展和应用 （约5min）
1、 应用：广泛应用于工业、农业、航空、航天、核反应等领域。
2、 发展
（1） 经典控制理论
（2） 现代控制理论
（二）自动控制的基本概念 （约42min）
1、 人工控制和自动控制：以水箱控制系统为例讲解
2、 基本概念：（举例）
电气工程及其自动化专业导论
电气工程及其自动化专业导论
引言：
电气工程及其自动化专业是工程学科中的一支重要学科，主要涉及电力系统、电机与电子技术、控制理论与应用等方面的知识。本文将从以下几个方面对电气工程及其自动化专业进行介绍和讨论。
第一章：电气工程概述
1.1 电气工程的定义和起源
1.2 电气工程的基本原理
1.3 电气工程的分类
第二章：电力系统
2.1 电力系统的组成与层次结构
2.2 电力系统运行与管理
2.3 电力系统的稳定性分析
2.4 电力系统的保护与自动化
第三章：电机与电子技术
3.1 电机原理与类型 3.2 电机的控制与调速
3.3 电子元器件与电路
3.4 电子技术在电气工程中的应用
第四章：控制理论与应用
4.1 控制系统的基本概念与分类
4.2 控制系统的数学模型与传递函数
4.3 控制系统的稳态与动态特性分析
4.4 控制系统的设计与调节
第五章：自动化技术与应用
5.1 自动化技术的发展历程
5.2 自动化系统的组成与层次结构
5.3 自动化技术在生产与工程中的应用
5.4 工业自动化系统的设计与实施
附件：
本文档附带的附件包括电气工程及其自动化专业相关的案例分析、电力系统模拟软件、电机控制实验报告等内容。这些附件旨在辅助读者更好地理解和应用本文所介绍的知识。 法律名词及注释：
1. 电力法：指规定电力行业活动有关法律的总称。
2. 电气安全法：规定了电气产品的安全性要求和检验检测标准等。
3. 电磁兼容法：规定了电气设备的电磁兼容性要求和测试方法等。
自动控制系统的基本知识（上篇）
在现代工业生产中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）自动地按照预定的规律运行或变化。自动控制系统，是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，一般是由控制装置和被控对象组成的。各种自动控制系统都有衡量其性能优劣的具体性能指标。控制装置在自动控制系统中起着十分重要的作用，自动调节系统中的调节器决定了系统的控制规律，对系统的控制技师有着很大影响。
理论简介
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其
发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。它的发展初期，
是以反馈理论为基础的自动调节原理，到五十年代末期，自动控制理论已经
形成比较完整的体系，通常把这个时期以前所应用的自动控制理论，称为经
典控制理论。经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出
的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。进
入六十年代以来，随着自动控制技术的发展，出现了新的控制理论一一现代
控制理论。现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数、
非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。现代控制理论已成功地应用
在航天、航空、航海及工业生产等许多方面。目前，现代控控制理论正在大
系统工程、人工智能控制等方面向纵深发展。经典控制理论和现代控制理论，
两者相轴相成，各有其应用场合。
常用术语
1）被控对象 被控对象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，
其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标
2）系统 系统是由一些部件组成的，用以完成一定的任务。
3）环节 环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或
多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。
4）扰动 扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。
若扰动产生于系统内部，则称为内扰；若其来自于系统外部，则称为外抗。
1.专业的特点根据你目前的理解, 自动化科学与技术的核心是什么？自动化专业的特点是什么？
答：自动化科学与技术的核心是信息、控制与系统。
自动化专业的特点：
（1） 以严密的理论和复杂的系统作为基础，对人们生活的各方面可以产生翻天覆地的影响；
（2） 多学科交叉的特点——适合于通才教育；
（3）突出的方法论特点——利于培养创新人才；
（4）系统的集成特点——利于培养将才、帅才；
（5）发展迅速，知识更新快，需要不断学习；
（6）学习自动化需要拥有创新能力，不局限于已有的传统知识；
2.开环控制和闭环控制的差异是什么？解释闭环PID控制的作用?
答：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。
开环控制系统被控制量不反馈至输入端，信号有输入端至输出端单方向传递。既没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,它完全按照事先设置的给定信号控制系统，控制精确度难以得到保证。该系统结构简单，成本低廉，适用于对系统稳定性精确度要求不高的简单系统。
图（1）、开环控制系统结构图
控制器传感器过程或系统期 望输出响应误差实 际输出响应+-闭环控制的被控量要经测量变送元件测量出来送回给输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，即有反馈环节，通过反馈（负反馈）使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。该系统相对来说比较复杂。
图（2）闭环控制系统结构图
PID控制器有比例单元、积分单元和微分单元组成。
比例单元：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用，用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。
积分单元：使系统消除稳态误差，提高误差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分单元：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预测性，能预见偏差变化的趋势，因此具有超前的作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用不能单独作用，需与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
