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况的集中显示；
参数的越限报警及自动调节以保持参数恒定；
故障后的自动切换、数恒定；
故障后的自动切换、处理4）自动分析机器故障的原因和提出维修预报4）自动分析机器故障的原因和提出维修预报5）船舶电站自动化5）船舶电站自动化
大连海事大学
育鲲轮机舱集控室
航海自动化1）电子海图的显示与信息系统2）雷达、卫星导航和定位系统雷达、3）船舶自动识别系统（AIS）船舶自动识别系统（AIS）
4）自动操舵系统
5）最佳航线编制系统6）船载航行数据记录仪（VDR）船载航行数据记录仪（VDR）7）自动避碰系统8）现代船舶管理系统9）船舶治安报警系统（SSAS）船舶治安报警系统（SSAS）
综合船桥系统IBS）（IBS）
船体自动化1）船体受力状态监控2）最佳配载计算3）货油自动装卸4）系泊自动化5）压载水的自动排装6）冷藏舱和冷藏集装箱的温度自动调节和监视报警7）船内通信自动化、生活设施自动化以及医疗自动化船内通信自动化、
二.船舶自动化发展的概况船舶自动自动化研究始于60年代初期年代初期，80年代共船舶自动自动化研究始于60年代初期，至80年代共经历了四个发展阶段，目前正处于第五个发展阶段。
经历了四个发展阶段，目前正处于第五个发展阶段。
1.时间：
60年代初第一代自动化船舶1.时间：
60年代初时间代表船舶：
1961年代表船舶：
1961年日本的金华山丸特点：
1）以机舱集中监控为主。
在机舱内设置集特点：
机舱集中监控为主。
为主中监视屏和控制台，中监视屏和控制台，只需要一个人员在这里对动力装置进行监视和控制主机遥控。
2）在驾驶室可进行主机遥控。
在驾驶室可进行主机遥控
金华山丸
日本商船三井最早的自动化船
春日山丸
金华山丸的姊妹船
2.时间：
60年代中期2.时间60年代中期时间：
第二代自动化船舶
代表船舶：
1964年由荷兰委托日本建造的型油轮年由荷兰委托日本建造的65代表船舶：
1964年由荷兰委托日本建造的65型油轮特点：
以无人机舱为核心。
特点：
为核心无人机舱：
无人机舱：
是利用自动化设备代替轮机人员在机舱值班期间的操作管理工作，班期间的操作管理工作，从而实现在一段时间机舱无需人员值班。
需人员值班。
3.60年代末，开始研究全面实现船舶计算机控制的超3.60年代末，开始研究全面实现船舶计算机控制的超年代末自动化船舶。
这种船舶超出了机舱自动化控制的范围，自动化船舶。
这种船舶超出了机舱自动化控制的范围，在导航、机舱、货物装卸、在导航、机舱、货物装卸、报务设置医疗等方面实现全面的自动化。
全面的自动化。
1970年日本“星光丸”1970年日本“星光丸”的竣工开创驾机合一的新时代
星光丸
最早的超自动化油轮
4）1979年诞生了高度合理化的超自动化船，即1979年诞生了高度合理化的超自动化船，年诞生了高度合理化的超自动化船第四代自动化船。
第四代自动化船。
这些高度合理化的自动化船均采用分散的单项计算机控制系统，采用分散的单项计算机控制系统，以微处理机为中心，各种控制程序更加完善。
中心，各种控制程序更加完善。
住友重工业株式会社和两家日本电子公司联合研制成世界上第一台主机声控系统,安装在179000吨的散装成世界上第一台主机声控系统,安装在179000吨的散装货船“纪川丸”货船“纪川丸”该系统能将船长和值班驾驶员发出的口令变成主机的控制信号,故可省去传令钟和主机的操作人员。
控制信号,故可省去传令钟和主机的操作人员。
因为可通过无线电话筒将位于驾驶台或桥楼两翼任何部位的口令直接变成一个操作信号,令直接变成一个操作信号,所以大大地提高了船舶操纵的安全性。
的安全性。
berlinexpress
5）随着计算机技术的发展，现在船舶上所安装随着计算机技术的发展，的专家系统可赋予船舶智能化的逻辑思维和决策功能，从而实现船舶的航行操纵和营运自动化的功能，从而实现船舶的航行操纵和营运自动化的智能管理。
智能管理。
这种具有高度信息收集功能和综合判断推理决策决策功能的船舶标志着船舶自动化已进入第五个阶段。
进入第五个阶段。
第二节航海自动化基础概述
一、自动化理论产生及发展概况起源：
起源：
第一次工业革命18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心18世纪世纪，调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
…………………………发展：
20世纪60年代，数字计算机技术的迅速发展为20世纪年代世纪60年代，复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。
复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。
从1960年至今，确定性系统、随机系统的最佳控制，1960年至今确定性系统、随机系统的最佳控制，年至今，及复杂系统的自适应和智能控制技术，及复杂系统的自适应和智能控制技术，都得到充分的研究。
研究。
控制理论的划分
经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入以传递函数为基础，主要研究单输入-单输出的一类定常控制系统的分析与设计问题。
类定常控制系统的分析与设计问题。
这些理论因为其发展较早，现已趋成熟。
其发展较早，现已趋成熟。
现代控制理论以状态空间法为基础，主要研究多输入-多输出、以状态空间法为基础，主要研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。
时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。
系统具有高精度和高效能的特点。
统具有高精度和高效能的特点。
智能控制理论经典控制理论和现代控制理论统称为传统控制理论
智能控制在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。
制目标的自动控制技术。
对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用对许多复杂的系统，常规的控制理论去进行定量计算和分析，常规的控制理论去进行定量计算和分析，而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。
定量方法与定性方法相结合的控制方式。
定量方法与定性方法相结合的目的是要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。
似于人的智慧和经验来引导求解过程。
第二章自动控制系统
第一节自动控制系统的基本概念与组成第二节自动控制系统的数学模型第三节自动控制系统的分类第四节自动控制系统的传递函数和方块图第五节自动控制系统的基本分析方法
第一节自动控制系统的基本概念与组成
一、自动控制系统基本概念自动控制：
（Automaticcontrol）是指在没有人直control）自动控制：
接参与的条件下，利用控制器（外加的设备或装置）接参与的条件下，利用控制器（外加的设备或装置）使被控制对象（如机器、设备和生产过程）被控制对象（如机器、设备和生产过程）的某个参数或工作状态，即被控量）（或工作状态，即被控量）能自动按照预定的规律变或运行）。
化（或运行）。
举例：
锅炉的炉温控制卫星的太阳能电池板的角度调节船舶自动驾驶仪
自动控制和人工控制比较自动控制人工控制都以测量偏差,修正偏差为目的。
都以测量偏差,修正偏差为目的。
并且为了测量偏差,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出反馈到输入端
区别：
自动控制用控制器代替人完成控制
自动控制系统：
是由控制装置和被控对象所组成，自动控制系统：
是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。
并对被控对象进行自动控制。
自动控制系统的结构
水池液面控制系统
人在参与控制中起了以下三方面的作用：
1）测量实际液面高度h1——用眼睛。
测量实际液面高度h——用眼睛用眼睛。
2）将测得实际液面h1与希望液面的高度h0相比将测得实际液面h与希望液面的高度h——用脑用脑。
较——用脑。
3）根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定根据比较的结果，的动作——用手用手。
的动作——用手。
液面（人工）液面（人工）反馈控制系统的框图
比较元件
执行元件
测量元件
液位（自动）液位（自动）反馈控制系统
控制器
Q1
h0
浮子
电位器
减速器
用水开关
电动机
SM
Q2
if
以上系统的基本组成部分
被控对象－水池被控对象－?
测量元件—浮子和杠杆（物理量转换）。
测量元件—浮子和杠杆（物理量转换）?
比较元件—电位器（求浮子的希望位置与实位置之差）。
比较元件—求浮子的希望位置与实位置之差）?
放大元件—放大器（当测量元件测得的信号与给定信号比较后放大元件—放大器（得到的误差信号不足以使执行元件动作时，得到的误差信号不足以使执行元件动作时，一般还需要放大元件进行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象）件进行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象）。
?
执行元件—电机和阀（直接驱动被控对象，以改变被控制量）。
上述系统，取出输出量送回到输入端，并与输入信号上述系统，取出输出量送回到输入端，相比较产生偏差信号的过程，称为反馈反馈。
相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。
若反馈的信号是与输入信号相减，若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈反之，则称为正反馈负反馈；
正反馈。
越小，则称为负反馈；
反之，则称为正反馈。
采用负反馈并利用偏差进行控制的过程称为反馈控制。
称为反馈控制因为引入了被控量的反馈信息，因为引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭闭环控制。
合过程，因此反馈控制也称闭环控制合过程，因此反馈控制也称闭环控制。
反馈控制系统基本组成典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。
图中，典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。
图中，“○”代表比较元件代表比较元件，用“○”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较，号表示两者符号相反，即负反馈；
量进行比较，“—”号表示两者符号相反，即负反馈；
“＋”可省略）表示两者符号相同，即正反馈。
号（可省略）表示两者符号相同，即正反馈。
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路；
前向通路；
系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通前向通路与主反馈通路共同构成主回路主回路。
路。
前向通路与主反馈通路共同构成主回路。
自动控制系统按控制方式可主要分为开环控制系统和闭环控制系统二、开环控制系统
电阻丝
调压变压器输入信号电压
电炉炉温
炉温控制系统
开环控制：
开环控制是指控制器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。
向作用而没有反向联系的控制过程。
主要特点：
输出受给定值操纵,输出受给定值操纵,信号由给定值至输出量单向传递一定的给定值对应一定的输出量。
一定的给定值对应一定的输出量。
输出不影响输入，输入，对输出不需要测量对组成系统的元部件要求较高结构简单，系统容易稳定结构简单，系统的控制精度取决于系统事先的调整精度对于工作过程中受到的扰动无法自动补偿。
对于工作过程中受到的扰动无法自动补偿。
按给定值控制的原理方框图给定值
被控制对象输出量
应用：
结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和结构简单，成本低廉，扰动信号较弱的场合,如自动售货机，扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器等。
开环控制系统除可分为按给定量控制方式组成和按扰动控开环控制系统除可分为按给定量控制方式组成和按扰动控给定量控制方式组成和按制方式组成两种组成方式制方式组成两种组成方式
按给定量控制的开环控制系统其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，有一个输出量与之相对应，有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。
准的精度。
没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。
但其结构简单、没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。
但其结构简单、成本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。
本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。
按扰动控制的开环控制系统是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制顺馈控制。
消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制。
缺点：
对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变缺点：
化对输出量造成的扰动，系统的控制精度有限，化对输出量造成的扰动，系统的控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。
控制。
三、闭环控制系统
闭环控制：
是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。
联系的控制过程。
输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；
低精度元件可组成高精度系统；
因为结构比较复杂，所以稳定性欠佳。
控制方式
反馈按反馈极性的不同分成两种形式：
正反馈，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：
正反馈，负反馈。
我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，负反馈。
我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。
一般都指负反馈。
可得闭环控制系统的基本原理框图
不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，特点：
不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，减小或消除这个偏差会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。
与期望值趋于一致。
反馈控制系统，具有抑制内、外扰动对被控量产生影响的能反馈控制系统，具有抑制内、外扰动对被控量产生影响的能抑制内较高的控制精度。
但这种系统使用元件较多，结构复杂，力，有较高的控制精度。
但这种系统使用元件较多，结构复杂，系统的性能分析和设计也较麻烦。
系统的性能分析和设计也较麻烦。
图为某工厂电阻炉微型计算机温度控制系统原理示意图
系统组成被控对象－被控对象－电炉被控量－被控量－炉温测量元件－测量元件－热电偶比较环节－比较环节－计算机执行元件－计算机、执行元件－计算机、触发器和晶闸管
A/D转换
炉温
触发器
晶闸管热电偶
电炉
炉温期望值
-
1.2自动控制系统实例
1.飞机-自动驾驶仪系统飞机-
系统稳定俯仰角的原理示意图。
意图。
飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动装置。
它可以稳定飞行的姿态、状态的自动装置。
它可以稳定飞行的姿态、高度和航迹；
可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。
航迹；
飞机与自动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机-自动驾驶仪系统。
系统。
垂直陀螺仪是测量元件用以测量飞机的俯仰角，当飞机垂直陀螺仪是测量元件用以测量飞机的俯仰角，以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无电压输出；
以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无电压输出；
如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转，驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转，产生使飞机抬头的转矩，以减小俯仰角偏差；
头的转矩，以减小俯仰角偏差；
同时还带动反馈电位器滑臂，同时还带动反馈电位器滑臂，输出与舵偏角成正比的电压并反馈到输入端。
随着俯仰角偏差的减小，压并反馈到输入端。
随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小，器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回到期望值。
到期望值。
上图是飞机上图是飞机-自动驾驶仪系统稳定俯仰角的系统方块图，图中，飞机是被控对象，俯仰角是被控量，方块图，图中，飞机是被控对象，俯仰角是被控量，放大器、舵机、垂直陀螺仪、放大器、舵机、垂直陀螺仪、反馈电位器等是控制装参据量是给定的常值俯仰角。
置。
参据量是给定的常值俯仰角。
控制系统的任务就是在任何扰动（控制系统的任务就是在任何扰动（如阵风或气流冲击）作用下，始终保持飞机以给定俯仰角飞行。
冲击）作用下，始终保持飞机以给定俯仰角飞行。
例题例1：
仓库大门自动控制系统原理示意图如图所示，描述自动控制大门开关的工作原理，所示，描述自动控制大门开关的工作原理，画出系统原理方框图。
系统原理方框图。
当合上开门开关时，当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，差电压，经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起。
与此同时，盘转动，使大门向上提起。
与此同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，一起的电位器电刷上移，直到桥式测量电路达到平电动机停止转动，开门开关自动断开。
反之，衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。
反之，当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，盘使大门关闭，盘使大门关闭，从而实现了远距离自动控制大门开闭的要求。
闭的要求。
大门自动开闭控制系统的原理方框图如图所示。
图所示。
例2：
图为水温控制系统示意图。
冷水在热交换器中由通入的蒸图为水温控制系统示意图。
汽加热，从而得到一定温度的热水。
冷水流量变化用流量计测量。
说明系统是如何保持热水温度为期望值的？
请绘制系统方框图，说明系统是如何保持热水温度为期望值的？
请绘制系统方框图，系统的被控对象和控制装置各是什么？
系统的被控对象和控制装置各是什么？
温度传感器不断测量实际温度，温度传感器不断测量实际温度，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大一点，相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大一点，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。
交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。
如果因为某种原因，冷水（可视为干扰）流量加大则由流量计测得，种原因，冷水（可视为干扰）流量加大则由流量计测得，通过按顺馈补偿，靠温度控制器使阀门开大，蒸汽量增加，馈补偿，靠温度控制器使阀门开大，蒸汽量增加，从而补偿了冷水量的增加而引起热水温度的降低，量的增加而引起热水温度的降低，确保热交换器出口处的热水温为给定值。
其中被控对象是热交换器，热水温度为被控量，给定值。
其中被控对象是热交换器，热水温度为被控量，除热交换器外，其余部分为控制装置。
器外，其余部分为控制装置。
例3：
图为谷物湿度控制系统示意图。
在谷物磨粉图为谷物湿度控制系统示意图。
的生产过程中，有一种出粉最多的湿度，的生产过程中，有一种出粉最多的湿度，因此磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。
图中，谷物之前要给谷物加水以得到给定的湿度。
图中，用传送装置按一定流量通过加水点，用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。
加水过程中，谷物流量、阀门控制。
加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。
度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。
为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，试画出系统方块图。
试画出系统方块图。
该系统的被控对象是谷物流，被控制量是输出谷物的湿度，该系统的被控对象是谷物流，被控制量是输出谷物的湿度，扰动量包括输入谷物的湿度、谷物流量和水源水压。
系统的方框图如下图量包括输入谷物的湿度、谷物流量和水源水压。
所示。
反馈通道的湿度测量装置测量的是加水后出口处输出谷物的湿度，将这个信号反馈到调节器。
若输出谷物的湿度与设在调节器中将这个信号反馈到调节器。
的希望谷物湿度不一致，则产生偏差信号，通过调节器控制开大或的希望谷物湿度不一致，则产生偏差信号，关小阀门的开度，改变加水量的大小，关小阀门的开度，改变加水量的大小，使谷物湿度向减小偏差的方向变化。
这是通过闭环负反馈减少偏差的过程，向变化。
这是通过闭环负反馈减少偏差的过程，不论由什么原因引起的偏差都可由闭环负反馈得到抑制。
起的偏差都可由闭环负反馈得到抑制。
入口处的湿度测量装置测量的是加水前谷物的湿度。
这个信号由入口处的湿度测量装置测量的是加水前谷物的湿度。
顺馈通道输入到调节器，若入口处谷物较干，可适当加大加水量；
若谷物较湿可减少加水量。
这是通过开环控制的方式进行补偿。
谷物较湿可减少加水量。
通过顺馈通道，可以减少或消除某些干扰（输入谷物湿度的影响，输入谷物湿度）的影响馈通道，可以减少或消除某些干扰输入谷物湿度的影响，提高了系统的精度，减轻了闭环控制回路的负担。
统的精度，减轻了闭环控制回路的负担。
用顺馈方式对干扰进行补偿这个干扰必须是能够测量的。
时，这个干扰必须是能够测量的。
在阀门开度相同的情况下，水源水压的高低影响进水量的多少。
该系统对水源水压这个干扰量未加测量，水源水压变化引起的误差只该系统对水源水压这个干扰量未加测量，能由闭环负反馈进行抑制。
在加水量相同的情况下，谷物流量的大小能由闭环负反馈进行抑制。
在加水量相同的情况下，也影响输出谷物的湿度。
系统对谷物流量变化这个干扰未加测量，也影响输出谷物的湿度。
系统对谷物流量变化这个干扰未加测量，由其引起的误差同样靠闭环负反馈进行抑制。
其引起的误差同样靠闭环负反馈进行抑制。
第二
升级会员 