第一章自动控制系统概念
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• 自动控制系统：实现自动任务的系统
第一章自动控制系统概念
• 被控对象： 以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机
械或装备，如燃气轮机、锅炉等。 • 被控量：
表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转 速、温度等。 • 输入量：
作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考 物理量。 • 输出量：
被控对象中要求实现自动控制的物理量，位 于系统输出端。
这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。例
如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个
轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少。最优
控制已被应用于综合和设计最速控制系统、最省
燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器
等。
第一章自动控制系统概念
按控制方法分类
• 系统辨识 (System Identification)
第一章自动控制系统概念
• 鲁棒控制(Robust control)
系统的“鲁棒性”，是指控制系统在一定 （结构，大小）的参数摄动下，维持某些性 能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设 计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
由于工作状况变动、外部干扰以及建模误 差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得 到，而系统的各种故障也将导致模型的不确 定性，因此可以说模型的不确定性在控制系 统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器， 使具有不确定性的对象满足控制品质，就是 鲁棒控制的任务。
第一章自动控制系统概念
• 给定值（参考输入）： 在整个过程中，被控量所应保持
的理想数值. • 控制的任务：
使受控对象的被控量等于给定值. • 扰动：
不改变控制机构参数而使被控量 发生变化的因素. • 扰动量：妨碍控制量对被控制量按 要求进行正常控制的物理量.
第一章自动控制系统概念
• 开环控制： 被控制量只受控于控制量，而对控制
第一章自动控制系统概念
按控制对象及控制方式分类
• 单输入--单输出 • 多输入--多输出
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
历史上的三本重要著作
• 《通讯的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication），目前被作为信息论开端的香 农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文 。奠定了 信息论的基础。
• 《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的 科学》，控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著。
自动控制原理
第一章
控制系统的一般概念
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 通过本课程的学习，要求掌握自动控制系 统的组成和工作原理；掌握建立简单控制 系统数学模型的方法；掌握分析控制系统 的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法； 了解线性系统的校正方法。
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 了解系统动态过程及性能。 • 对于一个给定的已存在的具体系统，
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
自动控制系统的常用概念
• 控制：某个主体使其它对象按照一定 的目的动作的过程，“其它对象”可以 是一个过程，也可以是器械、生产系 统。
• 自动控制：在无人直接参与的情况下， 通过控制器使被控对象或过程自动按 照预定要求(规律)运行的行为。
• 《工程控制论》 钱学森(Tsien H S,1991-)的著作《工程控制论》 （Engineering Cybernetics. 1954）。
• 这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了
新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程
控制论。
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
如何从理论上对系统的动态性能进行定 性分析和定量估算——系统分析。 • 根据给定的系统的动态性能要求，如何 根据已知的受控对象，合理地确定控制 装置的部分结构和参数——系统设计。
第一章自动控制系统概念
控制思想的起源
• 控制思想与技术的存在至少已有数千年的 历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们 对征服自然与外在的渴望，控制理论与技 术也自然而然地在人们认识自然与改造自 然的历史中发展起来。
第一章自动控制系统概念
自动控制的定义及意义
• 自动控制是指应用自动化仪器、仪表或自 动控制装置代替人自动地对仪器设备或工 业生产过程进行控制，使之达到预期的状 态或性能指标。
• 对传统的工业生产过程采用自动控制技术， 可以有效提高产品的质量和企业的经济效 益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动 控制显得尤其重要。
量不能反施影响的一类系统成为开环控制 系统。 • 系统：
用以完成一定任务的一些元、部件的 组合为系统。 • 控制过程：
消除扰动因素对系统的影响，从而保 持被控制量按预期要求变化的过程，称为 控制过程。
第一章自动控制系统概念
按控wenku.baidu.com方法分类
• 最优控制 （optimal control）
使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和 综合方法。对一个受控的动力学系统或运动过程， 从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方 案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定 的目标状态的同时，其性能指标值为最优。
根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行 为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是 估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿 真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输 入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控 制器。 对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数 和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制 的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使 输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的 问题恰好是这些问题的逆问题。
第一章自动控制系统概念
• 自适应控制 (Self-adaptable control) 自适应是指生物能改变自己的习性以适应
新的环境的一种特征。自适应控制器应当是 这样一种控制器，它能修正自己的特性以适 应对象和扰动的动态特性的变化。
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确 定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描 述被控对象及其环境的数学模型不是完全确 定的，其中包含一些未知因素和随机因素。
第一章自动控制系统概念
• 被控对象： 以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机
械或装备，如燃气轮机、锅炉等。 • 被控量：
表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转 速、温度等。 • 输入量：
作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考 物理量。 • 输出量：
被控对象中要求实现自动控制的物理量，位 于系统输出端。
这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。例
如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个
轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少。最优
控制已被应用于综合和设计最速控制系统、最省
燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器
等。
第一章自动控制系统概念
按控制方法分类
• 系统辨识 (System Identification)
第一章自动控制系统概念
• 鲁棒控制(Robust control)
系统的“鲁棒性”，是指控制系统在一定 （结构，大小）的参数摄动下，维持某些性 能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设 计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
由于工作状况变动、外部干扰以及建模误 差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得 到，而系统的各种故障也将导致模型的不确 定性，因此可以说模型的不确定性在控制系 统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器， 使具有不确定性的对象满足控制品质，就是 鲁棒控制的任务。
第一章自动控制系统概念
• 给定值（参考输入）： 在整个过程中，被控量所应保持
的理想数值. • 控制的任务：
使受控对象的被控量等于给定值. • 扰动：
不改变控制机构参数而使被控量 发生变化的因素. • 扰动量：妨碍控制量对被控制量按 要求进行正常控制的物理量.
第一章自动控制系统概念
• 开环控制： 被控制量只受控于控制量，而对控制
第一章自动控制系统概念
按控制对象及控制方式分类
• 单输入--单输出 • 多输入--多输出
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
历史上的三本重要著作
• 《通讯的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication），目前被作为信息论开端的香 农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文 。奠定了 信息论的基础。
• 《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的 科学》，控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著。
自动控制原理
第一章
控制系统的一般概念
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 通过本课程的学习，要求掌握自动控制系 统的组成和工作原理；掌握建立简单控制 系统数学模型的方法；掌握分析控制系统 的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法； 了解线性系统的校正方法。
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 了解系统动态过程及性能。 • 对于一个给定的已存在的具体系统，
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
自动控制系统的常用概念
• 控制：某个主体使其它对象按照一定 的目的动作的过程，“其它对象”可以 是一个过程，也可以是器械、生产系 统。
• 自动控制：在无人直接参与的情况下， 通过控制器使被控对象或过程自动按 照预定要求(规律)运行的行为。
• 《工程控制论》 钱学森(Tsien H S,1991-)的著作《工程控制论》 （Engineering Cybernetics. 1954）。
• 这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了
新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程
控制论。
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
如何从理论上对系统的动态性能进行定 性分析和定量估算——系统分析。 • 根据给定的系统的动态性能要求，如何 根据已知的受控对象，合理地确定控制 装置的部分结构和参数——系统设计。
第一章自动控制系统概念
控制思想的起源
• 控制思想与技术的存在至少已有数千年的 历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们 对征服自然与外在的渴望，控制理论与技 术也自然而然地在人们认识自然与改造自 然的历史中发展起来。
第一章自动控制系统概念
自动控制的定义及意义
• 自动控制是指应用自动化仪器、仪表或自 动控制装置代替人自动地对仪器设备或工 业生产过程进行控制，使之达到预期的状 态或性能指标。
• 对传统的工业生产过程采用自动控制技术， 可以有效提高产品的质量和企业的经济效 益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动 控制显得尤其重要。
量不能反施影响的一类系统成为开环控制 系统。 • 系统：
用以完成一定任务的一些元、部件的 组合为系统。 • 控制过程：
消除扰动因素对系统的影响，从而保 持被控制量按预期要求变化的过程，称为 控制过程。
第一章自动控制系统概念
按控wenku.baidu.com方法分类
• 最优控制 （optimal control）
使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和 综合方法。对一个受控的动力学系统或运动过程， 从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方 案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定 的目标状态的同时，其性能指标值为最优。
根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行 为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是 估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿 真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输 入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控 制器。 对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数 和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制 的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使 输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的 问题恰好是这些问题的逆问题。
第一章自动控制系统概念
• 自适应控制 (Self-adaptable control) 自适应是指生物能改变自己的习性以适应
新的环境的一种特征。自适应控制器应当是 这样一种控制器，它能修正自己的特性以适 应对象和扰动的动态特性的变化。
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确 定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描 述被控对象及其环境的数学模型不是完全确 定的，其中包含一些未知因素和随机因素。