对自动控制系统的基本要求
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※ 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念, 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
※20世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
※20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比 较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用 输出量与输入量的偏差来进行控制。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-1 热力系统的人工反馈控制
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-2 热力系统的自动反馈控制
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
＋U
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测 ＋速
发 电 机
图1-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰 动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量， 当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化， 经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为 反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控 制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许 的范围内。
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1 所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机 是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送 器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机 电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差 值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器）， 控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。
第一章 自动控制的一般概念
1 自动控制的基本原理与方式 2 自动控制系统示例 3 自动控制系统的分类 4 对自动控制系统的基本要求
自动控制的一般概念>>自动控制的基本原理与方式
1.1 自动控制技术及其应用
所谓自动控制，是指在没 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），使机器、设备 或生产过程（统称被控对象） 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。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
反馈测量元件
图1-5 微型计算机控制机床（闭环系统）
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
a、 按信号的传递路径来分 b、按系统输入信号的变化规律不同来分 c、按系统传输信号的性质来分 d、按描述系统的数学模型不同来分
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
按信号的传递路径来分
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对
系统的控制作用不发生影响的系统。如工业上使用的数 字程序控制机床，参见图1-3。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
历史回顾
※ 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。
※1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
※1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳 态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
合
制与设计
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论
复变函数 拉氏变换
模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制理论
微积分
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
1.3 反馈控制原理
定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存 在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输 入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态） 之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之 上的。
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-4 微型计算机控制机床（开环系统）
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系 统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的 被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构 步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的 要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不 能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来 未知干扰都会影响系统精度的。
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫闭环
控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语 的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差如图1-4所示。
1.2 自动控制理论
• 古典控制理论
以传递函数为基础研究 单输入-单输出一类定 常控制系统的分析与 设计问题。这些理论 由于其发展较早，现 已臻成熟。
• 现代控制理论
以状态空间法为基础， 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。系统具有高精 度和高效能的特点。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
※20世纪60年代，数字计算机的出现为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年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
※从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ 控制及其相关课题。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频Fra Baidu bibliotek法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
※20世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
※20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比 较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用 输出量与输入量的偏差来进行控制。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-1 热力系统的人工反馈控制
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
图1-2 热力系统的自动反馈控制
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
＋U
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测 ＋速
发 电 机
图1-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰 动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量， 当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化， 经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为 反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控 制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许 的范围内。
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1 所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机 是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送 器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机 电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差 值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器）， 控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。
第一章 自动控制的一般概念
1 自动控制的基本原理与方式 2 自动控制系统示例 3 自动控制系统的分类 4 对自动控制系统的基本要求
自动控制的一般概念>>自动控制的基本原理与方式
1.1 自动控制技术及其应用
所谓自动控制，是指在没 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），使机器、设备 或生产过程（统称被控对象） 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。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
反馈测量元件
图1-5 微型计算机控制机床（闭环系统）
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
a、 按信号的传递路径来分 b、按系统输入信号的变化规律不同来分 c、按系统传输信号的性质来分 d、按描述系统的数学模型不同来分
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
按信号的传递路径来分
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对
系统的控制作用不发生影响的系统。如工业上使用的数 字程序控制机床，参见图1-3。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
历史回顾
※ 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。
※1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
※1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳 态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
合
制与设计
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论
复变函数 拉氏变换
模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制理论
微积分
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
1.3 反馈控制原理
定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存 在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输 入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态） 之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之 上的。
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-4 微型计算机控制机床（开环系统）
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系 统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的 被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构 步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的 要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不 能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来 未知干扰都会影响系统精度的。
自动控制的一般概念>>自动控制系统的分类
2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫闭环
控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语 的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差如图1-4所示。
1.2 自动控制理论
• 古典控制理论
以传递函数为基础研究 单输入-单输出一类定 常控制系统的分析与 设计问题。这些理论 由于其发展较早，现 已臻成熟。
• 现代控制理论
以状态空间法为基础， 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。系统具有高精 度和高效能的特点。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
※20世纪60年代，数字计算机的出现为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年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
※从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ 控制及其相关课题。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频Fra Baidu bibliotek法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控