第1章自动控制系统简介
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❖ 了解自动控制系统类型的划分方法 ❖ 理解良好的控制系统应具备的特征 ❖ 掌握开环控制系统与闭环控制系统的特征与区别 ❖ 掌握自动控制系统的组成与工作原理
1.1 自动控制系统概述
❖ 自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各 个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高 科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在 某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研 究分析、设计自动控制系统的基本方法。
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
❖ 数学基础宽而深 ❖ 控制原理抽象 ❖ 计算复杂且繁琐 ❖ 绘图困难
ax2 bx c d
计算机数学语言 MATLAB
数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论
控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
本章学习目标
• 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论 的开端。
经典控制理论的孕育
• 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 • 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 • 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个
稳定判据。 • 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 • 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解 释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大 约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控
制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从
而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控 制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征 根的实部的正、负号问题。
第一章 自动控制系统 简介
1.1 自动控制系统概述 1.2 开环控制与闭环控制 1.3 自动控制系统的组成与工作原理 1.4 自动控制系统的类型 1.5 对自动控制系统的基本要求
引言
控制理论：
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制原理 控制理论体系
自动控制技术应用
自动控制系统
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传感 器检测房间的温度高低，空调控制 器将检测的温度与设定值进行比较， 若温度低于设定值的下限，则使压 缩机运行，温度上升，温度上升到 设定值的上限时则停止运行。
空调运行基于反馈信息（温度测 量值），属于 “反馈控制”，最为 常见。
液位人工控制系统
1.1.1 自动控制发展简史
❖ 中国古代自动化方面的成就：
❖ 公元前14世纪至前11世纪，中 国、埃及和巴比伦出现自动计 时漏壶；
❖ 公元130年，张衡发明水运浑 象，132年研制出自动测量地 震的候风地动仪；
❖ 公元235年，马钧研制出用齿 轮传动自动指示方向的指南车， 类似按扰动补偿的自控系统；
课程的性质和特点
❖ 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建 立、分析与设计。
❖ 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控制理论 的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。
信号与系统 电路理论
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推动 蒸汽机的应用，促进 了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
关 汽阀联结器
开 汽轮机轴
调节器轴 套环
飞球调节器原理图
没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！
• 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。 其它自动控制系统也有类似现象。
❖ 实例（示意图）
人工（手动）控制：
（1）对象：储液系统
（2）目标：液位
（3）眼睛：观察液位变 化
（4）大脑：分析、比较、 判断
（5）手/脚：动作执行
液位自动控制系统
❖ 实例（示意图）
信号驱动设备
传 感 器
信号
自动控制：
（1）对象：储液系统
（2）目标：液位
（3）传感器：检测液位 变化
（4）控制器：控制功能
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
Βιβλιοθήκη Baidu
雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把 雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
❖ 本章主要讲什么内容? ❖ 从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、
设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概 念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理 论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹
现代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和 “大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目 标
（5）执行器：完成控制 动作
控制原理框图（控制理念）
大脑 （控制器）
手脚 （执行器）
对象
眼睛 （传感器）
控制器
执行装置 测量装置
控制 对象
1.1.3 自动控制系统术语
❖ 自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用 控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作 机械（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。
制研究直接推动了经典控制的发展。
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制 理论，标志控制学科的诞生。
维纳成为控制论的创始人！
●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元件组 合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新 科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热 量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这 些因素是十分重要的。
● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分 之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运 动状态。
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。
❖ 令人的体温保持在37℃的自动温控系统 ❖ 心跳控制系统 ❖ 眼球聚焦系统 ❖ 温控系统 ❖ 汽车自动导航控制系统 ❖ 电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客
1.1 自动控制系统概述
❖ 自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各 个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高 科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在 某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研 究分析、设计自动控制系统的基本方法。
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
❖ 数学基础宽而深 ❖ 控制原理抽象 ❖ 计算复杂且繁琐 ❖ 绘图困难
ax2 bx c d
计算机数学语言 MATLAB
数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论
控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
本章学习目标
• 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论 的开端。
经典控制理论的孕育
• 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 • 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 • 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个
稳定判据。 • 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 • 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解 释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大 约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控
制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从
而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控 制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征 根的实部的正、负号问题。
第一章 自动控制系统 简介
1.1 自动控制系统概述 1.2 开环控制与闭环控制 1.3 自动控制系统的组成与工作原理 1.4 自动控制系统的类型 1.5 对自动控制系统的基本要求
引言
控制理论：
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制原理 控制理论体系
自动控制技术应用
自动控制系统
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传感 器检测房间的温度高低，空调控制 器将检测的温度与设定值进行比较， 若温度低于设定值的下限，则使压 缩机运行，温度上升，温度上升到 设定值的上限时则停止运行。
空调运行基于反馈信息（温度测 量值），属于 “反馈控制”，最为 常见。
液位人工控制系统
1.1.1 自动控制发展简史
❖ 中国古代自动化方面的成就：
❖ 公元前14世纪至前11世纪，中 国、埃及和巴比伦出现自动计 时漏壶；
❖ 公元130年，张衡发明水运浑 象，132年研制出自动测量地 震的候风地动仪；
❖ 公元235年，马钧研制出用齿 轮传动自动指示方向的指南车， 类似按扰动补偿的自控系统；
课程的性质和特点
❖ 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建 立、分析与设计。
❖ 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控制理论 的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。
信号与系统 电路理论
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推动 蒸汽机的应用，促进 了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
关 汽阀联结器
开 汽轮机轴
调节器轴 套环
飞球调节器原理图
没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！
• 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。 其它自动控制系统也有类似现象。
❖ 实例（示意图）
人工（手动）控制：
（1）对象：储液系统
（2）目标：液位
（3）眼睛：观察液位变 化
（4）大脑：分析、比较、 判断
（5）手/脚：动作执行
液位自动控制系统
❖ 实例（示意图）
信号驱动设备
传 感 器
信号
自动控制：
（1）对象：储液系统
（2）目标：液位
（3）传感器：检测液位 变化
（4）控制器：控制功能
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
Βιβλιοθήκη Baidu
雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把 雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
❖ 本章主要讲什么内容? ❖ 从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、
设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概 念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理 论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹
现代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和 “大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目 标
（5）执行器：完成控制 动作
控制原理框图（控制理念）
大脑 （控制器）
手脚 （执行器）
对象
眼睛 （传感器）
控制器
执行装置 测量装置
控制 对象
1.1.3 自动控制系统术语
❖ 自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用 控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作 机械（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。
制研究直接推动了经典控制的发展。
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制 理论，标志控制学科的诞生。
维纳成为控制论的创始人！
●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元件组 合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新 科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热 量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这 些因素是十分重要的。
● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分 之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运 动状态。
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。
❖ 令人的体温保持在37℃的自动温控系统 ❖ 心跳控制系统 ❖ 眼球聚焦系统 ❖ 温控系统 ❖ 汽车自动导航控制系统 ❖ 电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客