自动控制原理 自动化科学与电气工程学院 宋华

课程类别 本课程是自动控制相关专业的重要技术基础课和骨干课，通过学习要求系统地掌握自动控制的理论基础（基本概念，基本方法，基本规律），并具备对简单系统进行定性分析、定量估算和动态仿真的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。

先修课程 高等数学 普通物理 线性代数 复变函数与积分变换 电路 电子技术基础 C语言程序设计

主要内容 第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性连续系统的时域分析 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频率特性分析 第六章 线性系统的校正 第七章 非线性系统分析 第八章 采样系统理论 第九章 状态空间分析法

教学形式 课堂授课 实验 课外答疑 课外作业

讲义 主要教材： 程鹏主编，自动控制原理，高等教育出版社。 参考教材：Richard C. Dorf & Robert H. Bishop, Modern Control Systems（英文影印版）, 科学出版社出版。

中文参考书 胡寿松主编，自动控制原理，国防工业出版社，1984。 李友善主编，自动控制原理，国防工业出版社，1989。 吴麒主编，自动控制原理，清华大学出版社，1990。 孙虎章主编，自动控制原理，中央广播电视大学出版社，1984。

英文参考书 John.J.D’Azzo,Linear Control System Analysis and Design,Fourth Edition,清华大学出版社，McGraw-Hill,Dec,2000 Benjamin C. Kuo，Automatic Control System, seventh edition, Prentice Hall, Inc. 1975. Ogata，Katsuhiko,Modern Control Engineering，third edition, Prentice Hall, Inc. 1997.

考试 笔试 成绩：实验+期末考试

第一章 绪论 1-1 自动控制的一般概念 1-2 自动控制理论的研究内容及发展趋势 1-3 自动控制的基本组成 1-4 自动控制的基本方式 第一章 绪论 1-1 自动控制的一般概念 1-2 自动控制理论的研究内容及发展趋势 1-3 自动控制的基本组成 1-4 自动控制的基本方式 1-5 对控制系统的性能要求

1-1 自动控制的一般概念 什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？ 自动控制主要研究和解决什么问题？

控制的含义 控制（CONTROL）----某个主体使某个客体按照一定的目的动作 主体---人：人工控制； 机器：自动控制 客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。 物体--飞船，电炉（飞船控制） 装置--锅炉，汽机（锅炉控制） 过程--燃烧，传动（燃烧控制） 系统--电力，化工，冶金（电力控制）

人工控制与自动控制 电饭煲 煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 空调 汽轮机转速控制 自行车速度控制 汽车驾驶 导弹飞行控制 收音机音量调节 声控光控路灯 煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节

人工控制的恒值水位系统 将水位的要求值(期望水位值)牢记在大脑中。 用眼睛和测量工具测量水池实际水位。 将期望水位与实际水位进行比较、计算、从而得出误差值。 按照误差的大小和正负性质，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门，所谓正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。

上述人工控制的过程就是测量、求偏差、再实施控制以纠正偏差的过程，也就是检测偏差用以纠正偏差的过程。 对于上述人工控制的系统，如果能找到一个控制装置(也称控制器)来代替人的职能，它就可以变成一个自动控制系统。

自动控制的恒值水位系统 用连杆的长度标定好水位的期望值。 当水位超过或低于期望值时，其水位误差被浮子检测出来， 通过杠杆作用于进水阀，从而产生控制作用。 按减小误差的方向控制进水阀门的开度。

人工控制和自动控制的区别： 生产作业务中的机器人 执行机构=人手 测量装置=人的眼睛 控制器=人脑 眼睛/传感器--检测偏差 纠正偏差__手动操作/自动调整 调节过程=控制 生产作业务中的机器人

自动控制的一般概念 自动控制 指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。 另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。

自动化的核心是“控制” （机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。） 自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定 规律组成的具有特定功能的整体。 例：交通控制、水位控制、无人机系统 自动化的核心是“控制” （机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。） ① 人手（脚）的延伸——动力方面的自动化技术 ② 人脑的延伸——信息处理方面的自动化技术

自动控制实例 历史上的自动控制 公元前我国的自动计时漏壶 公元132年张衡研制的候风地动仪

公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车

1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器

1913年美国建成最早的 汽车装配流水线 1952年美国MIT研制出第一台数控机床

1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功 1954年第一台工业机器人

现代自动控制系统应用 装配机器人 汽车自动焊接生产线

自动搬运车

机器人足球比赛 月球车

空中飞艇 无人驾驶汽车

自动控制系统特点 无需人工直接干预 利用外加控制装置操纵被控对象 使被控量按照预定规律运行变化

很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续? 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？

1-2 自动控制理论的研究内容及发展趋势 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。 1-2 自动控制理论的研究内容及发展趋势 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。 既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。 从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段。

1-2 自动控制理论的发展 第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论，包括线性控制理论、非线性控制理论和采样控制理论）的产生、发展和成熟； 1-2 自动控制理论的发展 第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论，包括线性控制理论、非线性控制理论和采样控制理论）的产生、发展和成熟； 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：大系统控制理论的兴起和发展阶段； 第四阶段：智能控制理论发展阶段。

经典控制理论 经典控制理论是指20世纪50年代末期所发展形成的理论体系。 经典控制理论主要是研究单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题 其理论基础是描述系统输入—输出关系的传递函数， 主要采用时域分析方法和频域分析方法。

经典控制理论 1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。 1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。 二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。

经典控制理论的基本特征 （1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。

现代控制理论 现代控制理论是在20世纪60年代初期，为适应更复杂系统的设计，研究具有高性能、高精度的多输入-多输出系统而出现的新的控制理论。 1960年 美 R.E.Kalman成功地应用了状态空间法，提出能控、能观新概念。 1961年 庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。 1965年 R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。 对线性或非线性系统，定常或时变系统，单变量或多变量系统，都是一种有效的分析方法。

经典控制理论 与 现代控制理论 项目 经典控制理论 现代控制理论 研究对象 线性定常系统 （单输入、单输出） 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法 传递函数 （输入、输出描述） 向量空间 （状态空间描述） 研究办法 根轨迹法和频率法 状态空间法 研究目标 系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合。 揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计。

3、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有 规模庞大、结构复杂、 功能综合、目标多样、 因素众多 等特点。 它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。

4、智能控制 近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。 它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子,而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。 智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。

本课程主要内容 经典控制理论 现代控制理论基础 解决两个问题：分析与综合

学习自动控制理论解决两个问题： 如何分析给定控制系统的工作原理和控制性能 如何根据实际需要来进行各种实际控制系统的设计 最终使用机、电、液、光、信等设备来实现

1－3 自动控制系统的基本组成 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 1－3 自动控制系统的基本组成 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。

信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示 输入信号 进入方框的信号 输出信号 离开方框的信号 方框图的有关概念 信号线 方框 输入信号 输出信号 方框 控制装置和被控对象分别用方框表示 信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示 输入信号 进入方框的信号 输出信号 离开方框的信号

1－3 控制系统的基本组成 例1. a.温度——人工控制

1－3 控制系统的基本组成 控制目标： 炉子的温度恒定在期望的数值上。

1－3 控制系统的基本组成 b.温度—— 自动控制

1－3 控制系统的基本组成

1－3 控制系统的基本组成 输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 1－3 控制系统的基本组成 输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。

1－3 控制系统的基本组成 例2：火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机” + _ 受信仪 放大器 减速器 校正装置 检测装置 电机 ·

自动控制系统的组成 比较 执行 测量 被控对象 实测值 干扰 自动控制方框图

自动控制系统的组成 由控制器与被控对象组成,控制器是系统中对被控对象起控制作用的各部分的总称。

控制系统中的常用术语 比较 执行 被控对象 给定量(输入量)：系统输出量的要求值。 被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量。 测量 被控对象 实测值 干扰 控制系统中的常用术语 给定量(输入量)：系统输出量的要求值。 被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量。 反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定 量有相同量纲和数量级的信号。 偏差量：给定量与主反馈量之差。 控制量：作用于被控对象的信号。 扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量。 被控对象：被控制的机器、设备或生产过程 。

自动控制的任务 使被控对象的被控量等于给定值 控制器 气动阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统

控制任务： 维持水箱内水位恒定； 控制装置： 气动阀门、控制器； 受控对象： 水箱、供水系统； 被控量： 水箱内水位的高度；

给定值： 控制器刻度盘指针标定的预定水位高度； 测量装置： 浮子； 比较装置： 控制器刻度盘； 干扰： 水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；

自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。

控制系统的分类 1、开环控制系统 A、按信号的传递路径来分类 特点：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。

2、闭环控制系统（反馈控制系统） 特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。

内燃机转速控制系统 应用瓦特式转速调节器 的内燃机转速控制系统

B、按系统的控制作用来分类 1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值；控制的任务就是抑制各种干扰因素的影响，使被控量也维持固定。工业生产中的恒温、恒压、流量和液位等自动控制系统都属于这一类型。

2、过程控制系统（或称程序控制系统） 输入信号按照预定的规律变化，并要求被控量也按照同样的规律变化 特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按 预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。

3、随动系统（或称伺服系统） 此类系统中，输入信号的变化规律是预先不能确定的，并要求被控量精确地跟随输入量变化 特点：输入信号是一个未知函数。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。

C、按系统传输信号的性质来分类 1、连续系统：所有信号的变化均为时间T的连续函数，运动规律可用微分方程来描述。 特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统 至少有一处信号是脉冲序列或数字量， 运动规律必须用差分方程来描述, 如果用计算机实现采样和控制，则称为数字控制系统。 系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。

特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式： D、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：   式中：r(t)——系统输入量； c(t)——系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。

2、非线性系统 其他的分类方法： 特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无 通用的方法可以解决各类非线性系统。 其他的分类方法： 按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。

分类小结

1-4 自动控制的基本方式 比较 执行 测量 被控对象 实测值 干扰 给定值H 被控量 自动控制方框图

比较 执行 被控对象 在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。 测量元件：用以测量被控量或干扰量。 比较元件：将被控量与给定值进行比较。 执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操 　　　　　　纵被控对象　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。 比较 执行 测量 被控对象 实测值 干扰

开环控制 按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制 闭环控制 复合控制 根据不同的信号源的自动控制的几种基本控制方式 开环控制和闭环控制是自动控制系统两种最基本的控制形式。 复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式，可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。

开环控制 开环控制是指系统的被控量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。 即：开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。 控制装置 被控对象 输入量 输出量 控制作用的传递路径不是闭合的, 故称为开环。

开环控制系统例子 被控制对象：炉子 被控制量（输出量）：炉温 控制装置：开关K和电热丝，对 被控制量起控制作用。

开环控制的特点 优点：线路简单、成本低、工作稳定。 缺点：控制精度低。 (1) 输入量产生控制作用影响输出量的变化； (2) 输出量对输入产生的控制作用没有影响； 因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。 优点：线路简单、成本低、工作稳定。 缺点：控制精度低。 开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测,控制精度要求不高的场合.

开环控制又有两种方式， 即用给定值操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式。 开环控制系统是指系统的输出端与输入端不存在反馈关系、系统的输出量对控制作用不发生影响 既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有逆向联系 开环控制又有两种方式， 即用给定值操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式。

一、按给定值操纵的开环控制 干扰 给定值 被控量 计算 执行 受控对象 按给定值操纵的开环控制系统原理方框图 属于典型的开环控制方式。

V+ n ug Ud 电动机 ~ 负载 功放k 图 直流电动机转速控制系统 转速 滑臂位置   Ud n ~ ug V+ 电动机 负载 图 直流电动机转速控制系统 滑臂位置 转速 电位器 功率放大器 电动机 图 直流电动机转速控制方框图 图中直流电动机, 要求带动负载以一定的转速转动。其电枢电压由功率放大器提供。当调节电位器滑臂位置时, 可以改变功率放大器的输入电压, 从而改变电动机的电枢电压, 最终改变电动机的转速。以上的控制过程, 可用方框图简单直观地表示成图 1-4 的形式。 控制信息的传递过程是由输入端沿箭头方向逐级传向输出端。控制作用直接由系统的输入量产生。给定一个输入量, 就有一个输出量与之相应。控制精度完全取决于信息传递过程中所用元件性能的优劣及校准的精度 按给定控制方式的,控制的精度, 是不能由输入值来保证的。 假如输入值不变, 原则上希望输出转速保持相应的恒定值,其他的干扰因素不要影响输出的状态。但实际情况往往不是这样, 当系统受到外界扰动时, 例如电动机的负载增大, 即使电位器的位置按控制指令不变, 输出转速仍要跟着下降。 自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产线、数控机床及交通指挥红绿灯转换都是开环控制 由于开环控制结构简单、调整方便、成本低, 在国民经济各部门均有采用。 由于这一缺点 , 有些控制精度要求较高的场合 , 开环控制是不能满足要求的。

炉温控制系统 定时开关 电阻丝 炉子 炉温控制系统原理方框图

按给定值操纵的开环控制 在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。 特点：控制装置只按给定值来控制受控对象 当受控对象或控制装置受到干扰， 或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时， 系统不能进行自动补偿， 所以控制精度难以保证。 缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。 优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。 在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。

二、按干扰补偿的开环控制 定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。 前馈控制器 扰动量 补偿器 输出 输入 控制器 被控对象 扰动量 输入 输出 补偿器 + u 前馈控制器 原理上是把外界扰动看作系统的一种输入, 针对它将对系统输出产生的影响, 及时地施加一种相应的控制, 在干扰刚刚出现之初, 就立即给以相应的调节, 其作用是抵消扰动对输出的影响，起到抗干扰的作用。

水位高度控制系统原理图 水位高度控制系统原理方框图

二、按干扰补偿的开环控制 上例中对Q2和l2的干扰进行了补偿。若其他干扰，如进水管压力变化时，系统无补偿能力。 特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。 适用于：存在强可测干扰且变化比较剧烈的场合。

闭环控制 人作为闭环系统的方框图 手是被控对象，手的位置为被控量。 闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。

闭环控制 闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着(负)反馈的控制方式。 采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。

反馈的概念 反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。 若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。

闭环控制系统典型方框图

闭环控制的特点 闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。 在闭环控制中，被控量时时刻刻被检测，或者再经过信号变换，并通过反馈通道送回到比较元件和给定值进行比较。 闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环控制低。

日常生活过程中的反馈控制系统例子 例1.1 水箱水位控制

例1.2 锅炉水位控制系统 - 调节器 执行器 调节阀 汽包 变送器 测量水位PV 偏差 量 DV 控 制 调节 位移 MV 给 水 例1.2 锅炉水位控制系统 测量水位PV 偏差 量 DV 控 制 调节 位移 MV 给 水 反馈元件 实际 水位 设定 SV 调节器 执行器 调节阀 汽包 + - 变送器

闭环控制系统的基本组成 正反馈只在补偿控制中偶尔采用 “-”号表示负反馈，“+”号表示正反馈 系统中的主反馈及绝大多数局部反馈必须采用负反馈 闭环控制系统的典型结构 “-”号表示负反馈，“+”号表示正反馈 系统中的主反馈及绝大多数局部反馈必须采用负反馈 正反馈只在补偿控制中偶尔采用

各种组成环节的概念及其功能 (1)给定环节：产生给定(输入)信号的环节或元件，如调速系统的给定电位计(器)。 (2)反馈环节：对系统被控量或中间输出量进行测量并转换为与相应输入信号一致的反馈信号的环节或元件，它可以构成主反馈或局部反馈，如调速系统的测速电动机。 (3)比较环节：对系统输入量和反馈量进行加、减运算求取误差的环节或元件。 (4)放大环节：对偏差信号进行电压放大和功率放大的环节或元件，如各种放大器等。 (5)执行机构：直接对被控对象进行操作从而对系统产生实际控制作用的环节或元件，如执行电动机、过程调节阀等。 (6)校正环节：用于改善系统性能的环节，一般是电子电路形式，可以串联在前向通道，也可以构成局部反馈通道。 (7)被控对象：控制系统所要操纵的机器设备或生产过程，它的输出量即为系统的被控量，如恒温箱等.

闭环控制系统 优点：具有较强的抗干扰能力，控制精度高。 缺点：系统参数配合不当时，容易产生振荡甚至不稳定，使系统无法工作。

按偏差调节的闭环控制 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。 优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。 干扰 E 被控量 计算比较 执行 被控对象 － 测量 按偏差调节的系统原理方框图

如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。 这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。

飞机自动驾驶系统原理图

控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。 被控对象：飞机。 被控量： 飞机的俯仰角 。 被控量：　飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图

恒温箱自动控制系统

开环和闭环控制系统的特点比较 开环系统：结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。 闭环系统：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响，被控制量可能出现振荡， 严重时会使系统无法工作。

复合控制 特点：兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。 控制装置 被控对象 C R — 补偿装置 a.按输入作用补偿 n 控制装置 被控对象 C R — 补偿装置 特点：兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。 b.按扰动作用补偿

1-5 对控制系统的性能要求 定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程或过渡过程。 工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。

如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，则系统是不稳定的。 稳： 指动态过程的稳定性与平稳性 控制系统动态过程曲线 如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，则系统是不稳定的。

稳定性 :系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。

稳定性示意图

快： 指动态过程的快速性 快速性即动态过程进行的时间的长短, 被控量趋近希望值的快慢程度。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线①所示。 稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。

准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，也就是当系统过渡到新的平衡工作状态后， 被控量与希望值偏差的大小。是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。 以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。

稳、准、快、壮、省 稳：扰动下不发散 准： 与设定值的偏差小 快： 用最少的时间达到要求 壮： 适应宽范围工况 省： 控制能量最省，波动小，效率高

小结 自动控制的一般概念、自动控制示例 自动控制理论的研究内容及发展趋势： 经典控制理论——〉现代控制理论——〉 自动控制的基本组成： 大系统理论和智能控制理论 自动控制的基本组成： 输入部分、控制系统部分和输出部分 自动控制的基本方式：开环、闭环、复合 对控制系统的性能要求：快、准、稳

习题 1-1