1
,自动控制原理,
上海交通大学自动化系
田作华
Zhtian@sjtu.edu.cn
2
,自动控制原理, 教材
1.,自动控制理论与设计, 上海交大出版社 徐薇莉等
(推荐教材 )
2.,控制理论基础, 科学出版社 王显正等
3.,自动控制系统, 高教出版社 汪小帆等
4.,Automatic Control System,Benjamin C,Kuo
（高教出版社 ）
3
第一章 绪论
1－ 1 概述
自动化（ Automation 或 Automatization ）
1,自动控制
就是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。
2,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。
4
1－ 2 自动控制理论的发展
2,现代控制理论
3,大系统理论
4,智能控制理论
?
?
?
?
?
采样控制理论
非线性控制理论
线性控制理论
经典控制理论.1
5
1－ 2 自动控制理论的发展
1、经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出 —— 单变量系统。
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。
2、现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出 —— 多变量系统。
如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏
板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
6
经典控制理论与现代控制理论比较
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
7
1－ 2 自动控制理论的发展
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 。
8
1－ 2 自动控制理论的发展
4,智能控制
这是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 。
学派,结构派 和 功能派
它是一门新兴的控制学科, 有些问题尚存有
争议, 然而由于它实用性强, 能运用人们的经验
与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题
（ 如建模等 ）, 因此得到了人们极大的重视, 。
9
1－ 3 自动控制系统的分类
一、按信号的传递路径来分类
1、开环控制系统
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。
图纸
程序
指令
（步进电机）
微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
10
1－ 3 自动控制系统的分类
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。
位移微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
反馈测量元件
图纸
11
1－ 3 自动控制系统的分类
二、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。 工业生产中的恒
温、恒压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）
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。
12
1－ 3 自动控制系统的分类
3、随动系统 （或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。 要求控制系统的
输出量跟随输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。
该系统要求有较好的跟踪能力。
13
1－ 3 自动控制系统的分类
三、按系统传输信号的性质来分类
1、连续系统
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
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传
递的控制系统。 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。
14
1－ 3 自动控制系统的分类
输入 输出
采样开关
+
_
()et ()et
?
保持器 被控过程
输入 输出+
_
AD DA计算机 放大器 执行器 被控对象
反馈装置
15
1－ 3 自动控制系统的分类
四、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。
c ( t )adtd c ( t )adt c ( t )dadt c ( t )da 011-n
1-n
1-n
1-nn
n
n
n ???? ?
r ( t )bdtd r ( t )bdt r ( t )dbdt r ( t )db 011-m
1-m
1-m
1-mm
m
m
m ????? ?
16
1－ 3 自动控制系统的分类
2、非线性系统
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。
17
1－ 3 自动控制系统的分类
? 分类小结
??
?
闭环系统
开环系统按传递路径.1
?
?
?
?
?
随动系统
程序控制系统
恒值控制系统
按控制作用.2
??
?
离散系统
连续系统按信号性质.3
??
?
非线性系统
线性系统按数学模型.4
18
1－ 4 反馈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。
输入 输出
控制系统
19
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
1,温控系统 ——人工控制
调压器
温度计
电热丝
炉子
220
20
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程,
输入信号
（期望炉温）
输出信号
（实际炉温）
脑
（计算、比较）
放大、执行
（手臂、手）
被控对象
（电热丝、炉子）
测量
（眼睛）
21
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
电 压
放 大 器
功 率
放 大 器
Eu?rubu +_
+
_
炉 子
热 电 偶
电 热 丝
给 定 信 号
电 动 机
减 速 器
调 压 器 220
+
_
2.温控系统 —— 自动控制
22
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程,
b
u
u?+
_
实际温度
电压放大器 功率放大器 炉子
热电偶
电机、减速器、
调压器
期望温度
ru
23
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 ——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。
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。
输入信号 输出信号
放大比较 执行 被控对象
测量
24
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
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
+
? ?
25
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
3,典型的反馈控制系统的结构图
输 入
信 号
偏 差
信 号
比 较 元 件
主 反 馈反 馈 信 号
输 出
信 号
+
_
()rt ()et()bt ()ct
控 制
元 件
放 大
元 件
执 行
元 件
被 控
对 象
反 馈 元 件
26
1.5 对控制系统的要求及典型信号
? 基本要求,
稳定性 稳态特性 动态特性 （稳、准、快）
? 典型信号,
1,脉冲信号
??
???
??
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?
hth
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0,1
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?
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t
t
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27
2.阶跃信号
3.斜坡信号
??
???
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0
00
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t)t(r
ssR
1)( ?
第四节 对控制系统的要求及典型信号
2
1)(
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?
?
?
?
?
?
0
00
)(
tat
t
tr
28
第四节 对控制系统的要求及典型信号
4,加速度信号
5,谐波信号
6,指数信号
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0
0
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1
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)( 2 ttattr 31)( ssR ?
,自动控制原理,
上海交通大学自动化系
田作华
Zhtian@sjtu.edu.cn
2
,自动控制原理, 教材
1.,自动控制理论与设计, 上海交大出版社 徐薇莉等
(推荐教材 )
2.,控制理论基础, 科学出版社 王显正等
3.,自动控制系统, 高教出版社 汪小帆等
4.,Automatic Control System,Benjamin C,Kuo
（高教出版社 ）
3
第一章 绪论
1－ 1 概述
自动化（ Automation 或 Automatization ）
1,自动控制
就是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。
2,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。
4
1－ 2 自动控制理论的发展
2,现代控制理论
3,大系统理论
4,智能控制理论
?
?
?
?
?
采样控制理论
非线性控制理论
线性控制理论
经典控制理论.1
5
1－ 2 自动控制理论的发展
1、经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出 —— 单变量系统。
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。
2、现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出 —— 多变量系统。
如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏
板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
6
经典控制理论与现代控制理论比较
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
7
1－ 2 自动控制理论的发展
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 。
8
1－ 2 自动控制理论的发展
4,智能控制
这是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 。
学派,结构派 和 功能派
它是一门新兴的控制学科, 有些问题尚存有
争议, 然而由于它实用性强, 能运用人们的经验
与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题
（ 如建模等 ）, 因此得到了人们极大的重视, 。
9
1－ 3 自动控制系统的分类
一、按信号的传递路径来分类
1、开环控制系统
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。
图纸
程序
指令
（步进电机）
微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
10
1－ 3 自动控制系统的分类
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。
位移微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
反馈测量元件
图纸
11
1－ 3 自动控制系统的分类
二、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。 工业生产中的恒
温、恒压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）
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。
12
1－ 3 自动控制系统的分类
3、随动系统 （或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。 要求控制系统的
输出量跟随输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。
该系统要求有较好的跟踪能力。
13
1－ 3 自动控制系统的分类
三、按系统传输信号的性质来分类
1、连续系统
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
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传
递的控制系统。 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。
14
1－ 3 自动控制系统的分类
输入 输出
采样开关
+
_
()et ()et
?
保持器 被控过程
输入 输出+
_
AD DA计算机 放大器 执行器 被控对象
反馈装置
15
1－ 3 自动控制系统的分类
四、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。
c ( t )adtd c ( t )adt c ( t )dadt c ( t )da 011-n
1-n
1-n
1-nn
n
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r ( t )bdtd r ( t )bdt r ( t )dbdt r ( t )db 011-m
1-m
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1-mm
m
m
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16
1－ 3 自动控制系统的分类
2、非线性系统
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。
17
1－ 3 自动控制系统的分类
? 分类小结
??
?
闭环系统
开环系统按传递路径.1
?
?
?
?
?
随动系统
程序控制系统
恒值控制系统
按控制作用.2
??
?
离散系统
连续系统按信号性质.3
??
?
非线性系统
线性系统按数学模型.4
18
1－ 4 反馈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。
输入 输出
控制系统
19
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
1,温控系统 ——人工控制
调压器
温度计
电热丝
炉子
220
20
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程,
输入信号
（期望炉温）
输出信号
（实际炉温）
脑
（计算、比较）
放大、执行
（手臂、手）
被控对象
（电热丝、炉子）
测量
（眼睛）
21
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
电 压
放 大 器
功 率
放 大 器
Eu?rubu +_
+
_
炉 子
热 电 偶
电 热 丝
给 定 信 号
电 动 机
减 速 器
调 压 器 220
+
_
2.温控系统 —— 自动控制
22
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程,
b
u
u?+
_
实际温度
电压放大器 功率放大器 炉子
热电偶
电机、减速器、
调压器
期望温度
ru
23
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 ——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。
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。
输入信号 输出信号
放大比较 执行 被控对象
测量
24
1－ 4 反馈控制系统的基本组成
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
+
? ?
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1－ 4 反馈控制系统的基本组成
3,典型的反馈控制系统的结构图
输 入
信 号
偏 差
信 号
比 较 元 件
主 反 馈反 馈 信 号
输 出
信 号
+
_
()rt ()et()bt ()ct
控 制
元 件
放 大
元 件
执 行
元 件
被 控
对 象
反 馈 元 件
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1.5 对控制系统的要求及典型信号
? 基本要求,
稳定性 稳态特性 动态特性 （稳、准、快）
? 典型信号,
1,脉冲信号
??
???
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0,,0
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2.阶跃信号
3.斜坡信号
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第四节 对控制系统的要求及典型信号
2
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第四节 对控制系统的要求及典型信号
4,加速度信号
5,谐波信号
6,指数信号
??
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