第一章 反馈控制系统的基本概念
§ 1-1 自动控制系统的基本方式◎
§ 1-2 反馈控制系统的概念◎
§ 1-3 自动控制系统的性能要求 ◎
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§ 1-1 自动控制的基本方式
1,开环控制系统
控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。
(1)按给定值进行控制 Fig.1-1a◎
(2)按扰动补偿进行控制 Fig.1-1b◎
2．闭环控制系统 Fig.1-2◎
控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输
出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送
回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为 反
馈控制 。
返回本章
§ 1-1 自动控制的基本方式
3．复合控制 Fig.1-3◎
在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。
开环控制 —— 粗调
闭环控制 —— 细调
返回本节
§ 1-2 反馈控制系统的概念
1,反馈控制系统的组成◎
2,反馈控制系统的结构方框图◎
3,反馈控制系统的分类◎
返回本章
1,反馈控制系统的组成
1,控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出
就是指被控对象的输出（或称被控量）。
2,控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，
送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输
入。偏差 =设定值－测量值
3,执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动
调节机构，作用于被控对象。
4,测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即
被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节
器，作为反馈信号。
Fig.1-5a◎
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2,反馈控制系统的结构框图
特点,
（ 1）信号传递的单向性；
（ 2）闭合回路（闭环系统）；
（ 3）负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反
之,则为正反馈。
（ 4）控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。
Fig.1-6◎
若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为
基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪
表。
返回本节
3,反馈控制系统的分类
1,按给定值的形式：
（ 1）定值控制；（ 2）程序控制；（ 3）随动控制。
2,按动作方式：
（ 1）连续控制；（ 2）断续控制（双位控制或多位控制）
3,按控制精度,（ 1）有差调节；（ 2）无差调节
4,按变量数,（ 1）单变量控制；（ 2）多变量控制
5,按系统性质,（ 1）线性控制系统；（ 2）非线性控制系统
6,按应用理论：
（ 1）基于经典理论的控制；
（ 2）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）；
（ 3）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制） 返回本节
§ 1-3 自动控制的性能要求
1．自动控制系统的稳态和动态
稳态 —— 被控量不随时间而变化的平衡状态（也称静态）
动态 —— 被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态）
稳态（平衡） 动态过程
扰动变化
平衡破坏
控制作用
克服扰动影响
新稳态（平衡）
返回本章
§ 1-3 自动控制的性能要求
2．自动控制系统的过渡过程
自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，
或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。 Fig.1-8◎
根据过渡过程的特点，控制系统可分为：
（ 1）发散过程
（ 2）等幅振荡过程 Fig.1-14◎
（ 3）衰减过程
（ 4）非周期过程
其中,（ 1）、（ 2）称为不稳定过程；（ 3）、（ 4）称为
稳定过程。
返回本节
3．自动控制系统的典型输入信号
为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：
（ 1）阶跃输入,Fig.1-9◎
（ 2）速度输入, Fig.1-10◎
（ 3）加速度输入,Fig.1-11◎
（ 4）脉冲输入,Fig.1-12◎
（ 5）正弦输入,Fig.1-13◎
其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
§ 1-3 自动控制的性能要求
返回本节
4．自动控制系统过渡过程的性能要求
方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系
统过渡过程的各项性能指标。
采用阶跃输入的原因：
（ 1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）；
（ 2）阶跃信号的数学处理比较简单；
（ 3）阶跃输入对系统的工作最为不利。
评定系统过渡过程性能指标的三个方面：
（ 1）稳定性；（ 2）准确性；（ 3）快速性。
§ 1-3 自动控制的性能要求
返回本节
4．自动控制系统过渡过程的性能要求
1）过渡过程评定指标
（ 1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实
际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。
评定指标：衰减率,衰减比 N
（ a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；
fig.1-15◎
（ b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。
fig.1-16 ◎
返回本节
?
§ 1-3 自动控制的性能要求
4．自动控制系统过渡过程的性能要求
（ 2）准确性：被控量偏离给定值的程度
评定指标：
（ a）定值控制系统：最大动态偏差 emax；静态偏差 Δys
fig.1-15 ◎
（ b）随动控制系统：最大动态偏差 emax；超调量 δ；静态偏
差 Δys 。 fig.1-16 ◎
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
（ 3）快速性：
评定指标：过渡过程时间 ts—— 从扰动发生到被控量又重新
趋于稳定达到新的平衡态所需的时间
此外还有振荡频率、振荡次数等
fig.1-15 ◎ fig.1-16 ◎
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
3）过渡过程的性能指标的要求：
（ 1）定值控制：
（ a）动态偏差和静态偏差要小；
（ b）衰减率最好在 0.75~0.9之间；
（ c）过渡过程时间要短
（ 2）随动控制：
（ a）超调量要小；
（ b）过渡过程时间要短；
（ c）振荡次数要少
§ 1-3 自动控制的性能要求
返回本节
图 1-1 液位开环控制系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
控制器电动机
图 1-1 液位开环控制系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
控制器
电动机
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
+E
浮子
控制器电动机
图 1-2 液位控制闭环系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
+E
浮子
控制器电动机
图 1-3 液位复合控制系统示意图
控制器 控制器
fig.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程
冷却器
三通阀
淡水泵
主
机
眼
脑
手
海水入口海水出口
手动控制过程
Fig.1-5b◎
fig.1-5b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程
冷却器
三通阀
淡水泵
主
机
手
海水入口海水出口
自动控制过程
温度变送器
调节器
执行机构
Fig.1-5◎
fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统
温度变
送器
控制器
伺服放
大器 执行器 蝶阀机构 温度传感器
fig.1-6 自动控制系统结构方框图
控制
单元
执行
单元
控制
对象
测量
单元
p(t) q(t) y(t)
b(t)
r(t) e(t)
+-
e(t)—— 偏差信号 e(t)=r(t)-b(t)
y(t)—— 被控量
p(t)—— 控制量
f(t)—— 扰动量
f(t)
fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线
y
t
平衡
状态
过渡过程
平衡状态
fig.1-14 过程曲线基本类型
(a) (b)
(c) (d)
fig.1-9
t
r(t)
0
R
t
r(t)
0
Rt
t
r(t)
0
1/2Rt2
fig.1-10
fig.1-11
t
r(t)
fig.1-13
fig.1-12
r(t)
0
1/h
h
h→0 时，称为理想的单
位脉冲函数，记作 δ(t)。
r(t)
0
r(t)→∞
t t
h→0
fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线
y
t
t∞t0
y∞
Δys
y1
y2
y3
y0
根据衰减率 的大小可以判
定过渡过程的性质：
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
0 < < 1，为率减振荡过程
=1，为非周期过程
最佳衰减率,=0.75~0.9
emax
?
?
?
?
?
?
fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线
ts
tt
0
y∞
Δ
y1 y
2
y3
ymaxy
y0
Δysemax
fig.1-3 复合控制系统结构方框图
控制
装置
执行
机构
控制
对象
反馈
装置
被控量
给定
信号
+-
前馈
装置
扰动
补偿
外部
扰动
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§ 1-3 自动控制系统的性能要求 ◎
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§ 1-1 自动控制的基本方式
1,开环控制系统
控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。
(1)按给定值进行控制 Fig.1-1a◎
(2)按扰动补偿进行控制 Fig.1-1b◎
2．闭环控制系统 Fig.1-2◎
控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输
出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送
回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为 反
馈控制 。
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§ 1-1 自动控制的基本方式
3．复合控制 Fig.1-3◎
在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。
开环控制 —— 粗调
闭环控制 —— 细调
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§ 1-2 反馈控制系统的概念
1,反馈控制系统的组成◎
2,反馈控制系统的结构方框图◎
3,反馈控制系统的分类◎
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1,反馈控制系统的组成
1,控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出
就是指被控对象的输出（或称被控量）。
2,控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，
送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输
入。偏差 =设定值－测量值
3,执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动
调节机构，作用于被控对象。
4,测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即
被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节
器，作为反馈信号。
Fig.1-5a◎
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2,反馈控制系统的结构框图
特点,
（ 1）信号传递的单向性；
（ 2）闭合回路（闭环系统）；
（ 3）负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反
之,则为正反馈。
（ 4）控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。
Fig.1-6◎
若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为
基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪
表。
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3,反馈控制系统的分类
1,按给定值的形式：
（ 1）定值控制；（ 2）程序控制；（ 3）随动控制。
2,按动作方式：
（ 1）连续控制；（ 2）断续控制（双位控制或多位控制）
3,按控制精度,（ 1）有差调节；（ 2）无差调节
4,按变量数,（ 1）单变量控制；（ 2）多变量控制
5,按系统性质,（ 1）线性控制系统；（ 2）非线性控制系统
6,按应用理论：
（ 1）基于经典理论的控制；
（ 2）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）；
（ 3）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制） 返回本节
§ 1-3 自动控制的性能要求
1．自动控制系统的稳态和动态
稳态 —— 被控量不随时间而变化的平衡状态（也称静态）
动态 —— 被控量随时间而变化的不平衡状态（也称瞬态）
稳态（平衡） 动态过程
扰动变化
平衡破坏
控制作用
克服扰动影响
新稳态（平衡）
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§ 1-3 自动控制的性能要求
2．自动控制系统的过渡过程
自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，
或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。 Fig.1-8◎
根据过渡过程的特点，控制系统可分为：
（ 1）发散过程
（ 2）等幅振荡过程 Fig.1-14◎
（ 3）衰减过程
（ 4）非周期过程
其中,（ 1）、（ 2）称为不稳定过程；（ 3）、（ 4）称为
稳定过程。
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3．自动控制系统的典型输入信号
为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：
（ 1）阶跃输入,Fig.1-9◎
（ 2）速度输入, Fig.1-10◎
（ 3）加速度输入,Fig.1-11◎
（ 4）脉冲输入,Fig.1-12◎
（ 5）正弦输入,Fig.1-13◎
其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系
统过渡过程的各项性能指标。
采用阶跃输入的原因：
（ 1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）；
（ 2）阶跃信号的数学处理比较简单；
（ 3）阶跃输入对系统的工作最为不利。
评定系统过渡过程性能指标的三个方面：
（ 1）稳定性；（ 2）准确性；（ 3）快速性。
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
1）过渡过程评定指标
（ 1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实
际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。
评定指标：衰减率,衰减比 N
（ a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；
fig.1-15◎
（ b）随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。
fig.1-16 ◎
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?
§ 1-3 自动控制的性能要求
4．自动控制系统过渡过程的性能要求
（ 2）准确性：被控量偏离给定值的程度
评定指标：
（ a）定值控制系统：最大动态偏差 emax；静态偏差 Δys
fig.1-15 ◎
（ b）随动控制系统：最大动态偏差 emax；超调量 δ；静态偏
差 Δys 。 fig.1-16 ◎
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
（ 3）快速性：
评定指标：过渡过程时间 ts—— 从扰动发生到被控量又重新
趋于稳定达到新的平衡态所需的时间
此外还有振荡频率、振荡次数等
fig.1-15 ◎ fig.1-16 ◎
§ 1-3 自动控制的性能要求
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4．自动控制系统过渡过程的性能要求
3）过渡过程的性能指标的要求：
（ 1）定值控制：
（ a）动态偏差和静态偏差要小；
（ b）衰减率最好在 0.75~0.9之间；
（ c）过渡过程时间要短
（ 2）随动控制：
（ a）超调量要小；
（ b）过渡过程时间要短；
（ c）振荡次数要少
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图 1-1 液位开环控制系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
控制器电动机
图 1-1 液位开环控制系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
控制器
电动机
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
+E
浮子
控制器电动机
图 1-2 液位控制闭环系统示意图
Q1
V2
Q2
V1HF
+E
+E
浮子
控制器电动机
图 1-3 液位复合控制系统示意图
控制器 控制器
fig.1-5a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程
冷却器
三通阀
淡水泵
主
机
眼
脑
手
海水入口海水出口
手动控制过程
Fig.1-5b◎
fig.1-5b 柴油机气缸冷却水温度自动控制过程
冷却器
三通阀
淡水泵
主
机
手
海水入口海水出口
自动控制过程
温度变送器
调节器
执行机构
Fig.1-5◎
fig.1-5 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统
温度变
送器
控制器
伺服放
大器 执行器 蝶阀机构 温度传感器
fig.1-6 自动控制系统结构方框图
控制
单元
执行
单元
控制
对象
测量
单元
p(t) q(t) y(t)
b(t)
r(t) e(t)
+-
e(t)—— 偏差信号 e(t)=r(t)-b(t)
y(t)—— 被控量
p(t)—— 控制量
f(t)—— 扰动量
f(t)
fig.1-8 自动控制系统过渡过程曲线
y
t
平衡
状态
过渡过程
平衡状态
fig.1-14 过程曲线基本类型
(a) (b)
(c) (d)
fig.1-9
t
r(t)
0
R
t
r(t)
0
Rt
t
r(t)
0
1/2Rt2
fig.1-10
fig.1-11
t
r(t)
fig.1-13
fig.1-12
r(t)
0
1/h
h
h→0 时，称为理想的单
位脉冲函数，记作 δ(t)。
r(t)
0
r(t)→∞
t t
h→0
fig.1-15 自动控制系统过渡过程曲线
y
t
t∞t0
y∞
Δys
y1
y2
y3
y0
根据衰减率 的大小可以判
定过渡过程的性质：
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
0 < < 1，为率减振荡过程
=1，为非周期过程
最佳衰减率,=0.75~0.9
emax
?
?
?
?
?
?
fig.1-16 自动控制系统过渡过程曲线
ts
tt
0
y∞
Δ
y1 y
2
y3
ymaxy
y0
Δysemax
fig.1-3 复合控制系统结构方框图
控制
装置
执行
机构
控制
对象
反馈
装置
被控量
给定
信号
+-
前馈
装置
扰动
补偿
外部
扰动
