自动控制原理
化工大学
主讲：曹柳林
总学时,112 上学期 64 下学期 48
化工过程控制原理 第 2版 浙江大学 周春晖
主编, 化学工业出版社, 1998年
? 自动控制原理（第四版）胡寿松主编，
国防工业出版社,2002年
? 自动控制原理 孙亮等主编，北京工业
大学出版社 1999年
控制原理例题习题集，周春晖，厉玉鸣主
编，化工出版社（归纳总结，例题分析）
自动控制原理实验指导书，本校自动
化系编
学习方式,
教 材,
参考书,
习题集,
实验指导书,
授课、习题、实验、考试
实验软件,
? MATLAB 语言与控制系统仿真,孙亮，北
京工业大学出版社,2001年
MATLAB 5.1,6.1
2、拉普拉斯变换、反变换
（ 1）求矩阵逆 伴随矩阵:~~1 A
A
AA ??
A（ 2） 矩阵行列式 →3 维
参考书,
数学知识
复习,
3、微分方程求解
4、复变函数留数定理（求部分分式展开）
1、线性代数－ 矩阵计算 （矩阵加、乘法）
?反馈控制系统设计与分析 - MATLAB语言
应用，清华大学出版社，薛定宇,2000年
控制原理学习网站,
第一章 自动控制系统概述
§ 1 引言
l 自动化定义,
l 自动控制系统,
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。 — 摘自中国大百科全书
由内部互相联系的 部件 按照 一
定规律 组成，能够完成 一定功能 的有机整体。
降低成本。
l 自动控制的目标,
l, 自动控制原理, 课程,
提高劳动生产率,
提高产品质量,
改善劳动条件,
节约能源,
基础理论，理论性强,
研究控制系统的一般规律,
设计自动控制系统。
§ 2 自动控制简史
2.1 经典控制理论
?古老的反馈控制思想
?40年代形成独立学科，机械化－自动化
?瓦特蒸汽机的离心调节器 — 自动控制
领域的第一项重大成果（ 18世纪中叶）
?中国古代发明
数学工具 — 线性微分方程和基于拉普拉斯变
换的传递函数
研究对象
三大分析方法,
研究对象和范围有限
— 单输入 — 单输出的线性定常系统
时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法
— 难于解决复杂问题，如时变，多变量等
2.2 现代控制理论
60年代始获得长足发展, 主要以分析和设计复杂
控制系统为目标 。
现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物 。
— 状态空间分析方法 数学工具
— 线性系统与非线性系统、定常系统
与时变系统、多输入 — 多输出系统等
研究对象
2.3先进控制与智能控制
主要研究方向,
人工神经元网络研究等
预测控制
模糊控制
自适应控制
多学科的融汇、贯通
§ 3 开环控制系统与闭环控制系统
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
控制量
输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣ 控制器 受控对象
开环控制系统
特点,缺点,
— 最简单的控制方式
● 系统结构简单、维护容易、
成本低、不存在稳定性问题
● 信号传递没有形成闭合回路
● 输出量不能对控制量产生
影响。
● 控制精度不高
● 系统抗干扰能力差
● 对元器件的要求
比较高
控制量 输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣
控制器 受控对象
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
闭环控制系统 — 反馈控制系统
l 反馈通路
负反馈与正反馈
控制系统一般采用负反馈
l 信号传递形成一个闭合回路
输入量与反馈量之差称为 偏差信号
控制量 输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣
控制器 受控对象
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
§ 4 自动控制与自动控制系统
4.1 自动控制系统的组成及定义
以自动化实验室水槽液位控制系统为例,
调节系统方块图
给定 流量 1 液位 1 液位 2
微机式
调节器 调节阀 水槽 1 水槽 2
变送器 1
﹣
自动控制系统的基本结构,
设定值
r
﹣
控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
1、控制系统的一些常用术语
被控对象
控制量
设定值（给定值）
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
是指被控制的装置或者设备。
希望系统输出达到的数值，一般用符号 r 表示。
施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定
的规律运行，一般用符号 u 表示。
被控变量
控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号 y 表示。
偏差信号
扰动信号
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号 e 表示。
使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号 f 表示。
2、控制系统的组成
定值元件
控制器
执行元件
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
用来产生设定值或参考输入。
或称调节器。通过一定的控制规律给出
控制量，送到执行元件。
完成功率转换或信号转换，常称为执
行机构或者执行器。
测量、变送元件 又称传感器, 用于检测被控对象的输出
量, 并变换成标准信号送到控制器 。
比较元件 用以产生偏差信号
2、控制系统的组成
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
4.2 自动控制系统的分类
开环控制系统与闭环控制系统
1,定值控制系统, 随动控制系统和程序控制
根据给定信号形式的不同分类。
恒值控制系统,系统的参考输入为恒定值或者波
动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。
随动控制系统 （ 伺服控制系统 ）, 参考输入值不
断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的
输出量能够准确地跟踪输入值的变化。
程序控制系统,设定值变化，是时间的已知函数，
即按照事先规定的时间程序或规律变化。
2、线性系统与非线性系统
根据描述系统的方程形式分类。
非线性的微分方程或代数方程描述的 是非线性系
统 。 如,2,/1 xyxy ?? ?等。
本书主要研究线性定常系统 。
3、连续时间系统与离散时间系统
根据传输信号的形式分类。
连续时间系统,
离散时间系统,
系统的输入与输出信号均是 连续时间函数 u(t)与 y(t),
系统的输入与输出信号均是 离散时间量 u(kT)与 y(kT)。
计算机控制系统是典型的离散控制系统 。
0 t
u(t)
0 t
u(kt)
2T T nT …
图 1-5 连续时间信号与离散时间信号
4、单输入 — 单输出系统与多输入 — 多输出系统
从输入与输出信号的数量分类 。
单输入 — 单输出系统（ SISO）
多输入 — 多输出系统 （ MIMO）
集中参数系统与分布参数系统
u y
(a) SISO系统
系
统
1u
2u
nu
…
1y
2y
ny
…
(b) MIMO系统
系 统
确定性系统与随机控制系统等
本章主要介绍,
? 自动控制的发展
? 开环与闭环控制
? 控制系统组成
? 控制系统分类
作业,A－ 1－ 2
中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置
(公元前 11世纪 )
具有过程控制思想的提花织布机
（明代）
James wat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速
（ 1769年）
Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制
（ 1765年）
Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号”
（ 1866年）
徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号
（ 1866年）
世界上第一台数控铣床（ 1952年）
具有很高自动化水平的我国石化工业（ 1）
具有很高自动化水平的我国石化工业（ 2）
现代空间技术的发展
化工大学
主讲：曹柳林
总学时,112 上学期 64 下学期 48
化工过程控制原理 第 2版 浙江大学 周春晖
主编, 化学工业出版社, 1998年
? 自动控制原理（第四版）胡寿松主编，
国防工业出版社,2002年
? 自动控制原理 孙亮等主编，北京工业
大学出版社 1999年
控制原理例题习题集，周春晖，厉玉鸣主
编，化工出版社（归纳总结，例题分析）
自动控制原理实验指导书，本校自动
化系编
学习方式,
教 材,
参考书,
习题集,
实验指导书,
授课、习题、实验、考试
实验软件,
? MATLAB 语言与控制系统仿真,孙亮，北
京工业大学出版社,2001年
MATLAB 5.1,6.1
2、拉普拉斯变换、反变换
（ 1）求矩阵逆 伴随矩阵:~~1 A
A
AA ??
A（ 2） 矩阵行列式 →3 维
参考书,
数学知识
复习,
3、微分方程求解
4、复变函数留数定理（求部分分式展开）
1、线性代数－ 矩阵计算 （矩阵加、乘法）
?反馈控制系统设计与分析 - MATLAB语言
应用，清华大学出版社，薛定宇,2000年
控制原理学习网站,
第一章 自动控制系统概述
§ 1 引言
l 自动化定义,
l 自动控制系统,
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。 — 摘自中国大百科全书
由内部互相联系的 部件 按照 一
定规律 组成，能够完成 一定功能 的有机整体。
降低成本。
l 自动控制的目标,
l, 自动控制原理, 课程,
提高劳动生产率,
提高产品质量,
改善劳动条件,
节约能源,
基础理论，理论性强,
研究控制系统的一般规律,
设计自动控制系统。
§ 2 自动控制简史
2.1 经典控制理论
?古老的反馈控制思想
?40年代形成独立学科，机械化－自动化
?瓦特蒸汽机的离心调节器 — 自动控制
领域的第一项重大成果（ 18世纪中叶）
?中国古代发明
数学工具 — 线性微分方程和基于拉普拉斯变
换的传递函数
研究对象
三大分析方法,
研究对象和范围有限
— 单输入 — 单输出的线性定常系统
时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法
— 难于解决复杂问题，如时变，多变量等
2.2 现代控制理论
60年代始获得长足发展, 主要以分析和设计复杂
控制系统为目标 。
现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物 。
— 状态空间分析方法 数学工具
— 线性系统与非线性系统、定常系统
与时变系统、多输入 — 多输出系统等
研究对象
2.3先进控制与智能控制
主要研究方向,
人工神经元网络研究等
预测控制
模糊控制
自适应控制
多学科的融汇、贯通
§ 3 开环控制系统与闭环控制系统
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
控制量
输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣ 控制器 受控对象
开环控制系统
特点,缺点,
— 最简单的控制方式
● 系统结构简单、维护容易、
成本低、不存在稳定性问题
● 信号传递没有形成闭合回路
● 输出量不能对控制量产生
影响。
● 控制精度不高
● 系统抗干扰能力差
● 对元器件的要求
比较高
控制量 输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣
控制器 受控对象
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
闭环控制系统 — 反馈控制系统
l 反馈通路
负反馈与正反馈
控制系统一般采用负反馈
l 信号传递形成一个闭合回路
输入量与反馈量之差称为 偏差信号
控制量 输入量 输出量
(b) 闭环控制系统
反馈元件
﹢ ﹣
控制器 受控对象
控制器 受控对象
控制量 输入量 输出量
(a) 开环控制系统
§ 4 自动控制与自动控制系统
4.1 自动控制系统的组成及定义
以自动化实验室水槽液位控制系统为例,
调节系统方块图
给定 流量 1 液位 1 液位 2
微机式
调节器 调节阀 水槽 1 水槽 2
变送器 1
﹣
自动控制系统的基本结构,
设定值
r
﹣
控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
1、控制系统的一些常用术语
被控对象
控制量
设定值（给定值）
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
是指被控制的装置或者设备。
希望系统输出达到的数值，一般用符号 r 表示。
施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定
的规律运行，一般用符号 u 表示。
被控变量
控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号 y 表示。
偏差信号
扰动信号
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号 e 表示。
使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号 f 表示。
2、控制系统的组成
定值元件
控制器
执行元件
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
用来产生设定值或参考输入。
或称调节器。通过一定的控制规律给出
控制量，送到执行元件。
完成功率转换或信号转换，常称为执
行机构或者执行器。
测量、变送元件 又称传感器, 用于检测被控对象的输出
量, 并变换成标准信号送到控制器 。
比较元件 用以产生偏差信号
2、控制系统的组成
设定值
r
﹣ 控制器 执行器 被控对象
测量、变送
扰动 f
被控变量
y
反馈量 z
图 1— 2 自动控制系统的基本结构
偏差
e
控制变量
u
4.2 自动控制系统的分类
开环控制系统与闭环控制系统
1,定值控制系统, 随动控制系统和程序控制
根据给定信号形式的不同分类。
恒值控制系统,系统的参考输入为恒定值或者波
动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。
随动控制系统 （ 伺服控制系统 ）, 参考输入值不
断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的
输出量能够准确地跟踪输入值的变化。
程序控制系统,设定值变化，是时间的已知函数，
即按照事先规定的时间程序或规律变化。
2、线性系统与非线性系统
根据描述系统的方程形式分类。
非线性的微分方程或代数方程描述的 是非线性系
统 。 如,2,/1 xyxy ?? ?等。
本书主要研究线性定常系统 。
3、连续时间系统与离散时间系统
根据传输信号的形式分类。
连续时间系统,
离散时间系统,
系统的输入与输出信号均是 连续时间函数 u(t)与 y(t),
系统的输入与输出信号均是 离散时间量 u(kT)与 y(kT)。
计算机控制系统是典型的离散控制系统 。
0 t
u(t)
0 t
u(kt)
2T T nT …
图 1-5 连续时间信号与离散时间信号
4、单输入 — 单输出系统与多输入 — 多输出系统
从输入与输出信号的数量分类 。
单输入 — 单输出系统（ SISO）
多输入 — 多输出系统 （ MIMO）
集中参数系统与分布参数系统
u y
(a) SISO系统
系
统
1u
2u
nu
…
1y
2y
ny
…
(b) MIMO系统
系 统
确定性系统与随机控制系统等
本章主要介绍,
? 自动控制的发展
? 开环与闭环控制
? 控制系统组成
? 控制系统分类
作业,A－ 1－ 2
中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置
(公元前 11世纪 )
具有过程控制思想的提花织布机
（明代）
James wat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速
（ 1769年）
Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制
（ 1765年）
Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号”
（ 1866年）
徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号
（ 1866年）
世界上第一台数控铣床（ 1952年）
具有很高自动化水平的我国石化工业（ 1）
具有很高自动化水平的我国石化工业（ 2）
现代空间技术的发展
