电气系 张满生 编
自动控制原理
株洲工学院 电气系
张满生 主讲
Tel,8182656 13077067658
电气系 张满生 编
考核及评分要求：
1、本课程是必修的专业基础课，期末
考试。
2、平时成绩占 30%，考试卷面占 70%。
3、要求认真听课，不得缺勤。
4、将用点名或用数码拍照形式考勤。
5、要求按时完成课后作业题。
第一章
控制系统导论
电气系 张满生 编
本章提纲
? 1.1自动控制的基本原理
? 1.2 自动控制系统的分类
? 1.3 对控制系统的基本要求
? 1.4自动控制的发展简史
? 本章小结
电气系 张满生 编
本章提要
? 本章提要：本章将讨论自动控制的基本
概念, 自动控制系统的分类, 对控制系
统的基本要求, 自动控制的历史等问题 。
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1.1自动控制的基本原理
? 自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于
工业, 农业, 国防乃至日常生活和社会科学许
多领域 。
? 所谓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 （ 如设
备生产过程等 ） 的工作状态或简称被控量 （ 如
温度, 压力, 流量, 速度, pH值等 ） 按照预定
的规律运行 。 为 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
特定功能的整体称为自动控制系统 。
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从 物理角度 上来看, 自动控制理论研究
的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从
数学角度 上来看, 研究的是输入与输出之间的
映射关系；从 信息处理 的角度来看, 研究的是
信息的获取, 处理, 变换, 输出等问题 。
随着科学技术的进步, 自动控制的概
念也在扩大, 政治, 经济, 社会等各个领域也
越来越多地被认为与自动控制有关 。 现在已发
展成为一门独立的学科 —— 控制论 。 其中包括：
工程控制论, 生物控制论和经济控制论 。
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1.1,1 一个实例
直流电动机速度自动控制的原理结构图如
图 1-1所示。图中，电位器电压为输入信号。
测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为
变送元件（变送器）。图 1-1中，代表电动机
转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位
器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）
控制功率放大器（控制器），控制器的输出控
制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动
控制系统。
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·? ′ó ?÷
￡? U
μ? ?ˉ ?ú
2a
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图 1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图
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? 当电源变化, 负载变化等引起转速变化,
称为 扰动 。 电动机被称为 被控对象, 转
速称为被控量, 当电动机受到扰动后,
转速 （ 被控量 ） 发生变化, 经测量元件
（ 测速发电机 ） 将转速信号 （ 又称为反
馈信号 ） 反馈 到控制器 （ 功率放大器 ）,
使控制器的输出 （ 称为控制量 ） 发生相
应的变化, 从而可以自动地保持转速不
变或使偏差保持在允许的范围内 。
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1.1.2 控制系统方框图
自动控制系统至少包括测量, 变送元件, 控制器等
组成的自动控制装置和被控对象, 它的组成方框图如图
1-2所示 。
图 1-2 自动控制系统的组成框图
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1.2 自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分
类方法 。
? 1 按信号的传递路径来分
? 2 按系统输入信号的变化规律不同来分
? 3 按系统传输信号的性质来分
? 4 按描述系统的数学模型不同来分
? 5 其它分类方法
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1．开环控制系统
指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。
如工业上使用的数字程序控制机床，参见图 1-
3。
图纸
位移程序
指令
放大器 执行
机构
微型
计算机
切削
刀具
工作
机床
1,2,1 按信号的传递路径来分
图 1-3 微型计算机控制机床（开环系统）
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系统每一个输入信号，必有一个固定的工作
状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不
具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与
实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进
电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程
序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制
指令并不会相应地改变。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。
但开环控制不能自动修正被控制量的误差。系
统元件参数的变化，以及外来未知干扰都会影
响系统精度的。
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? 2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫
闭环控制系统。 闭环控制系统也叫反馈控制系统 。, 闭
环, 这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误
差如图 1-4所示。
反馈测量
元件
图纸
位移手
放大器 执行机
构
微型
计算机
切削
刀具
工作
机床
图 1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
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? 在图 1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控
制系统由于有, 反馈, 作用的存在，具有
自动修正被控制量出现偏差的能力，可以
修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，
所以其控制效果好，精度高。闭环控制系
统不足之处，除了结构复杂，成本较高外，
一个 主要的问题是由于反馈的存在，控制
系统可能出现, 振荡, 。
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? 3．复合控制系统
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的
一种方式。它是 在闭环控制等基础上增
加一个干扰信号的补偿控制，以提高控
制系统的抗干扰能力。
图 1-5 复合控制系统框图
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? 增加干扰信号的补偿控制作用,可以在干
扰对被控量产生不利影响的同时及时提供
控制作用以抵消此不利影响 。 纯闭环控制
则要等待该不利影响反映到被控信号之后
才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两
者的结合既能得到高精度控制，又能提高
抗干扰能力。
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1,2,2 按系统输入信号的变化规律不同来分
1、恒值控制系统（或称自动调节系统）
这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。
恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响
以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持
在希望数值上。
2、过程控制系统（或称程序控制系统）
这类系统的 特点是输入信号是一个已知的时间函
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。 如巡航导弹的控制。
恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。
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? 3、随动控制系统（或称伺服系统）
这类系统的特点是输入信号是一个未知
函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自
动跟踪系统。
工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫
星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。
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1,2,3 按系统传输信号的性质来分
? 1、连续系统
系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工
业中普遍采用的常规控制仪表 PID调节器控制的系统
及图 1-1所示的电动机速度自动控制系统就属于这一
类型。
? 2、离散系统
系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的
形式传递的控制系统。其主要特点是：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。可分
为脉冲控制系统和数字控制系统。
图 1-6和图 1-7分别给出了脉冲控制系统和数字控
制系统的结构图。
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输出输入 + e(t) e*(t)
采样开关-
保持器 被控对象
图 1-6 脉冲控制系统结构图
输出输入 +
-－
A/D 计算机 D/A 放大器 执行器 被控对象
反馈装置
图 1-7 采样数字控制系统结构图
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1,2,4 按描述系统的数学模型不同来分
1、线性系统
由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程
为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定
常系统。其运动方程一般形式为,
式中,u(t) — 系统的输入量； y(t) — 系统的输出
量。
( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )
1 1 1 1
n n n n
n n o n ny a y a y a y b u b u b u b u
??
??? ? ? ? ? ? ? ? ?
线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系
统的输入分别为 r1(t)和 r2(t)时，对应的输出分别为 c1(t)
和 c2(t)，则当输入为 r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为
c(t)=a1c1(t)+a2c2(t),其中为 a1,a2为常系数。
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2、非线性系统
图 1-8 非线性元件静特性举例
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在构成系统的环节中有一个或一个以上的
非线性环节时，则称此系统为非线性系统。 典
型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙
特性、继电特性、磁滞特性 等。如图 1-8所示。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完
整，一般只能近似的定性描述和数值计算。
严格来说，任何物理系统的特性都是非线
性的。但为了研究问题的方便，许多系统在一
定的条件下，一定的范围内，可以近似地看成
为线性系统来加以分析研究，其误差往往在工
业生产允许的范围之内。
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1.2.5 其它分类方法
自动控制系统还有其他的分类方法,
? (1)按系统的输入 /输出信号的数量来分,有单输入 /单输出系
统和多输入 /多输出系统。
? (2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、
位置控制系统等。
? (3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统。
? (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，有最优
控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，
神经网络控制系统等等。
一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣,如系统
的稳定特性、动态响应和稳态特性。
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1.3 对控制系统的基本要求
当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改
变, 被控量就会发生变化, 偏离给定值 。 通过系统的
自动控制作用, 经过一定的过渡过程, 被控量又恢复
到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值 。 被控
量在变化过程中的过渡过程称为动态过程 （ 即
随时间而变的过程 ）, 被控量处于平衡状态称
为静态或稳态 。
自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态误差
（ 偏差 ） 为零或在允许的范围内 。 对于一个好的自动
控制系统来说, 一般要求稳态误差在被控量额定值的
2％ ～ 5％ 之内 。
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图 1-9 自动控制系统被控量变化的动态特性
自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自
动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。
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(a)单调过程 被控量 y(t)单调变化 （ 即没
有, 正,,,, 负, 的变化 ）, 缓慢地到达新
的平衡状态 （ 新的稳态值 ） 。 如图 1-9(a)所示,
一般这种动态过程具有较长的动态过程时间
（ 即到达新的平衡状态所需的时间 ） 。
(b)衰减振荡过程, 被控量 y(t)的动态过程
是一个振荡过程, 振荡的幅度不断地衰减, 到
过渡过程结束时, 被控量会达到新的稳态值 。
这种过程的最大幅度称为超调量, 如图 1-9（ b）
所示 。
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(c)等幅振荡过程, 被控量 y(t)的动态过
程是一个持续等幅振荡过程, 始终不能到达
新的稳态值, 如图 1-9（ c） 所示 。 这种过程
如果振荡的幅度较大, 生产过程不允许, 则
认为是一种不稳定的系统, 如果振荡的幅度
较小, 生产过程可以允许, 则认为是一种稳
定的系统 。
(d)渐扩振荡过程, 被控量 y(t)的动态过
程不但是一个振荡过程, 而且振荡的幅值越
来越大, 以致会大大超过被控量允许的误差
范围, 如图 1-9（ d） 所示, 这是一种典型的
不稳定过程, 设计自动控制系统要绝对避免
产生这种情况 。
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自动控制系统其动态过程多属于图 1-9
（ b） 的情况 。 控制系统的动态过程不仅要是
稳定的, 并且希望过渡过程时间 （ 又称调
整时间 ） 越短越好, 振荡幅度越小越好,
衰减得越快越好 。
综上所述, 对于一个自动控制的性能要求可
以概括为三方面：稳定性, 快速性和准确性 。
(1)稳定性 。 自动控制系统的最基本的要求
是系统必须是稳定的, 不稳定的控制系统是不能
工作的 。
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(2)快速性 。 在系统稳定的前提下, 希望控制
过程 （ 过渡过程 ） 进行得越快越好, 但如果
要求过渡过程时间很短, 可能使动态误差
（ 偏差 ） 过大 。 合理的设计应该兼顾这两方
面的要求 。
(3)准确性 。 即要求 动态误差和稳态误差
都越小越好 。 当与快速性有矛盾时, 应兼顾
这两方面的要求 。
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1.4自动控制的发展简史
控制理论是关于控制系统建模, 分析和综合
的一般理论, 也可以看作是控制系统的应用数
学分支 。
根据自动控制理论的发展历史, 大致可分为以下四
个阶段：
(一 ),经典控制理论阶段
闭环的自动控制装置的应用, 可以追溯到 1788年瓦
特 （ J.Watt） 发明的飞锤调速器的研究 。 然而最终形成
完整的自动控制理论体系, 是在 20世纪 40年代末 。
最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前 300年
到 1年中使用的浮子调节器 。 凯特斯比斯 （ Kitesibbios）
在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定 。
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19世纪 60年代期间是控制系统高速发展的时期,
1868年麦克斯韦尔 （ J.C.Maxwell） 基于微分方程描述
从 理 论 上 给 出 了 它 的 稳 定 性 条 件 。 1877年劳斯
（ E.J.Routh）,1895年霍尔维茨 （ A.Hurwitz） 分别独
立给出了高阶线性系统的稳定性判据；另一方面,
1892年, 李雅普诺夫 （ A.M.Lyapunov） 给出了非线性
系统的稳定性判据 。 在同一时期, 维什哥热斯基
（ I.A.Vyshnegreskii） 也用一种正规的数学理论描述
了这种理论 。
1922年米罗斯基 (N.Minorsky)给出了位置控制系
统的分析, 并对 PID三作用控制给出了控制规律公式 。
1942 年, 齐格勒 （ J.G.Zigler ） 和 尼 科 尔 斯
(N.B.Nichols)又给出了 PID控制器的最优参数整定法 。
上述方法基本上是时域方法 。
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1932年奈奎斯特 (Nyquist)提出了 负反馈系统
的频率域稳定性判据,这种方法只需利用频率响应
的实验数据。 1940年, 波德 (H.Bode)进一步研究通信系统
频域方法，提出了 频域响应的对数坐标图描述方
法 。 1943年，霍尔 (A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）
和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域
方法统一起来，人们称此方法为复域方法。 频域分析法主
要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。
第二次世界大战结束时, 经典控制技术和理论基本
建立 。 1948年伊文斯 （ W.Evans） 又进一步提出了属于经典
方法的根轨迹设计法, 它给出了系统参数变换与时域性能
变化之间的关系 。 至此,复数域与频率域的方法进一步完善 。
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? 总结,经典控制理论的分析方法为复数域方法,
以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进
行分析设计，比求解微分方程简便。
? 优点,可通过试验方法建立数学模型，物理概
念清晰，得到广泛的工程应用。
? 缺点,只适应单变量线性定常系统，对系统内
部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，
得不到精确的结果。
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? (二 ),现代控制理论阶段
20世纪 60年代初, 在原有, 经典控制理论,
的基础上, 形成了所谓的, 现代控制理论, 。
为现代控制理论的状态空间法的建立作出
贡献的有, 1954年贝尔曼 (R.Bellman)的动态规
划理论, 1956年庞特里雅金 (L.S.Pontryagin)
的极大值原理, 和 1960年卡尔曼 （ R.E.Kalman）
的多变量最优控制和最优滤波理论 。
频域分析法在二战后持续占着主导地位,
特别是 拉普拉斯变换和傅里叶变换 的发展 。 在
20世纪 50年代, 控制工程的发展的重点是复平
面和根轨迹的发展 。 进而在 20世纪 80年代, 数
字计算机在控制系统中的使用变得普遍起来,
这些新控制部件的使用使得控制精确, 快速 。
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状态空间方法属于时域方法, 其核心是最
优化技术 。 它以状态空间描述 （ 实质上是一阶
微分或差分方程组 ） 作为数学模型, 利用计算
机作为系统建模分析, 设计乃至控制的手段,
适应于多变量, 非线性, 时变系统 。
(三 ),大系统控制理论阶段
20世纪 70年代开始, 出现了一些新的控
制方法和理论 。 如 （ 1） 现代频域方法, 该方法
以传递函数矩阵为数学模型, 研究线性定常多
变量系统； （ 2） 自适应控制理论和方法, 该方
法以系统辨识和参数估计为基础, 处理被控对
象不确定和缓时变, 在实时辨识基础上在线确
定最优控制规律； （ 3） 鲁棒控制方法, 该方法
在保证系统稳定性和其它性能基础上, 设计不
变的鲁棒控制器, 以处理数学模型的不确定性；
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（ 4） 预测控制方法, 该方法为一种计算机控制算
法, 在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈
校正, 可以处理多变量系统 。
随着控制理论应用范围的扩大, 人们开始
了对大系统理论的研究 。
大系统理论是过程控制与信息处理相结
合的综合自动化理论基础, 是动态的系统工程
理论, 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 。
大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段 。
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(四 ),智能控制阶段
智能控制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 。 而环境的复杂性则表现为变化的不确定
性和难以辨识 。
试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的
对象, 复杂的环境和复杂的任务是不可能的 。
智能控制的方法包括模糊控制, 神经元网络控制,
专家控制等方法 。
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本章小结
? 本章首先介绍了什么是自动控制, 介绍了自动
控制理论中常用的术语：被控对象, 参考输入
信号 （ 给定值信号 ）, 扰动, 偏差信号, 被控
量, 控制量和自动控制系统等 。
? 本章还介绍了自动控制系统的组成及其方框图 。
说明什么是开环控制系统和闭环控制系统, 并
指出实际生产过程的自动控制系统, 绝大多数
是闭环控制系统, 也就是负反馈控制系统 。 本
章还介绍了自动控制系统的若干分类方法 。
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? 本章介绍了对自动控制系统的性能要求, 即稳
定性, 快速性和准确性 。 一个自动控制系统的
最基本要求是稳定性, 然后进一步要求快速性
和准确性, 当后两者存在矛盾时, 设计自动控
制系统要兼顾两方面的要求 。
? 本章最后一节介绍了自动控制理论发展的四个
阶段, 即经典控制理论, 现代控制理论, 大系
统理论和智能控制理论阶段 。
自动控制原理
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1、本课程是必修的专业基础课，期末
考试。
2、平时成绩占 30%，考试卷面占 70%。
3、要求认真听课，不得缺勤。
4、将用点名或用数码拍照形式考勤。
5、要求按时完成课后作业题。
第一章
控制系统导论
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本章提纲
? 1.1自动控制的基本原理
? 1.2 自动控制系统的分类
? 1.3 对控制系统的基本要求
? 1.4自动控制的发展简史
? 本章小结
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本章提要
? 本章提要：本章将讨论自动控制的基本
概念, 自动控制系统的分类, 对控制系
统的基本要求, 自动控制的历史等问题 。
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1.1自动控制的基本原理
? 自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于
工业, 农业, 国防乃至日常生活和社会科学许
多领域 。
? 所谓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 （ 如设
备生产过程等 ） 的工作状态或简称被控量 （ 如
温度, 压力, 流量, 速度, pH值等 ） 按照预定
的规律运行 。 为 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
特定功能的整体称为自动控制系统 。
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从 物理角度 上来看, 自动控制理论研究
的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从
数学角度 上来看, 研究的是输入与输出之间的
映射关系；从 信息处理 的角度来看, 研究的是
信息的获取, 处理, 变换, 输出等问题 。
随着科学技术的进步, 自动控制的概
念也在扩大, 政治, 经济, 社会等各个领域也
越来越多地被认为与自动控制有关 。 现在已发
展成为一门独立的学科 —— 控制论 。 其中包括：
工程控制论, 生物控制论和经济控制论 。
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1.1,1 一个实例
直流电动机速度自动控制的原理结构图如
图 1-1所示。图中，电位器电压为输入信号。
测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为
变送元件（变送器）。图 1-1中，代表电动机
转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位
器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）
控制功率放大器（控制器），控制器的输出控
制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动
控制系统。
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1| ?ê
·? ′ó ?÷
￡? U
μ? ?ˉ ?ú
2a
?ù
·￠
μ?
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图 1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图
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? 当电源变化, 负载变化等引起转速变化,
称为 扰动 。 电动机被称为 被控对象, 转
速称为被控量, 当电动机受到扰动后,
转速 （ 被控量 ） 发生变化, 经测量元件
（ 测速发电机 ） 将转速信号 （ 又称为反
馈信号 ） 反馈 到控制器 （ 功率放大器 ）,
使控制器的输出 （ 称为控制量 ） 发生相
应的变化, 从而可以自动地保持转速不
变或使偏差保持在允许的范围内 。
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1.1.2 控制系统方框图
自动控制系统至少包括测量, 变送元件, 控制器等
组成的自动控制装置和被控对象, 它的组成方框图如图
1-2所示 。
图 1-2 自动控制系统的组成框图
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1.2 自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分
类方法 。
? 1 按信号的传递路径来分
? 2 按系统输入信号的变化规律不同来分
? 3 按系统传输信号的性质来分
? 4 按描述系统的数学模型不同来分
? 5 其它分类方法
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1．开环控制系统
指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。
如工业上使用的数字程序控制机床，参见图 1-
3。
图纸
位移程序
指令
放大器 执行
机构
微型
计算机
切削
刀具
工作
机床
1,2,1 按信号的传递路径来分
图 1-3 微型计算机控制机床（开环系统）
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系统每一个输入信号，必有一个固定的工作
状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不
具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与
实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进
电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程
序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制
指令并不会相应地改变。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。
但开环控制不能自动修正被控制量的误差。系
统元件参数的变化，以及外来未知干扰都会影
响系统精度的。
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? 2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫
闭环控制系统。 闭环控制系统也叫反馈控制系统 。, 闭
环, 这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误
差如图 1-4所示。
反馈测量
元件
图纸
位移手
放大器 执行机
构
微型
计算机
切削
刀具
工作
机床
图 1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
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? 在图 1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控
制系统由于有, 反馈, 作用的存在，具有
自动修正被控制量出现偏差的能力，可以
修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，
所以其控制效果好，精度高。闭环控制系
统不足之处，除了结构复杂，成本较高外，
一个 主要的问题是由于反馈的存在，控制
系统可能出现, 振荡, 。
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? 3．复合控制系统
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的
一种方式。它是 在闭环控制等基础上增
加一个干扰信号的补偿控制，以提高控
制系统的抗干扰能力。
图 1-5 复合控制系统框图
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? 增加干扰信号的补偿控制作用,可以在干
扰对被控量产生不利影响的同时及时提供
控制作用以抵消此不利影响 。 纯闭环控制
则要等待该不利影响反映到被控信号之后
才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两
者的结合既能得到高精度控制，又能提高
抗干扰能力。
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1,2,2 按系统输入信号的变化规律不同来分
1、恒值控制系统（或称自动调节系统）
这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。
恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响
以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持
在希望数值上。
2、过程控制系统（或称程序控制系统）
这类系统的 特点是输入信号是一个已知的时间函
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。 如巡航导弹的控制。
恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。
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? 3、随动控制系统（或称伺服系统）
这类系统的特点是输入信号是一个未知
函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自
动跟踪系统。
工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫
星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。
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1,2,3 按系统传输信号的性质来分
? 1、连续系统
系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工
业中普遍采用的常规控制仪表 PID调节器控制的系统
及图 1-1所示的电动机速度自动控制系统就属于这一
类型。
? 2、离散系统
系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的
形式传递的控制系统。其主要特点是：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。可分
为脉冲控制系统和数字控制系统。
图 1-6和图 1-7分别给出了脉冲控制系统和数字控
制系统的结构图。
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输出输入 + e(t) e*(t)
采样开关-
保持器 被控对象
图 1-6 脉冲控制系统结构图
输出输入 +
-－
A/D 计算机 D/A 放大器 执行器 被控对象
反馈装置
图 1-7 采样数字控制系统结构图
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1,2,4 按描述系统的数学模型不同来分
1、线性系统
由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程
为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定
常系统。其运动方程一般形式为,
式中,u(t) — 系统的输入量； y(t) — 系统的输出
量。
( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )
1 1 1 1
n n n n
n n o n ny a y a y a y b u b u b u b u
??
??? ? ? ? ? ? ? ? ?
线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系
统的输入分别为 r1(t)和 r2(t)时，对应的输出分别为 c1(t)
和 c2(t)，则当输入为 r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为
c(t)=a1c1(t)+a2c2(t),其中为 a1,a2为常系数。
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2、非线性系统
图 1-8 非线性元件静特性举例
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在构成系统的环节中有一个或一个以上的
非线性环节时，则称此系统为非线性系统。 典
型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙
特性、继电特性、磁滞特性 等。如图 1-8所示。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完
整，一般只能近似的定性描述和数值计算。
严格来说，任何物理系统的特性都是非线
性的。但为了研究问题的方便，许多系统在一
定的条件下，一定的范围内，可以近似地看成
为线性系统来加以分析研究，其误差往往在工
业生产允许的范围之内。
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1.2.5 其它分类方法
自动控制系统还有其他的分类方法,
? (1)按系统的输入 /输出信号的数量来分,有单输入 /单输出系
统和多输入 /多输出系统。
? (2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、
位置控制系统等。
? (3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统。
? (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，有最优
控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，
神经网络控制系统等等。
一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣,如系统
的稳定特性、动态响应和稳态特性。
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1.3 对控制系统的基本要求
当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改
变, 被控量就会发生变化, 偏离给定值 。 通过系统的
自动控制作用, 经过一定的过渡过程, 被控量又恢复
到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值 。 被控
量在变化过程中的过渡过程称为动态过程 （ 即
随时间而变的过程 ）, 被控量处于平衡状态称
为静态或稳态 。
自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态误差
（ 偏差 ） 为零或在允许的范围内 。 对于一个好的自动
控制系统来说, 一般要求稳态误差在被控量额定值的
2％ ～ 5％ 之内 。
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图 1-9 自动控制系统被控量变化的动态特性
自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自
动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。
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(a)单调过程 被控量 y(t)单调变化 （ 即没
有, 正,,,, 负, 的变化 ）, 缓慢地到达新
的平衡状态 （ 新的稳态值 ） 。 如图 1-9(a)所示,
一般这种动态过程具有较长的动态过程时间
（ 即到达新的平衡状态所需的时间 ） 。
(b)衰减振荡过程, 被控量 y(t)的动态过程
是一个振荡过程, 振荡的幅度不断地衰减, 到
过渡过程结束时, 被控量会达到新的稳态值 。
这种过程的最大幅度称为超调量, 如图 1-9（ b）
所示 。
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(c)等幅振荡过程, 被控量 y(t)的动态过
程是一个持续等幅振荡过程, 始终不能到达
新的稳态值, 如图 1-9（ c） 所示 。 这种过程
如果振荡的幅度较大, 生产过程不允许, 则
认为是一种不稳定的系统, 如果振荡的幅度
较小, 生产过程可以允许, 则认为是一种稳
定的系统 。
(d)渐扩振荡过程, 被控量 y(t)的动态过
程不但是一个振荡过程, 而且振荡的幅值越
来越大, 以致会大大超过被控量允许的误差
范围, 如图 1-9（ d） 所示, 这是一种典型的
不稳定过程, 设计自动控制系统要绝对避免
产生这种情况 。
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自动控制系统其动态过程多属于图 1-9
（ b） 的情况 。 控制系统的动态过程不仅要是
稳定的, 并且希望过渡过程时间 （ 又称调
整时间 ） 越短越好, 振荡幅度越小越好,
衰减得越快越好 。
综上所述, 对于一个自动控制的性能要求可
以概括为三方面：稳定性, 快速性和准确性 。
(1)稳定性 。 自动控制系统的最基本的要求
是系统必须是稳定的, 不稳定的控制系统是不能
工作的 。
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(2)快速性 。 在系统稳定的前提下, 希望控制
过程 （ 过渡过程 ） 进行得越快越好, 但如果
要求过渡过程时间很短, 可能使动态误差
（ 偏差 ） 过大 。 合理的设计应该兼顾这两方
面的要求 。
(3)准确性 。 即要求 动态误差和稳态误差
都越小越好 。 当与快速性有矛盾时, 应兼顾
这两方面的要求 。
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1.4自动控制的发展简史
控制理论是关于控制系统建模, 分析和综合
的一般理论, 也可以看作是控制系统的应用数
学分支 。
根据自动控制理论的发展历史, 大致可分为以下四
个阶段：
(一 ),经典控制理论阶段
闭环的自动控制装置的应用, 可以追溯到 1788年瓦
特 （ J.Watt） 发明的飞锤调速器的研究 。 然而最终形成
完整的自动控制理论体系, 是在 20世纪 40年代末 。
最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前 300年
到 1年中使用的浮子调节器 。 凯特斯比斯 （ Kitesibbios）
在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定 。
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19世纪 60年代期间是控制系统高速发展的时期,
1868年麦克斯韦尔 （ J.C.Maxwell） 基于微分方程描述
从 理 论 上 给 出 了 它 的 稳 定 性 条 件 。 1877年劳斯
（ E.J.Routh）,1895年霍尔维茨 （ A.Hurwitz） 分别独
立给出了高阶线性系统的稳定性判据；另一方面,
1892年, 李雅普诺夫 （ A.M.Lyapunov） 给出了非线性
系统的稳定性判据 。 在同一时期, 维什哥热斯基
（ I.A.Vyshnegreskii） 也用一种正规的数学理论描述
了这种理论 。
1922年米罗斯基 (N.Minorsky)给出了位置控制系
统的分析, 并对 PID三作用控制给出了控制规律公式 。
1942 年, 齐格勒 （ J.G.Zigler ） 和 尼 科 尔 斯
(N.B.Nichols)又给出了 PID控制器的最优参数整定法 。
上述方法基本上是时域方法 。
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1932年奈奎斯特 (Nyquist)提出了 负反馈系统
的频率域稳定性判据,这种方法只需利用频率响应
的实验数据。 1940年, 波德 (H.Bode)进一步研究通信系统
频域方法，提出了 频域响应的对数坐标图描述方
法 。 1943年，霍尔 (A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）
和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域
方法统一起来，人们称此方法为复域方法。 频域分析法主
要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。
第二次世界大战结束时, 经典控制技术和理论基本
建立 。 1948年伊文斯 （ W.Evans） 又进一步提出了属于经典
方法的根轨迹设计法, 它给出了系统参数变换与时域性能
变化之间的关系 。 至此,复数域与频率域的方法进一步完善 。
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? 总结,经典控制理论的分析方法为复数域方法,
以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进
行分析设计，比求解微分方程简便。
? 优点,可通过试验方法建立数学模型，物理概
念清晰，得到广泛的工程应用。
? 缺点,只适应单变量线性定常系统，对系统内
部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，
得不到精确的结果。
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? (二 ),现代控制理论阶段
20世纪 60年代初, 在原有, 经典控制理论,
的基础上, 形成了所谓的, 现代控制理论, 。
为现代控制理论的状态空间法的建立作出
贡献的有, 1954年贝尔曼 (R.Bellman)的动态规
划理论, 1956年庞特里雅金 (L.S.Pontryagin)
的极大值原理, 和 1960年卡尔曼 （ R.E.Kalman）
的多变量最优控制和最优滤波理论 。
频域分析法在二战后持续占着主导地位,
特别是 拉普拉斯变换和傅里叶变换 的发展 。 在
20世纪 50年代, 控制工程的发展的重点是复平
面和根轨迹的发展 。 进而在 20世纪 80年代, 数
字计算机在控制系统中的使用变得普遍起来,
这些新控制部件的使用使得控制精确, 快速 。
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状态空间方法属于时域方法, 其核心是最
优化技术 。 它以状态空间描述 （ 实质上是一阶
微分或差分方程组 ） 作为数学模型, 利用计算
机作为系统建模分析, 设计乃至控制的手段,
适应于多变量, 非线性, 时变系统 。
(三 ),大系统控制理论阶段
20世纪 70年代开始, 出现了一些新的控
制方法和理论 。 如 （ 1） 现代频域方法, 该方法
以传递函数矩阵为数学模型, 研究线性定常多
变量系统； （ 2） 自适应控制理论和方法, 该方
法以系统辨识和参数估计为基础, 处理被控对
象不确定和缓时变, 在实时辨识基础上在线确
定最优控制规律； （ 3） 鲁棒控制方法, 该方法
在保证系统稳定性和其它性能基础上, 设计不
变的鲁棒控制器, 以处理数学模型的不确定性；
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（ 4） 预测控制方法, 该方法为一种计算机控制算
法, 在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈
校正, 可以处理多变量系统 。
随着控制理论应用范围的扩大, 人们开始
了对大系统理论的研究 。
大系统理论是过程控制与信息处理相结
合的综合自动化理论基础, 是动态的系统工程
理论, 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 。
大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段 。
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(四 ),智能控制阶段
智能控制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 。 而环境的复杂性则表现为变化的不确定
性和难以辨识 。
试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的
对象, 复杂的环境和复杂的任务是不可能的 。
智能控制的方法包括模糊控制, 神经元网络控制,
专家控制等方法 。
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本章小结
? 本章首先介绍了什么是自动控制, 介绍了自动
控制理论中常用的术语：被控对象, 参考输入
信号 （ 给定值信号 ）, 扰动, 偏差信号, 被控
量, 控制量和自动控制系统等 。
? 本章还介绍了自动控制系统的组成及其方框图 。
说明什么是开环控制系统和闭环控制系统, 并
指出实际生产过程的自动控制系统, 绝大多数
是闭环控制系统, 也就是负反馈控制系统 。 本
章还介绍了自动控制系统的若干分类方法 。
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? 本章介绍了对自动控制系统的性能要求, 即稳
定性, 快速性和准确性 。 一个自动控制系统的
最基本要求是稳定性, 然后进一步要求快速性
和准确性, 当后两者存在矛盾时, 设计自动控
制系统要兼顾两方面的要求 。
? 本章最后一节介绍了自动控制理论发展的四个
阶段, 即经典控制理论, 现代控制理论, 大系
统理论和智能控制理论阶段 。
