自动控制原理
第一章
自动控制的一般概念
? 1.1 引言
? 1.3闭环控制和开环控制
? 1.2自动控制系统示例
? 1.4自动控制系统的分类
? 1.5对自动控制系统的基本要求
历史的回顾
指 南 车 复 原 模 型
1.1 引言
指南车 是中国古代用来指示方向的一种具有
能自动离合的齿轮系装置的车辆。
其结构为马拉的双轮独辕车，车箱上立一个
伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。
齿轮系
车辆
转弯 方向
木 人车 身
当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向
移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放
落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方
向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。
指
南
车
原
理
? 18世纪，
James Watt
为控制蒸汽
机速度设计
的离心调节
器，是自动
控制领域的
第一项重大
成果。
? 1934年,Hezen提出了用于位置控
制系统的伺服机构的概念，讨论
了可以精确跟踪变化的输入信号
的机电伺服机构。
? 1932年,Nyquist提出了一种根据
系统的开环频率响应 (对稳态正弦
输入 )，确定闭环系统稳定性的方
法。
? 19世纪 40年代，频率响应法为
闭环控制系统提供了一种可行
方法,Evans提出并完善了根轨
迹法。
? 19世纪 50年代末，控制系统设
计问题的重点从设计许多可行
系统中的一种系统，转到设计
在某种意义上的最佳系统。
? 20世纪 60年代，数字计算机的出现为
复杂系统的基于时域分析的现代控制
理论提供了可能。
? 从 1960年到 1980，确定性系统、随机
系统的最佳控制，及复杂系统的自适
应和学习控制，都得到充分的研究。
? 从 1980年到现在，现代控制理论进展
集中于鲁棒控制,H∞控制及其相关课
题。
经典控制理论
以传递函数为
基础，研究单输
入 -单输出一类定
常控制系统的分
析与设计问题。
这些理论由于其
发展较早，现已
臻成熟。
现代控制理论
以状态空间法
为基础，研究多
输入 -多输出、时
变、非线性一类
控制系统的分析
与设计问题。系
统具有高精度和
高效能的特点。
自动控制原理中的一些术语
? 1 自动控制
在无人直接参与的情况下，通过控制器使
被控对象或过程自动地按照预定要求进行。
? 2 对象
是一个设备，它是由一些机器零件有机
地组合在一起的，其作用是完成一个特定的
动作。
在下面的讨论中，称任何被控物体（如加
热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
? 3 过程
称任何被控制的运行状态为过程，其具
体例子如化学过程、经济学过程、生物学
过程。
? 4 系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。
? 5 扰动
扰动是一种对系统的输出产生不利影
响的信号。如果扰动产生在系统内部称为
内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量之一。
反馈本质 ——
测量偏差，利用偏差，减少
（乃至消除）偏差
? 6 反馈控制
反馈控制是这样一种控制过程，它能够
在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出
量与参考输入量（也称参考量）（或者任意
变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工
作正是基于这一偏差基础之上的。
应当指出，反馈控制系统不限于
工程范畴，在各种非工程范畴内，
诸如经济学和生物学中，也存在着
反馈控制系统。
? 7 反馈控制系统
反馈控制系统是一种能对输出量与参考
输入量进行比较，并力图保持两者之间的
既定关系的系统，它利用输出量与输入量
的偏差来进行控制。
? 8 随动系统
随动系统是一种反馈控制系统，在这种
系统中，输出量是机械位移、速度或者加速
度。因此，随动系统这个术语，与位置（或
速度或加速度）控制系统是同义语。在现代
工业中，广泛采用着随动系统。
? 9 过程控制
在工业生产过程中，诸如对压力、温度、
湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比
例等方面的控制，称为过程控制。
1.2 自动控制系统示例
The Boeing 777 fly-by-wire aircraft
The F-18 aircraft,one of the first production
military fighters to use,fly-by-wire” technology.
现代化的化工厂
The
Seagate
Barracuda
36ES2
disk
drive
热力系统的人工反馈控制
热力系统的自动反馈控制
1.3 开环控制与闭环控制
1.3.1 反馈控制 系统
1 反馈
负反馈与正反馈 —— 把取出的输出量送
回输入端，并与输入信号相比较产生偏
差信号的过程，称为反馈。若反馈的信
号与输入信号相减，使产生的偏差越来
越小，则称为负反馈；反之，则称为正
反馈。
2 反馈控制系统
能对输入量与输出量进行比较，
并且将它们的偏差作为控制手段，以
保持两者之间预定关系的系统，称为
反馈控制系统。由于引入了被反馈量
的反馈信息，整个控制过程成为闭合
的，因此反馈控制也称为闭环控制。
3 闭环控制
凡是系统输出信号对控制作用有直接影
响的系统，都称为闭环系统。输入信号和
反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，
也可以是输出信号的函数或导数）之差，
称为误差信号，误差信号加到控制器上，
以减小系统的误差，并使系统的输出量趋
于所希望的值，换句话说，“闭环”这个
术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系
统的误差。
闭环控制系统
输入量 控制器
对象
或过程
测量元件
输出量
1.3.2 反馈控制系统的基本组成
? 被控对象（或过程）
? 控制装置
由具有一定职能的各种基本元件组成：
? 测量元件,其职能是测量被控制的物理量；
?给定元件,其职能是给出与期望的被控量相
对应的系统输入量（即参考量）；
? 比较元件,把测量元件检测的被控量实际
值
与给定元件给出的参考量进行
比
? 校正元件,亦称补偿元件，它是结构或参数便
于调整的元件，用串联或反馈的方式
连接在系统中，以改善系统性能。
? 控制装置（续）
? 放大元件,将比较元件给出的偏差进行放
大，
用来推动执行元件去控制被控对象；? 执行元件,直接推动被控对象，使其被控量发
生变化；
输入量 串联补
偿元件
测量元件
输出量放大
元件
执行
元件
被控
对象
反馈补
偿元件
主反馈
为改善系
统性能
反馈控制系统的基本组成图
? 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路；
? 用, ○, 号代表比较元件,,—”号代表两者符号相反,,+”
号代表两者符号相同。
? 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；
? 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。
? 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
1.3.3 开环控制系统
输入量 控制器 对象
或过程
输出量
开环控制系统结构图
? 定义
如果系统的输出量与输入量间不存在
反馈的通道，这种控制方式称为开环
控制系统。
1.3.4 闭环与开环控制系统的比较
?闭环控制系统的特点：
偏差控制，可以抑制内、外扰动对被
控制量产生的影响。精度高、结构复杂，
设计、分析麻烦。
?开环控制系统的特点：
顺向作用，没有反向的联系，没有修
正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、
调整方便、成本低。
1.4 自动控制系统的分类
开环控制
闭环控制 (反馈控制 )
复合控制
? 按系统功用分
温度控制系统
压力控制系统
位置控制系统
………
? 控制方式分
按系统
性能分
线性系统
非线性系统 齐次性、叠加性
连续系统
离散系统 采样时间间隔
定常系统
时变系统 系统随时间变化
确定性系统
随机系统 系统的统计特性
按参据量
变化
规律分
1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1对自动控制系统性能的基本要求
恒值控制系统－－抗扰动
随动系统－－跟踪输入
程序控制系统－－跟踪预定规律
可以归结为 稳 定性（长期稳定性）、
准 确性（精度）和 快 速性（相对稳定性）
简言之,☆稳 ☆准 ☆快
?稳定性：
1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，
经过一定时间的调整能够回到原来的期望
值。
2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据
量的变化。
3 稳定性是对系统的基本要求，不稳定
的系统不能实现预定任务。线性系统的稳
定性由系统的结构决定，与外界因素无关。
?快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般
称为动态性能。
高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如
果目标变动迅速,而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标 。
? 准确性,用稳态误差来表示。
在参考输入信号作用下，当系统达到稳态
后，其稳态输出与参考输入所要求的期望
输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种
误差越小，表示系统的输出跟随参考输入
的精度越高。
1.5.2本课程的任务
课程所要研究的两大课题：
1）、对于一个具体的控制系统，如何从理
论上对它的动态性能和稳态精度进行定
性的分析和定量的计算。
2）、根据对系统性能的要求，如何合理地
设计校正装置，使系统的性能能全面地
满足技术上的要求。
H
注 入
控 制 器
（ 比 较, 放 大 ）
Q1 浮 子
流 出
Q2
气 动 阀 门
液位系统原理图
自动控制系统举例
希 望 液 位 实 际 液 位
放 大 元 件 气 动 阀 门 水 箱
浮 子
控 制 器 注 入
控制器：比较、放大的作用
浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量
气动阀门：执行机构
被控对象：水箱
液位系统方框图
眼 睛 － 测 量 装 置 （ 浮 子 ）
手 － 气 动 阀 门
头 脑 － 控 制 器, 比 较, 计 算
希 望 液 位 实 际 液 位
肌 肉, 手 阀 门 水 箱
眼 睛
脑
对应的人工控制方框图
例题 P16，习题 1-3：
SM
G
G
K
K
负
载
负
载
自动调压系统 A 自动调压系统 B
if if＋
＋
－
－
＋
－
GG
?U ?U
＋
－
第一章
自动控制的一般概念
? 1.1 引言
? 1.3闭环控制和开环控制
? 1.2自动控制系统示例
? 1.4自动控制系统的分类
? 1.5对自动控制系统的基本要求
历史的回顾
指 南 车 复 原 模 型
1.1 引言
指南车 是中国古代用来指示方向的一种具有
能自动离合的齿轮系装置的车辆。
其结构为马拉的双轮独辕车，车箱上立一个
伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。
齿轮系
车辆
转弯 方向
木 人车 身
当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向
移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放
落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方
向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。
指
南
车
原
理
? 18世纪，
James Watt
为控制蒸汽
机速度设计
的离心调节
器，是自动
控制领域的
第一项重大
成果。
? 1934年,Hezen提出了用于位置控
制系统的伺服机构的概念，讨论
了可以精确跟踪变化的输入信号
的机电伺服机构。
? 1932年,Nyquist提出了一种根据
系统的开环频率响应 (对稳态正弦
输入 )，确定闭环系统稳定性的方
法。
? 19世纪 40年代，频率响应法为
闭环控制系统提供了一种可行
方法,Evans提出并完善了根轨
迹法。
? 19世纪 50年代末，控制系统设
计问题的重点从设计许多可行
系统中的一种系统，转到设计
在某种意义上的最佳系统。
? 20世纪 60年代，数字计算机的出现为
复杂系统的基于时域分析的现代控制
理论提供了可能。
? 从 1960年到 1980，确定性系统、随机
系统的最佳控制，及复杂系统的自适
应和学习控制，都得到充分的研究。
? 从 1980年到现在，现代控制理论进展
集中于鲁棒控制,H∞控制及其相关课
题。
经典控制理论
以传递函数为
基础，研究单输
入 -单输出一类定
常控制系统的分
析与设计问题。
这些理论由于其
发展较早，现已
臻成熟。
现代控制理论
以状态空间法
为基础，研究多
输入 -多输出、时
变、非线性一类
控制系统的分析
与设计问题。系
统具有高精度和
高效能的特点。
自动控制原理中的一些术语
? 1 自动控制
在无人直接参与的情况下，通过控制器使
被控对象或过程自动地按照预定要求进行。
? 2 对象
是一个设备，它是由一些机器零件有机
地组合在一起的，其作用是完成一个特定的
动作。
在下面的讨论中，称任何被控物体（如加
热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
? 3 过程
称任何被控制的运行状态为过程，其具
体例子如化学过程、经济学过程、生物学
过程。
? 4 系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。
? 5 扰动
扰动是一种对系统的输出产生不利影
响的信号。如果扰动产生在系统内部称为
内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量之一。
反馈本质 ——
测量偏差，利用偏差，减少
（乃至消除）偏差
? 6 反馈控制
反馈控制是这样一种控制过程，它能够
在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出
量与参考输入量（也称参考量）（或者任意
变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工
作正是基于这一偏差基础之上的。
应当指出，反馈控制系统不限于
工程范畴，在各种非工程范畴内，
诸如经济学和生物学中，也存在着
反馈控制系统。
? 7 反馈控制系统
反馈控制系统是一种能对输出量与参考
输入量进行比较，并力图保持两者之间的
既定关系的系统，它利用输出量与输入量
的偏差来进行控制。
? 8 随动系统
随动系统是一种反馈控制系统，在这种
系统中，输出量是机械位移、速度或者加速
度。因此，随动系统这个术语，与位置（或
速度或加速度）控制系统是同义语。在现代
工业中，广泛采用着随动系统。
? 9 过程控制
在工业生产过程中，诸如对压力、温度、
湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比
例等方面的控制，称为过程控制。
1.2 自动控制系统示例
The Boeing 777 fly-by-wire aircraft
The F-18 aircraft,one of the first production
military fighters to use,fly-by-wire” technology.
现代化的化工厂
The
Seagate
Barracuda
36ES2
disk
drive
热力系统的人工反馈控制
热力系统的自动反馈控制
1.3 开环控制与闭环控制
1.3.1 反馈控制 系统
1 反馈
负反馈与正反馈 —— 把取出的输出量送
回输入端，并与输入信号相比较产生偏
差信号的过程，称为反馈。若反馈的信
号与输入信号相减，使产生的偏差越来
越小，则称为负反馈；反之，则称为正
反馈。
2 反馈控制系统
能对输入量与输出量进行比较，
并且将它们的偏差作为控制手段，以
保持两者之间预定关系的系统，称为
反馈控制系统。由于引入了被反馈量
的反馈信息，整个控制过程成为闭合
的，因此反馈控制也称为闭环控制。
3 闭环控制
凡是系统输出信号对控制作用有直接影
响的系统，都称为闭环系统。输入信号和
反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，
也可以是输出信号的函数或导数）之差，
称为误差信号，误差信号加到控制器上，
以减小系统的误差，并使系统的输出量趋
于所希望的值，换句话说，“闭环”这个
术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系
统的误差。
闭环控制系统
输入量 控制器
对象
或过程
测量元件
输出量
1.3.2 反馈控制系统的基本组成
? 被控对象（或过程）
? 控制装置
由具有一定职能的各种基本元件组成：
? 测量元件,其职能是测量被控制的物理量；
?给定元件,其职能是给出与期望的被控量相
对应的系统输入量（即参考量）；
? 比较元件,把测量元件检测的被控量实际
值
与给定元件给出的参考量进行
比
? 校正元件,亦称补偿元件，它是结构或参数便
于调整的元件，用串联或反馈的方式
连接在系统中，以改善系统性能。
? 控制装置（续）
? 放大元件,将比较元件给出的偏差进行放
大，
用来推动执行元件去控制被控对象；? 执行元件,直接推动被控对象，使其被控量发
生变化；
输入量 串联补
偿元件
测量元件
输出量放大
元件
执行
元件
被控
对象
反馈补
偿元件
主反馈
为改善系
统性能
反馈控制系统的基本组成图
? 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路；
? 用, ○, 号代表比较元件,,—”号代表两者符号相反,,+”
号代表两者符号相同。
? 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；
? 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。
? 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
1.3.3 开环控制系统
输入量 控制器 对象
或过程
输出量
开环控制系统结构图
? 定义
如果系统的输出量与输入量间不存在
反馈的通道，这种控制方式称为开环
控制系统。
1.3.4 闭环与开环控制系统的比较
?闭环控制系统的特点：
偏差控制，可以抑制内、外扰动对被
控制量产生的影响。精度高、结构复杂，
设计、分析麻烦。
?开环控制系统的特点：
顺向作用，没有反向的联系，没有修
正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、
调整方便、成本低。
1.4 自动控制系统的分类
开环控制
闭环控制 (反馈控制 )
复合控制
? 按系统功用分
温度控制系统
压力控制系统
位置控制系统
………
? 控制方式分
按系统
性能分
线性系统
非线性系统 齐次性、叠加性
连续系统
离散系统 采样时间间隔
定常系统
时变系统 系统随时间变化
确定性系统
随机系统 系统的统计特性
按参据量
变化
规律分
1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1对自动控制系统性能的基本要求
恒值控制系统－－抗扰动
随动系统－－跟踪输入
程序控制系统－－跟踪预定规律
可以归结为 稳 定性（长期稳定性）、
准 确性（精度）和 快 速性（相对稳定性）
简言之,☆稳 ☆准 ☆快
?稳定性：
1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，
经过一定时间的调整能够回到原来的期望
值。
2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据
量的变化。
3 稳定性是对系统的基本要求，不稳定
的系统不能实现预定任务。线性系统的稳
定性由系统的结构决定，与外界因素无关。
?快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般
称为动态性能。
高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如
果目标变动迅速,而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标 。
? 准确性,用稳态误差来表示。
在参考输入信号作用下，当系统达到稳态
后，其稳态输出与参考输入所要求的期望
输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种
误差越小，表示系统的输出跟随参考输入
的精度越高。
1.5.2本课程的任务
课程所要研究的两大课题：
1）、对于一个具体的控制系统，如何从理
论上对它的动态性能和稳态精度进行定
性的分析和定量的计算。
2）、根据对系统性能的要求，如何合理地
设计校正装置，使系统的性能能全面地
满足技术上的要求。
H
注 入
控 制 器
（ 比 较, 放 大 ）
Q1 浮 子
流 出
Q2
气 动 阀 门
液位系统原理图
自动控制系统举例
希 望 液 位 实 际 液 位
放 大 元 件 气 动 阀 门 水 箱
浮 子
控 制 器 注 入
控制器：比较、放大的作用
浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量
气动阀门：执行机构
被控对象：水箱
液位系统方框图
眼 睛 － 测 量 装 置 （ 浮 子 ）
手 － 气 动 阀 门
头 脑 － 控 制 器, 比 较, 计 算
希 望 液 位 实 际 液 位
肌 肉, 手 阀 门 水 箱
眼 睛
脑
对应的人工控制方框图
例题 P16，习题 1-3：
SM
G
G
K
K
负
载
负
载
自动调压系统 A 自动调压系统 B
if if＋
＋
－
－
＋
－
GG
?U ?U
＋
－
