基于MATLAB仿真的多媒体授课教材解放军信息工程大学本章要解决的问题：
1、什么是自动控制系统？
第1章
绪
论
2、自动控制理论的发展过程如何？它在国民经济中有什么作用？
3、什么是开环控制系统？什么是闭环控制系统？它们的特点是什么？
4、自动控制系统是如何分类的？
6、什么是典型输入信号？研究自动控制系统
时用到哪些典型输入信号？
5、自动控制系统的性能是如何评价的？
自动控制理论是自动化学科的重要
理论基础，是研究自动控制系统共同规
律的技术科学，专门研究自动控制系统
的基本原理和基本方法。
1.1 自动控制理论的发展及其在国民经济中的作用自动控制理论的发展及其在国民经济中的作用在现代科学技术的众多领域中，自动控
制技术起着越来越重要的作用。自动控制技
术给人们提供了获得动态系统最佳性能的方
法，从普通的工业生产到尖端的国防科技，
到处都有自动控制技术大显身手的空间，它
使得无数高难度的、复杂的、高精度的控制
成为可能。
提高了产品质量降低了生产成本提高了劳动生产率解放了生产力一、自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达自动跟踪目标；
人造卫星、宇宙飞船的发射与回收；
导弹的精确制导；
无人驾驶飞机的飞行控制等。
二、自动控制技术应用于民用领域工业生产过程控制等。
电机转速控制；
锅炉的温度和压力控制；
电压自动稳定控制；
机器人控制；
自动控制理论的发展过程自动控制理论的发展过程
20世纪初期——
以反馈理论为基础的自动调节原理第二次世界大战后——
以传递函数为基础的经典控制理论
20世纪 60年代——
以状态变量为基础的现代控制理论目前——
以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论
1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念
1、手动控制与自动控制水箱水位的手动控制：
水箱水位的自动控制：
自动控制是在人不直接参与的情况下，利用
外加设备或装置（称为自动控制装置）使被控对
象（如机器、设备、生产过程等）自动地按照预
定的规律运行，使被控对象的一个或多个物理参
数（如温度、流量成分等）能够自动地在一定的
精度范围内，按照给定的规律变化。
1）必须给定水位要求值，需要水位 给定元件。
比较一下自动控制与手动控制的共同之处：
2 ）必须测量实际水位，需要 测量元件。
3 ）必须比较实际水位与要求水位，需要 比较元件。
4 ）必须产生控制策略，需要 调节元件。
5 ）必须操纵阀门，需要 执行元件。
6 ）必须有被控对象，即水箱中的水，
被控量为水箱水位。
典型控制系统的原理框图
2、自动控制系统的组成自动控制系统由上述的六大要素组成
(1)输入信号,指给定装置输出的给定信号，
又称为参考输入或 给定量。
3、
、
自动控制系统中信号的定义自动控制系统中信号的定义
(2)输出信号( 被控量 )：指控制系统中被控制
的物理量。
(3)反馈信号,将系统( 或环节) 的输出信号经变
换、处理后送到系统
(或环节 ) 的输入端的信
号。
(5)误差信号,它指系统输出量的希望值与实
际值之差。在单位反馈情况下，误差信号等
于偏差信号。
(6)扰动信号,除控制信号以外，对系统的输出
有影响的信号。
(4)偏差信号,输入信号与反馈信号之差。
1.3 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制
1、
开环控制开环控制系统是指没有被控量反馈的控制
系统,即被控量对于控制作用没有任何影响的
系统。结构如图所示。
1） 不对输出量进行检测，即便对输出量进行
检测，也只是为了观察，不是用于控制。
开环控制系统具有如下特点：
2） 只要被控对象稳定，系统就能稳定的工作，
控制简单。
3） 当被控对象或控制装置受到干扰，或系统
参数发生变化时，会直接影响被控量，系统对
此无能为力。
2、
闭环控制(反馈控制)
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制。
从系统中信号流向看，系统的输出信号沿反馈通
道又回到系统的输入端,构成闭合通道，故称闭
环控制系统，或反馈控制系统。
1） 必须对输出量进行检测，并且用于系统控
制。
闭环控制系统具有如下特点：
2） 闭环控制是偏差控制，闭环控制系统的突
出优点是利用偏差来纠正偏差，使系统达到较
高的控制精度。
3） 与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较复杂，构造比较困难。
4）闭环控制系统存在着稳定性问题。
问题：
能不能说：对于任何系统，闭环控制都比开
环控制好？
自动控制原理研究在扰动存在并考虑
参数变化的条件下，闭环系统的性能分析
和系统设计问题。
1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类
1、按信号流向划分
1）开环控制系统
2）闭环控制系统
2、
按系统的输入信号划分
1）恒值调节系统( 自动调节系统)
2）随动系统（跟踪系统）
3）程序控制系统
3、
按元器件特性划分
1）线性系统
2）非线性系统
4、
按微分方程系数的时变性分
1）定常系统
2）时变系统
5、按信号的连续性分
1）连续系统
2）离散系统
6、
按输入输出数量分
1）单输入单输出系统( 单变量系统)
2）多输入多输出系统( 多变量系统)
1.5
1.5
自动控制系统的性能评价自动控制系统的性能评价评价自动控制系统的好坏可用稳、准、好三个字来表示。
1、稳 (稳定性)
2、
准(稳态精度)
3、
好(动态过程)
≥
<
=
0
00
)(
tA
t
tr
1、
阶跃函数常采用的典型输入信号有：
1.6 典型输入信号典型输入信号
2、
斜坡函数（等速度函数）
≥
<
=
0
00
)(
tAt
t
tr
≥
<
=
0
2
1
00
)(
2
tAt
t
tr
3、
抛物线函数（等加速度函数）
4、
脉冲函数
00
() 0
0
t
A
rt t
t
ε
ε
ε
<
=≤≤
>?
5、
正弦函数
≥
<
=
0sin
00
)(
ttA
t
tr
ω
1.7 自动控制系统实例自动控制系统实例
1,发电机电压自动调节系统
2,角度随动系统
3,造纸机同步传动控制系统
1.8 本课程的内容梗概本课程的内容梗概一、自动控制理论要解决的问题自动控制理论的内容与自动控制系统需
要研究的问题密切相关。要研究的问题有两
个方面，一个是控制系统的分析；一个是控
制系统的设计（综合） 。
根据对自动控制系统性能的评价标准,
控制系统分析包括三个方面内容：
①稳定性分析；
②稳态性能分析；
③动态性能分析。
（－）自动控制系统的分析所谓系统分析，就是对于一个给定的系
统，在规定的工作条件下，对其数学模型进行
分析研究，看其性能指标是否满足要求；分析
某些参数变化对系统性能的影响。
所谓系统综合，就是根据已知的输入和要
求的输出，按照规定的性能指标，构造合理
的系统结构，确定校正装置的参数,使系统满
足要求的性能指标。
系统综合是系统分析的逆问题，而且是
更困难更复杂的问题。
（二）自动控制系统的设计（综合）
线性系统的数学模型有哪些基本形式？
二、线性控制系统的数学模型不同形式的数学模型分别适用于那些场合？
这些数学模型是怎么建立的？
数学模型是如何进行计算和变换的？
三、线性控制系统的分析方法
1、时域分析法
a,系统参数与系统性能指标的关系。
研究：
b,系统的零、极点与时域响应的关系。
c,用根轨迹法研究系统闭环极点随系统参数的变化规律。
d,系统的稳态误差与系统参数和输入信号的关系。
2、频域分析法
a,频域稳定性分析。
b,频率特性与系统动态特性的关系。
c,频率特性与系统稳态性能的关系 。
四、线性控制系统的设计方法系统综合的类型主要有：
1） 串联校正
2） 局部反馈校正
3） 复合校正系统设计的方法主要有：
1、根轨迹法
2、频率法五,MATLAB仿真工具在自动控制系统分析和设计中的应用
MATLAB已经成为自动控制系统分析和设
计的重要工具，学会使用 MATLAB进行自动控
制系统的分析和设计，对于一个从事自动控制
专业的工程技术人员来说是非常重要的。
本章小结本章小结
1、什么是自动控制系统？
3、自动控制原理研究的是开环控制系统还是闭环控制系统？
4、闭环控制的基本原理是什么？
5、控制系统有哪些分类方法？
2、自动控制系统由哪些基本元件组成？
6、自动控制系统的性能如何评价？
7、常用的典型输入信号有哪些？
8,自动控制理论要解决两个基本问题，是什
么？
一、自动控制系统的定义及组成。
二、自动控制系统中信号的定义。
二、自动控制系统中信号的定义。
三、闭环控制的基本原理及闭环系统的特点。
四、自动控制系统的性能评价方法。
五、典型输入信号。
本章掌握要点
1、什么是自动控制系统？
第1章
绪
论
2、自动控制理论的发展过程如何？它在国民经济中有什么作用？
3、什么是开环控制系统？什么是闭环控制系统？它们的特点是什么？
4、自动控制系统是如何分类的？
6、什么是典型输入信号？研究自动控制系统
时用到哪些典型输入信号？
5、自动控制系统的性能是如何评价的？
自动控制理论是自动化学科的重要
理论基础，是研究自动控制系统共同规
律的技术科学，专门研究自动控制系统
的基本原理和基本方法。
1.1 自动控制理论的发展及其在国民经济中的作用自动控制理论的发展及其在国民经济中的作用在现代科学技术的众多领域中，自动控
制技术起着越来越重要的作用。自动控制技
术给人们提供了获得动态系统最佳性能的方
法，从普通的工业生产到尖端的国防科技，
到处都有自动控制技术大显身手的空间，它
使得无数高难度的、复杂的、高精度的控制
成为可能。
提高了产品质量降低了生产成本提高了劳动生产率解放了生产力一、自动控制技术应用于军事、航天领域火炮、雷达自动跟踪目标；
人造卫星、宇宙飞船的发射与回收；
导弹的精确制导；
无人驾驶飞机的飞行控制等。
二、自动控制技术应用于民用领域工业生产过程控制等。
电机转速控制；
锅炉的温度和压力控制；
电压自动稳定控制；
机器人控制；
自动控制理论的发展过程自动控制理论的发展过程
20世纪初期——
以反馈理论为基础的自动调节原理第二次世界大战后——
以传递函数为基础的经典控制理论
20世纪 60年代——
以状态变量为基础的现代控制理论目前——
以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论
1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念
1、手动控制与自动控制水箱水位的手动控制：
水箱水位的自动控制：
自动控制是在人不直接参与的情况下，利用
外加设备或装置（称为自动控制装置）使被控对
象（如机器、设备、生产过程等）自动地按照预
定的规律运行，使被控对象的一个或多个物理参
数（如温度、流量成分等）能够自动地在一定的
精度范围内，按照给定的规律变化。
1）必须给定水位要求值，需要水位 给定元件。
比较一下自动控制与手动控制的共同之处：
2 ）必须测量实际水位，需要 测量元件。
3 ）必须比较实际水位与要求水位，需要 比较元件。
4 ）必须产生控制策略，需要 调节元件。
5 ）必须操纵阀门，需要 执行元件。
6 ）必须有被控对象，即水箱中的水，
被控量为水箱水位。
典型控制系统的原理框图
2、自动控制系统的组成自动控制系统由上述的六大要素组成
(1)输入信号,指给定装置输出的给定信号，
又称为参考输入或 给定量。
3、
、
自动控制系统中信号的定义自动控制系统中信号的定义
(2)输出信号( 被控量 )：指控制系统中被控制
的物理量。
(3)反馈信号,将系统( 或环节) 的输出信号经变
换、处理后送到系统
(或环节 ) 的输入端的信
号。
(5)误差信号,它指系统输出量的希望值与实
际值之差。在单位反馈情况下，误差信号等
于偏差信号。
(6)扰动信号,除控制信号以外，对系统的输出
有影响的信号。
(4)偏差信号,输入信号与反馈信号之差。
1.3 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制
1、
开环控制开环控制系统是指没有被控量反馈的控制
系统,即被控量对于控制作用没有任何影响的
系统。结构如图所示。
1） 不对输出量进行检测，即便对输出量进行
检测，也只是为了观察，不是用于控制。
开环控制系统具有如下特点：
2） 只要被控对象稳定，系统就能稳定的工作，
控制简单。
3） 当被控对象或控制装置受到干扰，或系统
参数发生变化时，会直接影响被控量，系统对
此无能为力。
2、
闭环控制(反馈控制)
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制。
从系统中信号流向看，系统的输出信号沿反馈通
道又回到系统的输入端,构成闭合通道，故称闭
环控制系统，或反馈控制系统。
1） 必须对输出量进行检测，并且用于系统控
制。
闭环控制系统具有如下特点：
2） 闭环控制是偏差控制，闭环控制系统的突
出优点是利用偏差来纠正偏差，使系统达到较
高的控制精度。
3） 与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较复杂，构造比较困难。
4）闭环控制系统存在着稳定性问题。
问题：
能不能说：对于任何系统，闭环控制都比开
环控制好？
自动控制原理研究在扰动存在并考虑
参数变化的条件下，闭环系统的性能分析
和系统设计问题。
1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类
1、按信号流向划分
1）开环控制系统
2）闭环控制系统
2、
按系统的输入信号划分
1）恒值调节系统( 自动调节系统)
2）随动系统（跟踪系统）
3）程序控制系统
3、
按元器件特性划分
1）线性系统
2）非线性系统
4、
按微分方程系数的时变性分
1）定常系统
2）时变系统
5、按信号的连续性分
1）连续系统
2）离散系统
6、
按输入输出数量分
1）单输入单输出系统( 单变量系统)
2）多输入多输出系统( 多变量系统)
1.5
1.5
自动控制系统的性能评价自动控制系统的性能评价评价自动控制系统的好坏可用稳、准、好三个字来表示。
1、稳 (稳定性)
2、
准(稳态精度)
3、
好(动态过程)
≥
<
=
0
00
)(
tA
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1、
阶跃函数常采用的典型输入信号有：
1.6 典型输入信号典型输入信号
2、
斜坡函数（等速度函数）
≥
<
=
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≥
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2
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3、
抛物线函数（等加速度函数）
4、
脉冲函数
00
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0
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ε
ε
ε
<
=≤≤
>?
5、
正弦函数
≥
<
=
0sin
00
)(
ttA
t
tr
ω
1.7 自动控制系统实例自动控制系统实例
1,发电机电压自动调节系统
2,角度随动系统
3,造纸机同步传动控制系统
1.8 本课程的内容梗概本课程的内容梗概一、自动控制理论要解决的问题自动控制理论的内容与自动控制系统需
要研究的问题密切相关。要研究的问题有两
个方面，一个是控制系统的分析；一个是控
制系统的设计（综合） 。
根据对自动控制系统性能的评价标准,
控制系统分析包括三个方面内容：
①稳定性分析；
②稳态性能分析；
③动态性能分析。
（－）自动控制系统的分析所谓系统分析，就是对于一个给定的系
统，在规定的工作条件下，对其数学模型进行
分析研究，看其性能指标是否满足要求；分析
某些参数变化对系统性能的影响。
所谓系统综合，就是根据已知的输入和要
求的输出，按照规定的性能指标，构造合理
的系统结构，确定校正装置的参数,使系统满
足要求的性能指标。
系统综合是系统分析的逆问题，而且是
更困难更复杂的问题。
（二）自动控制系统的设计（综合）
线性系统的数学模型有哪些基本形式？
二、线性控制系统的数学模型不同形式的数学模型分别适用于那些场合？
这些数学模型是怎么建立的？
数学模型是如何进行计算和变换的？
三、线性控制系统的分析方法
1、时域分析法
a,系统参数与系统性能指标的关系。
研究：
b,系统的零、极点与时域响应的关系。
c,用根轨迹法研究系统闭环极点随系统参数的变化规律。
d,系统的稳态误差与系统参数和输入信号的关系。
2、频域分析法
a,频域稳定性分析。
b,频率特性与系统动态特性的关系。
c,频率特性与系统稳态性能的关系 。
四、线性控制系统的设计方法系统综合的类型主要有：
1） 串联校正
2） 局部反馈校正
3） 复合校正系统设计的方法主要有：
1、根轨迹法
2、频率法五,MATLAB仿真工具在自动控制系统分析和设计中的应用
MATLAB已经成为自动控制系统分析和设
计的重要工具，学会使用 MATLAB进行自动控
制系统的分析和设计，对于一个从事自动控制
专业的工程技术人员来说是非常重要的。
本章小结本章小结
1、什么是自动控制系统？
3、自动控制原理研究的是开环控制系统还是闭环控制系统？
4、闭环控制的基本原理是什么？
5、控制系统有哪些分类方法？
2、自动控制系统由哪些基本元件组成？
6、自动控制系统的性能如何评价？
7、常用的典型输入信号有哪些？
8,自动控制理论要解决两个基本问题，是什
么？
一、自动控制系统的定义及组成。
二、自动控制系统中信号的定义。
二、自动控制系统中信号的定义。
三、闭环控制的基本原理及闭环系统的特点。
四、自动控制系统的性能评价方法。
五、典型输入信号。
本章掌握要点
