1
,控制理论基础,
上海交通大学自动化系田作华
Zhtian@sjtu.edu.cn
2
第一章 绪论
1－ 1 自动控制及其发展一,概述
1,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（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力,PH值等）准确地按照预期的规律运行。
2,自动控制系统是指实现上述控制目的，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。
3
1－ 1 自动控制及其发展
3,控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。
从物理角度上看,自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；
从数学角度上看,研究的是输入与输出之间的映射关系。
输入 输出控制系统
4
1－ 1 自动控制及其发展二,自动控制理论的发展
1、经典控制理论研究的主要对象是单输入、单输出 —— 单变量系统。
如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出 —— 多变量系统。
如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
5
经典控制理论与现代控制理论比较项目 经典控制理论 现代控制理论研究对象 线性定常系统
（单输入、单输出）
线性、非线性、定常、
时变系统
（多输入、多输出）
描述方法 传递函数
（输入、输出描述 ）
向量空间
（状态空间描述）
研究办法 根轨迹法和频率法 状态空间法研究目标 系统分析及给定输入、
输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计
6
二,自动控制理论的发展
3,大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论,研究的对象具有规模庞大,
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 。
如：人体,我们就可以看作为一个大系统,其中有体温的控制,情感的控制,人体血液中各种成分的控制等等 。
大系统控制理论目前仍处于发展阶段 。
7
二,自动控制理论的发展
4,智能控制这是近年来新发展起来的一种控制技术,是人工智能在控制上的应用 。 它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 。
学派,结构派 和 功能派它是一门新兴的控制学科,有些问题尚存有争议,然而由于它实用性强,能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题
（ 如建模等 ）,因此得到了人们极大的重视,。
8
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
1,温控系统：人工控制调压器温度计电热丝炉子
220
9
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程：
输入信号
（期望炉温）
输出信号
（实际炉温）
脑
（计算、比较）
放大、执行
（手臂、手）
被控对象
（电热丝、炉子）
测量
（眼睛）
10
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
2,温控系统：自动控制电 压放 大 器功 率放 大 器
Eu?rubu +_
+
_
炉 子热 电 偶电 热 丝给 定 信 号电 动 机减 速 器调 压 器 220
+
_
11
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程：
b
u
u?+
_
实际温度电压放大器 功率放大器 炉子热电偶电机、减速器、
调压器期望温度
ru
12
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成一般的形式输入信号 ——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。
控制系统 ——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。
输出信号 ——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。
输入信号 输出信号放大比较 执行 被控对象测量
13
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成火炮自动跟踪系统 ——“火炮打飞机,
+
_ _
受信仪 放大器 减速器校正装置检测装置电机
+
14
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
3,典型的反馈控制系统的结构图输 入信 号偏 差信 号比 较 元 件主 反 馈反 馈 信 号输 出信 号
+
_
()rt ()et()bt ()ct
控 制元 件放 大元 件执 行元 件被 控对 象反 馈 元 件
15
第三节 自动控制系统的分类一、按信号的传递路径来分
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。
图纸程序指令
（步进电机）
微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
16
第三节 自动控制系统的分类
2、闭环控制系统系统输出信号与测量元件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，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。
位移微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具反馈测量元件图纸
17
第三节 自动控制系统的分类二、按系统的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）
特点：输入信号是一个恒定的数值。 工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。
2、过程控制系统（或称程序控制系统）
特点：输入信号是一个已知的函数。 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输入，如化工中的压力、温度、流量控制。
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
18
第三节 自动控制系统的分类
3、随动系统（或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。 要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。
该系统要求有较好的跟踪能力。
19
第三节 自动控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分
1、连续系统特点,系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表 PID调节器控制的系统。
2、离散系统特点,系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。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。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。
20
第三节 自动控制系统的分类输入 输出采样开关
+
_
()et ()et
保持器 被控过程输入 输出+
_
AD DA计算机 放大器 执行器 被控对象反馈装置
21
第三节 自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分
1、线性系统特点,系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：
式中,r(t)—— 系统输入量； c(t)—— 系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。
c ( t )adtd c ( t )adt c ( t )dadt c ( t )da 011-n
1-n
1-n
1-nn
n
n
n
r ( t )bdtd r ( t )bdt r ( t )dbdt r ( t )db 011-m
1-m
1-m
1-mm
m
m
m
22
第三节 自动控制系统的分类
2、非线性系统特点,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。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。
其他的分类方法：
按功能来分,温度控制系统、速度控制系统、
位置控系统等。
按元件组成分,机电系统、液压系统、生物系统等。
23
第四节 对控制系统的要求及典型信号
基本要求：稳定性 快速性 准确性
典型信号：
1,脉冲信号
ht
h
tht
tr
0,1
0,,0
)(
1)(
0,
0,0
)(
dttr
t
t
tr
1)(?sR
24
2.阶跃信号
3.斜坡信号
0
00
t)t(au
t)t(r
ssR
1)(?
第四节 对控制系统的要求及典型信号
2
1)(
ssR?
0
00
)(
tat
t
tr
25
第四节 对控制系统的要求及典型信号加速度信号谐波信号 P374
指数信号 P374
0
0
2
1
0
)( 2 ttattr 31)( ssR?
,控制理论基础,
上海交通大学自动化系田作华
Zhtian@sjtu.edu.cn
2
第一章 绪论
1－ 1 自动控制及其发展一,概述
1,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（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力,PH值等）准确地按照预期的规律运行。
2,自动控制系统是指实现上述控制目的，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。
3
1－ 1 自动控制及其发展
3,控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。
从物理角度上看,自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；
从数学角度上看,研究的是输入与输出之间的映射关系。
输入 输出控制系统
4
1－ 1 自动控制及其发展二,自动控制理论的发展
1、经典控制理论研究的主要对象是单输入、单输出 —— 单变量系统。
如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出 —— 多变量系统。
如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
5
经典控制理论与现代控制理论比较项目 经典控制理论 现代控制理论研究对象 线性定常系统
（单输入、单输出）
线性、非线性、定常、
时变系统
（多输入、多输出）
描述方法 传递函数
（输入、输出描述 ）
向量空间
（状态空间描述）
研究办法 根轨迹法和频率法 状态空间法研究目标 系统分析及给定输入、
输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计
6
二,自动控制理论的发展
3,大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论,研究的对象具有规模庞大,
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 。
如：人体,我们就可以看作为一个大系统,其中有体温的控制,情感的控制,人体血液中各种成分的控制等等 。
大系统控制理论目前仍处于发展阶段 。
7
二,自动控制理论的发展
4,智能控制这是近年来新发展起来的一种控制技术,是人工智能在控制上的应用 。 它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 。
学派,结构派 和 功能派它是一门新兴的控制学科,有些问题尚存有争议,然而由于它实用性强,能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题
（ 如建模等 ）,因此得到了人们极大的重视,。
8
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
1,温控系统：人工控制调压器温度计电热丝炉子
220
9
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程：
输入信号
（期望炉温）
输出信号
（实际炉温）
脑
（计算、比较）
放大、执行
（手臂、手）
被控对象
（电热丝、炉子）
测量
（眼睛）
10
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
2,温控系统：自动控制电 压放 大 器功 率放 大 器
Eu?rubu +_
+
_
炉 子热 电 偶电 热 丝给 定 信 号电 动 机减 速 器调 压 器 220
+
_
11
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制目标,要求炉子的温度恒定在期望的数值上。
控制过程：
b
u
u?+
_
实际温度电压放大器 功率放大器 炉子热电偶电机、减速器、
调压器期望温度
ru
12
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成一般的形式输入信号 ——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。
控制系统 ——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。
输出信号 ——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。
输入信号 输出信号放大比较 执行 被控对象测量
13
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成火炮自动跟踪系统 ——“火炮打飞机,
+
_ _
受信仪 放大器 减速器校正装置检测装置电机
+
14
第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成
3,典型的反馈控制系统的结构图输 入信 号偏 差信 号比 较 元 件主 反 馈反 馈 信 号输 出信 号
+
_
()rt ()et()bt ()ct
控 制元 件放 大元 件执 行元 件被 控对 象反 馈 元 件
15
第三节 自动控制系统的分类一、按信号的传递路径来分
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。
图纸程序指令
（步进电机）
微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
16
第三节 自动控制系统的分类
2、闭环控制系统系统输出信号与测量元件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，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。
位移微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具反馈测量元件图纸
17
第三节 自动控制系统的分类二、按系统的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）
特点：输入信号是一个恒定的数值。 工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。
2、过程控制系统（或称程序控制系统）
特点：输入信号是一个已知的函数。 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输入，如化工中的压力、温度、流量控制。
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
18
第三节 自动控制系统的分类
3、随动系统（或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。 要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。
该系统要求有较好的跟踪能力。
19
第三节 自动控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分
1、连续系统特点,系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表 PID调节器控制的系统。
2、离散系统特点,系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。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。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。
20
第三节 自动控制系统的分类输入 输出采样开关
+
_
()et ()et
保持器 被控过程输入 输出+
_
AD DA计算机 放大器 执行器 被控对象反馈装置
21
第三节 自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分
1、线性系统特点,系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：
式中,r(t)—— 系统输入量； c(t)—— 系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。
c ( t )adtd c ( t )adt c ( t )dadt c ( t )da 011-n
1-n
1-n
1-nn
n
n
n
r ( t )bdtd r ( t )bdt r ( t )dbdt r ( t )db 011-m
1-m
1-m
1-mm
m
m
m
22
第三节 自动控制系统的分类
2、非线性系统特点,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。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。
其他的分类方法：
按功能来分,温度控制系统、速度控制系统、
位置控系统等。
按元件组成分,机电系统、液压系统、生物系统等。
23
第四节 对控制系统的要求及典型信号
基本要求：稳定性 快速性 准确性
典型信号：
1,脉冲信号
ht
h
tht
tr
0,1
0,,0
)(
1)(
0,
0,0
)(
dttr
t
t
tr
1)(?sR
24
2.阶跃信号
3.斜坡信号
0
00
t)t(au
t)t(r
ssR
1)(?
第四节 对控制系统的要求及典型信号
2
1)(
ssR?
0
00
)(
tat
t
tr
25
第四节 对控制系统的要求及典型信号加速度信号谐波信号 P374
指数信号 P374
0
0
2
1
0
)( 2 ttattr 31)( ssR?
