第一章 自动控制概论
基本组成（续）
<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差
信号进行放大，用来推动执行元件去控制受
控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等
组成的电压、功率放大器。
<5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使
其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压
马达等。
第一章 自动控制概论
基本组成（续）
自动控制原理
设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。
比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
交通系统：
• 安全、快捷、舒适、准点
钢 铁 生 产
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
家用电器：
• 电扇：控制转 速 • 洗衣机：控制水位、强弱、时间 等 • 电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
线性控制系统
连续控制系统
非线性控制系统
离散控制系统
现代控制（1950--Now ）
美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研 制出第一台数控机床(1952)；
美国George Devol研制出第一台工业机器人 样机(1954) ，两年后，被称为机器人之父的 Joseph Engelberger（约瑟夫·恩格伯格 ） 创立了第一家机器人公司：Unimation；
第一章 自动控制概论
二、闭环控制系统：
1. 定义：闭环控制——被控量与给定值比较后用 其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。
2. 特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出 现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去 减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于 一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t) 的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。
智能建筑：
通信 电梯 供水 通风
空调
安防
抄表
…
工业机器人：
其他机器人：
排爆
步行
灵巧手
吹笛
拉提琴
足球比赛
自动控制的应用领域
• • • • • 军事工业 航空航天 制造业 机器人 流程工业 钢铁、石化、 造纸、制药等
• 电子工业 • 家用电器 • 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 …
控制的定义
出水量 要求水位 实际水位
电位器连杆比较
〉
电机
阀门
水池
<控制器>
浮子
图1－4水位自动控制系统方框图
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无 法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出 量与参考输入量（或者任意变化的希望的状 态）之间的偏差，故称之为反馈控制。 显然： 反馈控制建立在偏差基础上，其控制 方式是“检测偏差再纠正偏差”。
浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏
差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。 最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。
进水 + 连 杆 实 际 水 位 浮子
M 电机
<
出水
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
自动控制
在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则 电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向 旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门 关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不 转，阀门不动。
第一章 自动控制概论
1. 2 人工控制和自动控制
控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。
1.2.1 人工控制
进水 要求水位 实际 水位 水 池 出水
图1－1 水位人工控制原理图
如图1－1所示， 水位保持系统。
第一章 自动控制概论
人工控制
若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变： 操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进
二、控制系统的传递方框图
测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信 号的极性。 扰动信号
给定信号
调节器 测量信号
执行机构 检测仪表
对象
被调参数
闭环控制系统结构图
二、控制系统的传递方框图
尽管实际控制系统元器件各不相同 , 但概括起来一般都应 包括以下几个基本环节
输入 输出
1
2
3
4
7
5
6
1.给定环节 2.比较环节 3.校正环节 4.放大环节 5.执行机构 6.控制对象 7.检测装置 控制系统结构框图
第一章 自动控制概论
开环控制系统（续）
1. 例如：直流电机开环调速系统如图1－7所示。
+
ug
功 放
+
Ua
负载
-
n
ug
功放
ua
电动机
图1－7 开环直流调速系统
n
第一章 自动控制概论
开环控制系统（续）
给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制
转速n。 改变ug→ua改变→n改变，ug与n一一对
应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改
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第一章 自动控制概论
如水位自动控制系统：
比较元件
进水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮子
输出量
M 电机
干扰 信号
出水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
干扰量
给定量 被控量 受控对象
控制器
自控系统
图1－5 自动控制系统
二、控制系统的传递方框图
在研究自动控制系统时，为便于分析和描 述，将系统按基本组成部分分解，并用传 递方块图来表示。
经典控制理论
现代控制理论
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。
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。
自动控制理论
经典控制理论 现代控制理论
在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消 输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋 于稳定；
若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正 反馈可以使信号得到加强。
自动控制理论的发展概况
按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。
n↑
△系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。
家用电冰箱的结构和制冷原理图
• 组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。 • 管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使 制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受 到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制 冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷 剂由液态立即变为气态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内 的温度降低，达到制冷的效果。
美国的M. E. Merchant 提出计算机集成制造 的概念(1969)；
日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工业机 器人组成的柔性制造单元(1976)；
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域 的计算机集成制造系统和智能机器人两个主 题 (1986)。
日本安川公司娱乐机械狗 (2001)；
上例中，将系统按基本组成部分分 解：
被控对象 偏差信号 执行机构 F
扰 动 信 号
输入
输出
电位器
放大器
电动机 浮子
减速器
注水阀
水槽
给定信号
测量信号
被控量
二、控制系统的传递方框图
1. 环节（方框）：是构成系统的基本组成部分。 用一个方块表示。 2. 传递方框图：将构成系统的所有环节用有向线 段连接起来所构成的系统结构图。 其中有向线段 表示环节之间的信号传递关系； 指向环节的作用线表示输入； 背向环节的作用线表示输出； 整个系统的输出为被控参数； 整个系统的输入为给定信号和扰动信号；
自动控制系统的常用术语
二、常用术语及符号 1）输入量（指令）v(t)——来自反馈系统之外的对系统所施 加的控制作用。 2）参考输入r(t)——输入元件的输出，它是系统的实际输入 量。
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自动控制系统的组成及常用术语
3）输出量（被控制量）y(t)——被控对象中要求按一定规 律 变化的物理量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 4）主反馈信号b(t)——反馈元件的输出。 5）偏差信号e1(t)——比较元件的输出，它等于参考输入与 主反馈信号之差。 6）扰动n(t)——不需要的而又影响系统输出的物理量。它 可 来自系统之外，也可来自系统内部。 7）误差e(t)——希望的或要求的输出量与实际的输出量之 差。
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量
输出量
串联校正
放大
执行
受控对象
反馈校正 测量
图1－6 自动控制系统的组成
第一章 自动控制概论
基本组成（续）
<1>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。一般为电位器。
<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。 <3>测量(反馈)元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。
<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于