本章主要内容
自动控制理论发展概况；古典控制
理论的基本内容；自动控制与自动控制
系统的基本概念及对控制系统的基本要
求。
重点内容
自动控制与自动控制系统的基本概念
对控制系统的基本要求
第一节
引言
一、自动控制在国民经济中的作用：
1、生活中，
洗衣机、 电冰箱、
电饭煲。
2、铁路上
高速列车、
磁悬浮列车
日本新干线100系（1985）
大
n
器
人工闭环控制系统 电动机转速开环控制系统
2、开环系统的优、缺点：
优点：组成简单、易实现；工作稳定。 缺点：抗干扰能力差，无法消除输出量产生的偏差。
3、电机转速开环速度控制系统结构图：
输入量
电压和功率 放大器
扰 动 量
直流电动机
输出量
电机转速开环速度控制系统结构图
二、闭环控制系统：
在控制器和被控对象之间不仅存在着正向作用，而且 存在着负反馈的作用来减小系统的误差，因此又称为 负反馈控制。
汽阀
Wate飞轮调节器
1945年，美国Bode在《网络分析和反馈放大 器设计》中提出频率响应分析法－Bode图。
1948年，Evans提出了根轨迹法，这时美国 Wiener在《控制论－关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中系统地论述了控制理论 的一般原理和方法。 －－－标志控制学科的诞生 控制论：研究动物（包括人类）和机器内部 控制和通信的一般规律的学科。
（4）自动化投资少
iB
电
ui
压
u
功 率
ua
SM
放
大
n
器
u 2 TG
ic

电机转速闭环控制系统
输入量 u1
W1 +
ui
_
u 电压、功
率放大器
u2
W2
扰动量
M fz f t
输出量
ua
n ct
直流电动机
测速发电机
直流电动机闭环控制系统结构框图
3、特点： （1）有前向及反馈支路 （2）有检测环节 （3）靠偏差信号进行工作，闭环系统是有源的
2、控制系统：
控制器和被控对象的总和，称为 控制系统
3、输入量（参考输入、控制输入、给定输入）：
是作用于系统的激发信号，其中使系统具有预定性能或
预定输出的，称为控制输入、指令输入或参考输入。
4、扰动量：
干扰或破坏系统具有预定性或预定输出的，称为扰动输 入。
5、被控制量（输出量）
系统的输出就是被控制的量，它表征对象或过程的 状态和性能。
日本新干线300系（1992）
日本新干线700系（1999）
国产“中华之星”
法国TGV高速列车
普通轮轨列车最大时速为350-400公里
中科院院士严陆光—高速磁悬浮技术倡导者。中国铁道科学研 究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速 磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术做了基础性研究。
扰动量
输入量 +
_
控制环节
输出量 被控对象
反馈量
反馈环节
1、举例：电枢控制的直流电动机闭环控制系统
假设ui不变，n希 1500r / min
n实 u2 u u ui u2 ua n
2、优点： （1）可有效地抑制扰动对系统的影响 （2）可提高系统的稳态精度 （3）加快系统的过渡过程
4、缺点：
可能引起超调，造成系统振荡，甚至使得系统不稳定。
三、复合控制系统
开环控制和闭环控制相结合的控制方式。分为按输 入信号补偿和按扰动信号补偿两种方式。
流出量
流入量
输入量
+
控制器
水箱
_
H希
H实
反馈量
浮子
图 4 水箱水位自动控制系统示意图
自动控制系统的基本方式 一、开环控制：
即系统的输出量对控制量没有影响。其结构示意图如 图所示：
控制量 控制器
被控制量 对象或过程
图 5 开环控制系统 1、举例：电动机转速控制系统
ui
iB
电
压
功
uc 率
SM
放 ua
引例：水箱水位自动控制系统
流入量
气动阀门
控制器 浮子
H希
H实
流出量
图 1 水箱水位自动控制系统示意图
第二节 自动控制与自动控制系统的基本概念
1、自动控制：
应用控制装置自动地、有目的地控制或操纵机器设 备或过程，使之具有一定的状态和性能。 被控制的机器设备或物体、生产过程，称为被控制对象； 所用的控制装置，常称为控制器
6、反馈量：
与输出成正比或某种函数关系，但量纲与参考输入相
同的信号。
7、偏差量：
等于参考输入与主反馈量之差的信号。
8、比较元件：
相当于一个偏差器，其输出信号等于各输入信号 的代数和。
9、负反馈控制系统的示意图
扰动量
输入量 + 偏差量
_
控制环节
输出量 被控对象
反馈量
反馈环节
图 2 控制系统结构示意图
1954年，钱学森的《工程控制论》在美国出 版。 －－－奠定了工程控制论的基础
现代控制理论
1960——1970 现代控制理论 机组自动化
1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提 出能控性、能观性、Kalman滤波概念
1961年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。 1970——1980 大系统理论 控制管理综合 1980——1990 智能控制理论 智能自动化 1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化
上海磁浮列车
全长30公里，将上海市区与东海之滨的浦东国际机场连接起来， 单向运行时间约8分钟，平均运行速度达到每秒60－70米。列车 大部分时间时速为300多公里，达到最高设计时速430公里的时间 有20多秒。
日本磁悬浮列车
超导线圈与U型列车行驶导槽中设置的推力、上浮、导向线圈一 起使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将 超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超 导电线浸入液氦(－269℃)中时进入超导状态产生强大磁场。
古典控制论
1788年，英国Wate利用反馈原理发明蒸汽机 用的离心调速机。→
1875年，1895年，英国Routh和德国Hurwitz 先后提出判别系统稳定性的代数方法。
1892年，俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性 的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳 定性理论。
1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系 统稳定性的准则。
3、军事上
航空:（F-15）战斗机
航天：APOLLO宇宙飞船
海上：核潜艇
“库尔斯克”号核潜艇
4、工业上 二、自动控制理论发展概要
1、古典控制论： 研究SISO线性定常时不变系统，其数学基础为传 递函数。
2、现代控制论：
以状态空间法为基础研究多输入-多输出、变参 数、非线性系统。其数学基础是线性代数。