变化规律而变化。
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控制工程基础
13
1.2.2 自动控制系统举例
例1 恒温箱控制系统
1 人工控制的恒温箱
温度计
加热电阻丝
调压器
人工调节过程
(1) 观测 (2) 比较 (3) 控制
交 流 220V
图1-1 人工控制的恒温箱 人工控制的过程就是测量、 求偏差，再控制以纠正偏差，即 “检测偏差，并用以纠正偏差” 的过程。
恒温箱的自动控制原理
调压器触点向左移动 电流 T
调压器触点向右移动 电流 T
可以看出，自动控制系统和 人工控制系统相类似：
执行机构——人手
测量装臵——眼睛
控制器——人脑
给定量——输入量
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被控制量——输出量
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人工控制和自动控制的共同特点：
检测偏差并用以纠正偏差，没有偏差就没有调 节过程。
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热力系统的自动控制
温度测 量装置 自动控制器 热水
控制阀 蒸汽 冷水
排水 图1-5 热力系统的自动反馈控制
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1.3 开环控制和闭环控制
1.3.1 开环控制系统
1.3.2 闭环（反馈）控制系统
1.3.3反馈控制系统的基本组成
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在月球表面成功软着陆。
•1969年，美国“阿波罗11号”把宇航员N.A.阿
姆斯特朗送上月球，中国成功发射中远程战略导 弹。 目前，自动控制理论正向以控制论、信息论、 仿生学为基础的智能控制理论深入。
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10
经典控制理论和现代控制理论的比较:
• 经典（古典）控制理论
基本数学 描述方法 研究方法

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1945年，伯德（H.B.Bode)提出了用图解法分析 和综合线性反馈控制系统的方法，即频率法。 1948年，伊文斯(W.R.Evans)提出并完善了根轨 迹法。 1948年，美国科学家维纳（N.Wiener)发表了名 著控制论（Cybernetics),标志着经典控制理论的 形成。
控制工程基础
董景新 赵长德 等编著
清华大学出版社
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控制工程基础
1
第一讲 自动控制的一般概念
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控制工程基础
2
本章的主要内容
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
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控制理论在工程中的应用发展 自动控制系统的基本概念 开环控制与闭环控制 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求 本课程的任务
现代控制理论发展：
•1956年，美国贝尔曼（Rudolf Bellman)提出寻
求最优控制的动态规划法。
• 同年，前苏联庞特里亚金（Lev.Pontryagin)发 表《最优过程的数学理论》，提出极大值原理。
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•1960年，美国卡尔曼（Kalman)系统地引入状态
空间法分析系统，提出了能控性、能观性的概念 和新的滤波理论。“现代控制理论”这一名称正 是1960年卡尔曼的文章发表后出现的。
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28
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。
控制对象：控制系统所要操纵的对象。它的输
出量即为系统的被调量（或为被控量）。
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29
1.4 自动控制系统的分类
恒值控制系统
控制工程基础
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1.3.1 开环控制系统

定义
如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通 道，输出量对系统的控制无影响，这种控制方式 称为开环控制系统。
输入量 控制器 对象 或过程 输出量
图1-6 开环控制系统
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开环控制系统的特点：
只有顺向作用，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。 •优点：结构简单，价格便宜，容易维修。 •缺点：精度低，容易受环境变化的干扰。
参考输入 控制器 反馈信号 控制器
图1-8 闭环控制系统
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控制指令 对象 或过程
输出量
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。但是系统相对结构复杂， 设计、分析较麻烦。
•这一时期，在现代控制理论的推动下，世界上
出现了许多惊人的科技成果。
•1957年，前苏联相继发射成功洲际弹道火箭和
世界上第一颗人造地球卫星。
•1962年，美国研制出工业机器人产品，同年，
前苏联连续发射两颗“东方”号飞船实现编队飞 行。
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•1966年，前苏联发射“月球9号”探测器，首次
a
调压器
u
温 度 （ t) 恒温箱（控 制对象） （被调量）
u2
热电偶
图1-3 恒温箱温度自动控制职能方块图 职能方块图的基本单元：
•比较单元 •职能环节
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•作用方向
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例2 热力系统的人工控制和自动控制
热力系统的人工控制
温度计
蒸汽
热水
冷水 排水 图 1-4 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制
e
uo

u
测速机
图1-9 闭环调速系统原理图
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1.3.3 典型反馈控制系统的基本组成
扰动 比较元件 给定元件 输 入 信 号 xi 主 反 馈 信 号 xb 反馈元件
串联校正 元件 放大变换 元件 并联校正 元件
输出 执行元件 控制对象
xo
局部反馈 主反馈
图1-10典型的反馈控制系统方块图 给定元件：其功能是给出与期望的被控量相对
的自由电子浓度
u u1 u2
图1-2 自动控制的恒温箱
u1——恒温箱的温度给定信号 u2——热电偶的温度测量信号（反馈信号）
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T u2 u 电压功率放大 执行电机 减速器
T u2 u 电压功率放大 执行电机 减速器
电动机
10V
Ui
Uo
if
常数

图1-7 电机转速控制系统
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1.3.2 闭环（反馈）控制系统 定义
系统输出量的全部或部分被反馈到输入端，输入 与反馈信号比较后的差值（即偏差信号）加给控制器， 然后再调节受控对象的输出，从而形成闭环回路。闭 环控制系统又称反馈控制系统。
32
1.5 对自动控制系统的基本要求
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）。
稳 稳定性：
准
快
稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 由于系统存在着惯性，当系统的各个参数设臵不当 时，将会引起系统的震荡而失去工作能力。稳定性 就是指系统动态过程的震荡倾向和系统能够恢复平 衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时

至此，大体上在上个世纪五十年代,以 频率法和根轨迹法为核心的经典（古典） 控制理论的框架已构建完毕，并在各行 各业中得到了广泛应用。
06-7-20 控制工程基础 7
1.1.2 现代控制理论(Modern Control Theory) 的发展
上世纪60年代，随着现代应用数学新成果的 推出和电子计算机的应用，为适应蓬勃兴起的航 空航天技术的发展，自动控制跨入了一个新阶 段—现代控制理论。
传递函数 根轨迹法 和频率法 输入和给定指标下研 究系统的综合。06-7Fra bibliotek20 控制工程基础
• 现代控制理论
状态空间 状态空间法
研究目的 系统稳定性，在给定 揭示系统的内在规律，
实现一定意义下的最 优化。
11
1.2 自动控制系统的基本概念
1.2.1 基本概念
自动控制 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被 控对象或过程的某些物理量准确地按照预期规 律变化。 例： 数控加工中心能够按照预先排定的工艺程序 自动地进刀切削，加工出预期的几何形状。
06-7-20 控制工程基础 12
焊接机器人可按工艺要求焊接流水线上的各 个机械部件。
温度控制系统能保持恒温。
系统的共同点：一个或一些被控制的物理量
按照给定量的变化而变化。被控制的物理量,如 温度、压力、液位等。给定量可以是具体的物 理量，如电压、位移、角度等。
控制系统的任务：使被控量按照给定量的
控制工程基础 14
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2 自动控制的恒温箱
NA k u (T T0 ) ln e NB
给 定 信 号
u1
u
执 行 电 机
减 速 器
k
：波尔兹曼常量
u2
热 电 偶
电 压 放 大 器
功 率 放 大 器
e ：电子电荷 N A 和 N B ：材料A和B
偏差：
加 热 电 阻 丝
调压器
交 流 220V
该装臵易震荡，1868年，麦克斯韦(J,C.Maxwell) 发表了论《调速器》，对蒸汽机调速系统进行了动 态分析，指出控制系统的品质可用微分方程来描述 及系统的稳定性可用特征方程根的位臵来判断，从 而解决了蒸汽机调速系统出现的剧烈震荡问题，并 总结出了简单的系统稳定性代数判据。