合
制与设计
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原理与方式
本课程与其它课程的关系：
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电机与拖动
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现代控 制理论
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1.3 反馈控制原理
定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存 在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输 入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态） 之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之 上的。
※ 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念, 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
自动控制的一般概念 >>自动控制的基本原制系统提供了一种可 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
※20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比 较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用 输出量与输入量的偏差来进行控制。
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图1-1 热力系统的人工反馈控制
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图1-2 热力系统的自动反馈控制
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
自动控制的一般概念>>自动控制系统示例
＋U
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测 ＋速
发 电 机
图1-3 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰 动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量， 当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化， 经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为 反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控 制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许 的范围内。
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-4 微型计算机控制机床（开环系统）
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系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系 统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的 被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构 步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的 要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
反馈测量元件
图1-5 微型计算机控制机床（闭环系统）
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历史回顾
※ 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。
※1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
※1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳 态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
※20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。
※从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
※从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ 控制及其相关课题。
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a、 按信号的传递路径来分 b、按系统输入信号的变化规律不同来分 c、按系统传输信号的性质来分 d、按描述系统的数学模型不同来分
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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。如工业上使用的数 字程序控制机床，参见图1-3。
第一章 自动控制的一般概念
1 自动控制的基本原理与方式 2 自动控制系统示例 3 自动控制系统的分类 4 对自动控制系统的基本要求
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1.1 自动控制技术及其应用
所谓自动控制，是指在没 有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置（称控制装 置或控制器），使机器、设备 或生产过程（统称被控对象） 的某个工作状态或参数（即被 控量）自动地按照预定的规律 运行。
1.2 自动控制理论
• 古典控制理论
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。
• 现代控制理论
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。
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直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1 所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机 是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送 器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机 电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差 值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器）， 控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不 能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来 未知干扰都会影响系统精度的。
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2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端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，就是应用反馈作用来减小系统误差如图1-4所示。