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1、开环控制
输入、输出之间无反馈回路 输出对系统的控制作用无影响
变压器 加热电阻丝 恒 温 箱
给定量 变压器 恒温箱 被控量
~220V
优点：结构简单、价格便宜、容易维修 缺点：精度低，易受环境变化的干扰
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2、闭环ห้องสมุดไป่ตู้制
输入、输出之间有反馈回路 输出对系统的控制作用有影响
参考 输入 + 反馈信号 控制 指令 输出
Qi 浮子
水箱
给定hi
职 能 框 图
+
放大
-
电动 机
减速 器
Qi
阀门 水箱
液位高度h
浮子
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自动驾驶仪飞机俯仰角控制系统
给定qi
+
职 能 框 图
-
-
放大 器
舵机
飞机
俯仰角qo
反馈 电位器 垂直 陀螺仪
24
25
1.3 自动控制系统的基本类型
1、按给定量的变化规律分： • 恒值调节系统 如：稳压电源 • 程序控制系统 如：数控机床 • 随动系统 如：火炮自动系统 机床随动系统 2、系统参数是否随时间变化 • 定常系统：所有参数恒定不变 • 时变系统：参数有随时间变化
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控制理论的形成过程
• 1956年：蓬特里亚金提出极大值原理 • 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论
• 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论
• 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系 统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制 • 1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智 能控制等
控制器
受控 对象
传感器
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人工控制过程：
1、观测温度（被控量）
2、与要求温度（给定
量）比较，得出偏差的
大小和方向
3、根据偏差进行控制
控制过程：
测量，求偏差，控制以纠正偏差
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+ 减速器
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
M 变压器
~220V
Du +
执行电机 放大装置 uc
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
1.1.1开环控制与闭环控制
几个概念 1.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过 程 2.被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般 指系统的输出量 3.给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值 4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的 因素，称为系统的扰动。 给定值和扰动通称为输入量。 5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称
系统的综合与校正
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教材及参考书： • 1 席剑辉等《控制工程基础》 国防工业出版社 2012.5 • 2 王划一 《自动控制原理》 国防工业出版 社 2000.8 • 3董景新 《控制工程基础》（第3版） 清华大学出 版社 2003.8
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本课程的基本要求
1. 掌握反馈控制系统的基本概念，包括基本原 理、基本组成等； 2. 掌握建立系统数学模型的方法； 3. 掌握统的时域分析方法； 4. 掌握系统的频域分析方法； 5. 掌握系统的根轨迹分析方法； 6. 掌握模拟控制系统的校正方法；
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-
偏差e 串联校正 元件
-
放大 元件
执行 元件
被控 被控输出xo 对象
局部反馈 校正元件 测量元件
1.测量元件：检测被控量并将其转换成需要的物理量形式 2.比较元件：将检测环节反馈回来的信号与给定量进行比较，得 出二者的偏差
3.放大元件：放大微弱信号
4.执行元件：作用于被控对象，使被控量按照期望发生变化 5. 校正元件：是人为加入系统可直接调整结构或参数的元件
主讲 张庆新
沈阳航空航天大学自动化学院
1
绪
论
学习要点
•自动控制理论的产生和基本概念
•控制理论的发展及其在工程中的应用
•自动控制系统的基本类型 •本书的主要内容
3
1.1 自动控制理论的产生和基本概念 控制理论产生于军事上需求,后发展到民事 领域（如冶金、数控、电力等）。同时也渗透 到其他领域—生物控制论、经济控制论和社会 控制论等。 1868年麦克斯韦研究反馈系统的稳定性问题 发表论文《论调速器》，是控制理论最早的 成果论文。
目标：最优控制，最优滤波，系统辨识
基础：状态空间表达式
进一步发展:自适应控制、智能控制等
9
研究对象
数学 工具
常用分 析方法
局限性 对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无 能为力 比较繁琐（但 由于计算机技 术的的迅速发 展，这一局限 性已克服)
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时域分析 单输入经典 微分方 法，频域 单输出线 控制 程，传 分析法, 性定常系 理论 递函数 根轨迹分 统 析法 多输入现代 多输出变 线性代 状态空间 控制 系数，非 数、矩 法 理论 线性等系 阵理论 统
26
1.3 自动控制系统的基本类型
3、按描述系统微分方程的形式分： • 线性控制系统：用线性微分方程描述 • 非线性控制系统：用非线性微分方程描述
4、按系统中传递的信号的连续性分： • 模拟控制系统：系统中传递的信号均为模拟信号， 系统组成的各个环节均为模拟设备 • 离散控制系统：系统中传递的信号有离散信号，系 统组成环节中有计算机或数字电路等数字化设备
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+
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
减速器 M 变压器
Du +
执行电机 放大装置
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
~220V
uc
加热电阻丝
给定量ug
Du
+
-
放大 装置
执行 电机
减速器
变压器
uc
恒温箱
温度to 被控量
uf 热电偶
自动控制恒温箱职能框图
1.1.2闭环控制系统的典型组成
给定量xi
+
27
控制系统的基本要求
稳定
准确
快速
1、稳定性 是指系统动态过程的振荡倾向和系 统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平 衡状态后应随着时间收敛并且回到初始 的平衡状态。 是系统工作的首要条件。
28
控制系统的基本要求
2、快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。指当 系统输出量与给定的输入量之间产生偏差 时，消除这种偏差过程的快速程度。 3、准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输 入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量 系统工作性能的重要指标。
20世纪70年代末至今，控制系统越来越复杂，控制 要求也越来越高，促进了智能控制、复杂控制、大系统 21 控制等先进控制理论的发展。
1788年瓦 特发明的蒸汽 机离心调速器 就是一个自动 调节系统，是 控制理论应用 的典型代表。
22
液位控制系统
阀门 + 电位器 减速器 h 电动机 M If + -
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+
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
减速器 M 变压器
~220V
Du +
执行电机 放大装置 uc
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
加热电阻丝
给定量xi
+
-
偏差e 串联校正 元件
-
放大 元件
执行 元件
被控 被控输出xo 对象
局部反馈 校正元件 测量元件
水 浮子 h(t)
q1(t)
活塞
抽水马桶示意图
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控制系统的基本要求
系统对稳、准、快的要求各有侧重，如: 随动系统--快速性 调速系统--稳定性 同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性 好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制 过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。 分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的 重要内容。
30
1.4
课程主要内容及课程的情况
阀门 q2(t)
调节器 h0 比较器 机械杠杆
-
执行机构 活塞 检测机构 浮子
被控对象 q1(t) 水箱
h(t)
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1.2 控制理论的发展及其在工程中的应用
一阶段----经典控制论的成熟和发展期 从1868年到20世纪50年代末 二阶段----局部自动化时期 20世纪60年，航空航天领域对运载火箭、人造卫星、 导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求导致了现 代控制论的形成和发展。 三阶段----综合自动化时期
控制工程基础课主要阐述的是有关反馈自动 控制技术的基础理论。 本课程是机械、航宇等专业本科必修的一门 非常重要的专业基础课。
所需基础知识
高等数学 复变函数、积分变换
理论力学、电工学
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本书主要内容
线性系统 系统的数学模型 非线性系统
时域分析 方法
频域分析 方法
根轨迹分 析方法
描述 函数 法
相平 面法
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控制理论可分为“经典控制理论”和“现 代控制理论”两大部分。 1.经典控制理论
40~50年代形成
适用于SISO（单输入－单输出）系统
基于：二战军工技术
目标：反馈控制系统的稳定
基础：传递函数
基本方法：频率法，根轨迹法
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2.现代控制理论
60~70年代形成 适用于MIMO （多输入－多输出）系统
基于： 冷战时期空间技术，计算机技术
加热电阻丝
人工控制
ug u f 时 Du 0 调压器不动
自动控制 测量装置 控制器 执行机构
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人 眼 人 脑 人 手
uf
Du 0 调压器上移
u f Du 0 调压器下移
闭环控制（反馈控制）：检测偏差并纠正偏差