t 温度
（被调量）
恒温箱自动控制系统职能方块图
反馈：输出量通过适当的测量转换装置将信号的全部或一部分返回输入 端，使之与输入量进行比较。比较的结果称为偏差。 反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差并用以纠正偏差” 。
1.2 自动控制系统的基本概念
3. 开环控制与闭环控制（按有无反馈测量装置分类）
① 自动控制： 在没有人参与的情况下，使被控对象的某些物理量准确地按照 预期规律变化。 例如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统、主动悬架系统等。
主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个可以控制阻尼 作用力的装置，由执行机构、测量系统、反馈控制系统和 能源系统四部分组成。 主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调 节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使 车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。
电机转速开环控制系统
1.2 自动控制系统的基本概念
② 闭环控制： 输出全部或部分被反馈回输入端，与输入比较得出偏 差加给控制器，再根据偏差调节受控对象，形成闭环控制回路。
优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强。 缺点：结构比较复杂，价格贵、维护较难。
扰动 参考输入
+_
控制器
反馈信号
控制指令
1.2 自动控制系统的基本概念
③ 按系统中传递信号的性质

连续控制系统：系统中各部分传递的信号是随时间连续变化的信号。 离散控制系统：系统某处或多处的信号是脉冲序列或数字量。
④ 按描述系输入和输出间具有叠加性和齐次性。 非线性控制系统：系统中有非线性元件。
1.2 自动控制系统的基本概念
5. 自动控制系统的基本类型
① 根据所采用信号处理技术的不同

模拟控制系统：采用模拟技术处理信号。 数字控制系统：采用数字技术处理信号。
偏差的脉冲系列
脉冲控制系统：离散信号取脉冲形式的系统
xi t

et
采样开关
e* t
数据 保持器
控制对象
x o t
① 给定元件：产生给定信号或输入信号。 ② 反馈元件：量测被调量或输出信号，产 生主反馈信号。 ③ 比较元件：比较输入信号和反馈信号之 间的偏差。 ④ 放大元件：对偏差信号进行信号放大和 功率放大的元件。
⑤ 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 ⑥ 控制对象：控制系统所要操纵的对象，其输 出量为系统的被调量（或被控制量）。 ⑦ 校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。 a) 反馈校正 b) 串联校正


Hoff，Marcian Edward
Cleve Molor，John Little，MATLAB
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 经典控制理论和现代控制理论
早期经典控制理论在美国称伺服机构理论，在德国和苏联则称为自动调节理论； 1960在“第一届全美联合自动控制会议”上，把系统与控制领域中，研究单变量 控制问题的学科称为经典控制理论，研究多变量控制问题的学科称为现代控制 理论。 经典控制理论： 以线性定常系统为主的单输入单输出系统为研究对象，以传 递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主 要分析设计工具。 现代控制理论： 以时变参数、多变量、非线性复杂系统为研究对象，以状态 方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分 析、设计的原理和方法。
中国张衡发明水运浑象，研制 出自动测量地震的候风地动仪 (132年)。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国马均研制出用齿轮传动的自 动指示方向的指南车（235年）
中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想的提花织机 结构图（1637年）
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
3. 经典控制理论的发展

1788年，英国发明家James Watt（1736～1819）发明了控制蒸汽机速度的飞球 调节器，这是最著名的应用于工业过程的自动控制装置 。 1884年，英国E.J. Routh建立Routh判据（Routh Stability Criteria，Hurwitz 1895） 1868 年，英国科学家麦克斯发表的“论 调速器”的论文中，应用数学模型和数 学工具对飞球调节器稳定性问题进行探 索，标志着自动控制理论的诞生； 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳 定性的一般问题” (1892 年 )，提出稳定 性的科学概念、研究方法和相关理论。 1927 年，美国电气工程师布莱克在改进 长途通信用信号发生器时，发明了负反 馈放大器，标志着反馈控制从无意识到 自觉应用的转折； 1948 ～ 1950 年，美国电气工程师埃文斯 提出并完善了根轨迹法； 1954 年 ， 我 国 科 学 家 钱 学 森 （ 1911 ～ 2009 ）发表《工程控制论》，把控制论 推广到工程技术领域。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 控制理论的新发展
③ 集成控制理论：随着控制科学和计算机的飞速发展，基于网络的集成 控制系统应运而生，并逐渐成为国际学术界研究的一个热点。集成控 制系统具有信息资源共享、灵活性强、良好的自诊断和维护性能好等 优点。
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
1.2 自动控制系统的基本概念
u1：与预期温度t1相应的给定电压 u2 ： 热电偶检测转换出来的与实际 温度t2相应的反馈电压 △u=u1-u2 ： 与实际温度误差△t=t1t2相应的电压偏差信号
给定元件
u1
u u 电压功率 ua 执行电机 放大 u2
减速器 热电偶
a
调压器
u
恒温箱 （控制对象）
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
② 智能控制理论：把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或 机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现 控制系统的智能化。智能控制是多学科交叉的学科，它的发展得益于 人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展。 智能控制的研究对象具有不确定性、高度的非线性、任务要求复杂的 特点。智能控制系统的类型包括：专家控制系统、模糊控制系统、人 工神经网络控制系统等。
第一章 概论
1.1 控制理论在工程中的应用和发展 1.2 控制理论的基本概念 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国、埃及和巴比伦出现自动计 时漏壶（1400BC～1100BC）
希腊Philon发明了采用浮球 调节器来保持燃油液面高度 的油灯。(BC250年)。
⑤ 按系统参数与时间的关系
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
② ③ 控制系统的基本任务：如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化。 学习自动控制技术的目的： A. 分析系统： 分析某给定控制系统的工作原理、动态特性、稳定性、准 确性、快速性等。 B. 综合和设计系统： 在已知被控制对象和核定性能指标的前提下，寻求 控制规律，设计控制系统，并用机、电、光、液压等元部件或设备加 以实现。 ④ 控制系统： 由被控制对象和自动控制装置按一定方式联结起来的、完成一 定自动控制任务的总体。 A. 输入量：作用在系统上的激励信号。 a) 控制（指定、参考）输入：使系统具有预定性能的输入信号。 b) 扰动：干扰或破坏系统预定性能的输入信号。 B. 被控制量：系统的输出，表征控制对象或过程的状态和性能。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
2. 控制论和自动控制学科诞生
控制论奠基人：诺伯特·维纳(Norbert Wiener，1894-1964)，在火炮对空射 击自动控制的研究工作中，提炼出控制理论中最基本和最重要的负反馈概念。 准确控制的方法是把运动结果所决定的量，作为信息再反馈回控制仪器中。 （Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance.） 1948 年 Wiener 发表《控制论》，标志自动控制学科的诞生和经典控制理论 的成熟。
①开环控制：输入直接供给控制器，通过控制器对受控对象产生控制 作用，没有输出反馈。
优点：结构简单、价格便宜、容易维修，不存在稳定性问题。 缺点：精度低，容易受环境变化的干扰影响。
参考输入 控制器 控制 指令 扰动 输出 受控对象
Mc恒定：ur↑ → ua↑ → n↑ ； ur ↓ → ua ↓ → n ↓ ur恒定： Mc ↑ → n↓ ； Mc ↓ → n ↑
1.2 自动控制系统的基本概念
控制器
输入变化引起的电机转速变化
负载变化引起的电机转速变化
1.2 自动控制系统的基本概念
4. 反馈控制系统的基本组成
给定元件
输入 信号 比较 元件 偏差 信号
扰动 串联校正 元件 放大元件 反馈校正 元件 执行元件 控制对象
输出
xi


ε

xo
局部反馈 主反馈
主反馈信号xb 反馈元件


Multivariable control system Coordinated control system for a boiler-generator 发电机组的联合控制
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
① 大系统理论：随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多规模庞 大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响 因素众多，且常带有随机性的大系统，如电力系统、城市交通网、数 字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。 这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设 计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。大系统 分析和设计理论包括：大系统建模、模型降阶、递阶控制、分散控制 和稳定性等内容。