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第一章 引论
主要内容
第一节 指定教材和参考书
第二节 自动控制理论课程概述
第三节 控制系统的基本概念
第四节 开环控制和闭环控制
第五节 自动控制系统的类型
第六节 自动控制理论概要
第七节 自动控制系统中的术语和定义
第一节 指定教材和参考书
《自动控制理论》课程包括经典控制理论和现代控制理论，选用教材为：
夏德钤, 翁贻方. 自动控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版
社, 2007
刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版社,
2006
在使用选用教材的同时，鼓励学生阅读相关的控制理论参考书籍，主要有：
戴先中, 赵光宙. 自动化学科概论. 北京：高等教育出版社，2006
胡寿松. 自动控制原理: 第5版. 北京：科学出版社，2007
胡寿松. 自动控制原理习题集: 第2版. 北京：科学出版社，2003
(美)R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control Systems:
Tenth Edition. 英文影印版. 北京：科学出版社, 2005
第二节 自动控制理论课程概述
课程特点
高等数学 积分变换 自动控制理论
现代控制理论 其它专业课程
1、 它是一门专业基础课
2、理论实践相结合
理论性非常强但又和实际应用紧密结合。
3、内容广泛
涵盖数学、物理、机械、电子等学科的内容。
第二节 自动控制理论课程概述
学习自动控制理论的重要性
1、本课程是自动化专业承上启下的课程。
2、自动控制技术是应用非常广泛的技术，如电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。
3、自动控制理论能为解决实际控制问题提供理论和方法。
4、是专业基础课程，学分较多。
第二节 自动控制理论课程概述
1、打好基础
高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）
2、做好预习
3、听好课
讲课的速度较快、了解课程内容
掌握基本理论和基本方法
4、做好习题
应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题
本课程学习方法
第二节 自动控制理论课程概述
自动控制理论发展简史
经典控制理论(19世纪初)
时域法
• 复域法 (根轨迹法)
• 频域法
现代控制理论(20世纪60年代)
• 线性系统 自适应控制
• 最优控制 鲁棒控制
• 最佳估计 容错控制
• 系统辨识 集散控制
• 大系统复杂系统
智能控制理论(20世纪70年代)
• 专家系统
• 模糊控制
• 神经网络
• 遗传算法
第二节 自动控制理论课程概述
课程主要内容及按排
• 第一章 引论 2学时
• 知识准备（拉氏变换） 2学时
• 第三章 系统数学模型 10学时
• 第三章 时域分析 10学时
• 第四章 根轨迹法 8学时
• 第五章 频率特性分析 12学时
• 第六章 系统校正 10学时
• 第七章 非线性系统分析 8学时
• 第八章 采样控制系统 12学时
• 实验、上机 18学时
• 总学时数 92学时
第三节 控制系统的基本概念
自动控制：指在无人直接参与的情况下，利用外加的设
备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称
为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制量）自动
地按照预定的规律（给定量）变化。
将自动控制技术应用于生产，可以提高生产率，改进产
品质量，降低生产成本，改善劳动条件和加强企业管理---节
能减排。将自动控制技术用于国防领域，可提高部队的战斗
力，促进国防现代化。
自动控制技术在探索新能源、发展空间技术、改善人们
生活以致处理经济、社会问题等方面都起着日益重要的作用。
第三节 控制系统的基本概念
一、控制系统举例
【例1-1】水箱水位控制系统
第三节 控制系统的基本概念
第三节 控制系统的基本概念
系统原理方块图
被控对象：水箱
被控量： 水箱水位
控制装置：杠杆
执行机构：阀门
检测元件：浮球
第三节 控制系统的基本概念
水箱液位控制系统
被控对象：水箱
被控量： 水箱水位
控制装置：比较器、放大器
执行机构：电磁阀
检测元件：液面传感器
第三节 控制系统的基本概念
【例1-2】家用空调控制器(制冷)
被控对象：房间
被控量： 房间温度
控制装置：控制板
执行机构：压缩机和冷凝器
检测元件：温度传感器
第三节 控制系统的基本概念
【例1-3】带钢轧辊转速控制系统
连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则
将出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转
速保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。
第三节 控制系统的基本概念
被控对象：轧辊
被控量：轧辊的速度
控制装置：比较、放大、整流等
执行机构：电动机
检测元件：转速反馈装置
工作原理：设负载扰动变化时(如变大)，则
nuuuueun aefrf
第三节 控制系统的基本概念
二、控制系统的基本概念
【自动控制】
【自动控制理论】
研究自动控制共同规律的技术科学。
指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制量）自动地按照预定的规律运行。
第三节 控制系统的基本概念
控制器 被控对象 输入量 输出量
比较
测量电路
【自动控制系统】
由被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制系统。
【控制系统方框图】
控制系统的基本控制形式：开环、闭环和复合
开环控制系统结构及其特点
定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制系统。
电机调速控制系统
电位器 放大
电机
功率放大
负载
第四节 开环控制和闭环控制
控制器 被控对象 输入量 控制量 输出量
开环控制系统的特点：
（1）只有正向作用，没有反馈作用；
（2）控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；
（3）没有抑制内、外干扰的能力；
（4）系统结构简单、成本低。
第四节 开环控制和闭环控制
闭环（反馈）控制系统结构及其特点
定义：既有正向作用，又有反馈控制作用的控制系统。
控制器 被控对象 输入量 输出量
比较
测量电路
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的-----构成闭环控制系统的核心。
第四节 开环控制和闭环控制
闭环（反馈）控制系统的特点
（1）系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路；
（2）既有正向作用，又有反馈控制；
（3）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有
关，控制精度较高；
（4）有抑制干扰的能力；
（5）结构复杂，成本相对较高；
（6）偏差起调节作用。
第四节 开环控制和闭环控制
• 若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之称为正反馈。
• 闭环系统的实质就是利用负反馈的作用来减少系统的误差。
• 反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控量偏离给定值的作用，抑制内扰和外扰引起的误差，达到自动控制的目的。
第四节 开环控制和闭环控制
复合控制系统
第四节 开环控制和闭环控制
第五节 自动控制系统的类型
一、按输入信号的特征分类
1、恒值控制系统（自动调整系统）
特征：输入信号为常数
典型系统：液位、温度、压力、流量控制
2、程序控制系统
特征：输入信号为预知的随时间变化函数
典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。
3、随动系统（伺服控制系统）
特征：输入信号未知的随时间变化任意函数
典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。
二、按描述元件的动态方程分类
1、线性系统
特征：元件是线性的、系统运动方程可用线性微分方程或差分方程描述。
2、非线性系统
特征：系统中含有至少一个非线性元件、系统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。
典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间隙。
第五节 自动控制系统的类型
三、按系统传递的信号分类
1、连续系统
特征：系统各环节之间传递的信号均为时间的连续函数，一般用微分方程描述。
2、离散系统
特征：在信号传递过程中，至少有一处的信号是脉冲序列或数字编码。
第五节 自动控制系统的类型
四、按输入输出信号数量分类
1、单输入单输出系统（SISO系统）
特征：输入输出变量仅有一个。
2、多输入多输出系统(MIMO系统）
特征：输入输出变量多于一个。
五、按系统微分方程分类
1、集中参数系统
特征：能用常微分方程描述
2、分布参数系统
特征：至少有一个环节需要用偏微分方程描述。
第五节 自动控制系统的类型
六、按系统结构和参数的确定性分类
1、确定系统
特征：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号也是确定的，可以用解析式或图表确切表示。
2、不确定系统
特征：系统的结构和参数是不确定的或，系统的输入信号是不确定的。
第五节 自动控制系统的类型
第六节 自动控制理论概要
一、对自动控制系统的要求
1、稳定性要求
2、快速性要求
3、准确性要求
二、自动控制理论研究的问题
1、自动控制建模问题
2、控制系统分析
3、控制系统设计
三、控制系统建模问题
1、描述方法 传递函数
2、建立方法 理论推导、实验法
四、自动控制系统分析
1、分析基础 系统传递函数
2、分析内容 稳定性、稳态、暂态
3、分析工具 手工计算、计算机软件
第六节 自动控制理论概要
五、自动控制系统的设计
给定数学模型和技术指标情况下，希望有简洁的方法解决以下问题：
1、控制方案：决定一种合适的控制规律及相应参数
2、系统分析： 近似估计系统时域响应
3、改进建议： 当系统性能不满足要求时指明改善系统性能的途径。
4、设计手段： 控制系统的计算机辅助设计
第六节 自动控制理论概要
1、古典控制理论
研究对象：单输入单输出线性系统
数学基础：微积分、积分变换
系统描述方法：传递函数
研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法
核心概念：输出反馈
适用系统：线性系统
六、古典控制理论与现代控制理论
第六节 自动控制理论概要
2、现代控制理论（线性系统）
研究对象：多输入多输出线性系统
数学基础：线性代数、矩阵理论
系统描述方法：状态空间表达式
研究方法：时域法
核心概念：状态反馈
适用系统：线性、非线性
第六节 自动控制理论概要
古典控制理论的局限性及问题
1、线性系统理论只能用于线性系统
2、在实际应用中不存在绝对的线性系统
3、建立精确系统模型困难性
4、高阶复杂系统模型对分析设计带来巨大困难
5、简化模型与实际问题的误差，会影响实际控制效果。
对策：作合理的假设、选择合适的模型、根据实际情况进行修正。
第六节 自动控制理论概要
一、反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统结构框图
第七节 自动控制系统中的术语和定义
① 测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物理转换。
② 比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。
③ 控制元件： 根据偏差大小产生控制信号。通常包括
放大器和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关系(称为调节规律)。
④ 执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。
⑤ 被控对象：给出期望的被控量相对应的系统输入量。
第七节 自动控制系统中的术语和定义
控制量u
偏差信号e
反馈信号b
反馈环节
H
控制环节
GC
被控对象
GO
扰动
n
输出信号Y
参考输
入信号
r
比较
环节
第七节 自动控制系统中的术语和定义
