《自动控制原理》第1章 绪论

自动控制原理PrinciplesofAutomaticControl1第一章绪论自动控制技术作为一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，其发展程度和水平是衡量一个国家工业、农业、国防等科学技术现代化的重要条件和显著标志。控制理论是一门综合性交叉学科，它包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等。自动控制原理属于工程控制论范畴，也是信息控制学科的基础理论，它的主要任务是通过研究自动控制技术的规律、各种分析系统性能的方法、判定系统稳定性以及控制算法（装置）的设计等内容，使自动控制系统具有符合预期要求的精度和性能，从而满足生产和工程上的需要。航空航天领域人造卫星宇宙飞船军事领域雷达导弹民用领域数控机床机器人21.1自动控制概述1.1.1自动控制的基本概念图1.1.1自动控制示意图控制是指某个主体使某个客体按照一定的目的进行有规律的动作。主体可以是人（人工控制），也可以是机器或装置（自动控制）。客体可以是一件物体、一套装置、一个物化过程或者一套特定系统，如烤箱、空调压缩机、燃烧、传动、电力和化工等。自动控制是指在无需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），使被控对象（如机器设备的运行或生产过程的进行）的某个工作状态或数个物理量（如电压、电流、温度、位置、速度、流量、浓度等）自动地按照预定的规律运行。31.1自动控制概述1.1.2自动控制理论发展简史1.控制理论发展初期公元前14-11世纪，中国、古埃及和古巴比伦发明的自动计时漏壶。公元235年（三国魏青龙三年），魏明帝命博士‌马钧‌制造的指南车‌。公元1086年左右，北宋苏颂等人发明的水运仪象台公元前300年至公元1年古希腊人和阿拉伯人发明的浮球调节装置。公元132，东汉时期的年张衡发明的候风地动仪。约公元前256-前251年，李冰父子修建的都江堰水利工程。公元1世纪，古代埃及和希腊人发明了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。在长期的生产实践中，通过总结经验逐渐积累而成，尚未形成完善的理论体系。41.1自动控制概述1.1.2自动控制理论发展简史2.经典控制理论阶段4英国科学家瓦特（J.Watt）于1788年运用反馈控制原理发明并成功设计了蒸汽机离心式飞锤调速器。1942年，哈里斯（Harris）提出了传递函数的概念。伊万斯（Evans）创立了根轨迹法。1948年，美国著名科学家维纳（Wiener）出版了专著《控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》。英国学者麦克斯韦（J.C.Maxwell）于1868年发表了论文《论调速器》,该论文被公认为自动控制理论的开端。1932年，奈奎斯特（Nyquist）提出了根据对稳态正弦输入信号的开环响应确定闭环系统稳定性的判据。1877年和1895年，数学家劳斯和赫尔维兹分别提出了不用求解高阶微分方程却能分析稳定性的代数性判据。1892年，俄国数学家李雅普诺夫在其博士论文《论运动稳定性的一般问题》中创立了运动稳定性理论。RouthHurwitz计算机出现后，雷加基尼和查德对采样控制系统展开了研究，将连续系统的建模、分析和设计方法推广到离散系统。1957年，我国科学家钱学森出版了《工程控制论》一书，是控制理论走向实践的重要里程碑。Ragazzini以单输入单输出线性定常系统为主要研究对象，以传递函数为系统数学模型，以根轨迹和频率法为系统分析与设计方法，很好地解决了反馈控制系统的稳定性问题，通常称为经典控制理论。ZadehEvans51.1自动控制概述1.1.2自动控制理论发展简史3.现代控制理论阶段1956年，苏联数学家庞德里亚金（Pontryagin）提出的极（大）小值原理。1970年，英国曼彻斯特大学HowardHarryRosenbrock教授提出了状态空间和多变量理论。1957年，贝尔曼（R.Bellman）提出的动态规划法。1960年，卡尔曼（Kalman）地将状态空间方法引入控制理论，创建了现代控制理论体系。1967年，KarlJohanAstrom教授提出了最小二乘辩识和自启调节器，建立了自适应控制。1970年，美国普渡大学傅京孙（King-sunFu)教授，学习控制及智能控制。现代控制理论是建立在状态空间方法基础上，用一阶微分方程组描述系统，不仅反映经典控制理论中外部描述的输入、输出变量，还可以反映系统内部变量的全部信息，适用于研究单输入单输出（SISO）和多输入多输出（MIMO）系统、线性和非线性系统、定常和时变系统。1983年，哈佛大学何毓琦教授，离散事件系统。1974年，加拿大多伦多大学W.M.Wonham教授，线性系统几何理论和离散事件系统监控理论。1976年，哈佛大学R.Brockett教授，非线性系统微分几何理论。1981年，加拿大麦吉尔大学GeorgeZames教授，H∞鲁棒控制。61.1自动控制概述1.1.2自动控制理论发展简史4.智能控制理论阶段1990年，神经网络(NeuralNetwork,NN)崛起，PaulJ.Werbos利用反向传播网络调节PID参数。2012年，斯坦福大学李飞飞教授基于CNN发明ImageNet，推动AI在机器视觉中的应用。2015年，微软研究院何凯明等提出残差神经网络ResNet，奠定了深度学习的基础。2017年，布朗大学MazlarRaissi教授等提出物理信息神经网络PINN，开创"AI+科学计算”新范式。1994年，中国控制学家侯忠生创立并完善了“无模型自适应控制（MFAC）”理论。1998年，中科院韩京清研究员开创了“自抗扰控制(ADRC)技术”。2014年，德国斯图加特大学FrankAllgöwer教授提出learningMPC。…………to

be

continued2017年，谷歌发布Transformer2019年，OpenAI发布GPT-12022年，ChatGPT2023年，MetaRAG推出知识问答应用2023年，微软推出CopilotAIGC编程2025年，DeepSeek横空出世2026年，物理AI（具身智能）大语言模型|多模态|智能体|具身智能控制与AI的结合-深度学习|强化学习工业界71.2自动控制的基本原理1.2.1人工控制与自动控制图1.2.1人工控制供水系统图1.2.2自动控制供水系统操作员记住目标水位；使用眼睛和测量工具来测量实际水位；在大脑中将实际水位与目标水位进行比较和计算，得出误差值；根据误差大小，大脑指挥手去调整进水阀门的开度，使实际水位尽可能接近目标水位。浮子代替人眼来检测实际水位；连杆则取代人脑的功能，将实际水位与设定水位进行比较并计算出误差；电位器输出电压的高低和极性能够反映误差的性质；伺服电动机代替了人手的功能，驱动进水阀门控制进水量的大小，使水位保持在设定的水平。81.2自动控制的基本原理1.2.2开环控制与闭环控制自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。图1.2.3开环控制系统框图1.开环控制系统直接使用设定值来控制受控对象的输入，而无需测量其实际输出；只有正向作用，没有反馈作用；控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；周围环境的变化产生的扰动会导致系统输出偏离预期值，难以实现高精度控制；适用于对控制精度要求不高或无显著外部扰动的应用场景。91.2自动控制的基本原理1.2.2开环控制与闭环控制2.闭环控制存在从输出到输入的信息传递，信息在系统内部形成闭环；既有正向作用，又有反馈控制作用；利用反馈信号来获取比较偏差，并据此产生控制作用；具有较强的抵抗外部和内部扰动的能力，对内部参数的变化不敏感；结构相对复杂，成本也有所增加；具有自动纠偏能力和较高的控制精度，在控制工程实践中获得了广泛的应用。图1.2.4闭环控制系统框图101.2自动控制的基本原理1.2.2开环控制与闭环控制3.复合控制在闭环控制系统中加入前馈控制环节，构成复合控制系统；前馈通路主要由针对输入信号或扰动信号的补偿装置构成，系统能在偏差产生之前进行校正；对补偿装置参数的稳定性要求较高，参数的波动可能会影响其补偿效果；结合了开环与闭环控制的优点，提供了一种既有效又高精度的控制方法。图1.2.5复合控制系统框图111.2自动控制的基本原理1.2.3自动控制的工程实践示例1.空调温度控制系统图1.2.6空调温度控制系统框图系统构成：温度传感器（热敏电阻或热电偶）、控制器（微处理器或PID控制器）、执行机构（电磁阀、继电器或电机）、加热或冷却设备（压缩机、风扇、加热电圈等）；工作原理：用户通过控制面板或恒温器设定所需的室内温度;温度传感器实时测量室内温度，并将实际温度与设定温度进行比较，控制器基于预设的控制算法做出控制决策;根据控制决策，执行机构调节加热或冷却设备的工作状态。如果室内温度低于设定温度，系

统会启动加热设备；如果室内温度高于设定温

度，系统会启动制冷设备。121.2自动控制的基本原理1.2.3自动控制的工程实践示例2.汽车定速巡航控制系统图1.2.7汽车定速巡航控制系统框图构成：由指令开关、车速传感器、巡航控制单元、节气门执行器以及发动机组成。原理：当驾驶员通过指令开关设定巡航速度后，巡航控制单元会不断接收车速传感器发来的脉冲信号，并与设定的巡航速度进行比较：如果实际车速高于或低于设定的速度，巡航控制单元会发出指令给节气门执行器，调整节气门的开度，从而增加或减少发动机的供油量，使车辆速度回到设定的速度。131.2自动控制的基本原理1.2.3自动控制的工程实践示例3.电动机调速系统图1.2.8电动机调速系统框图构成：电动机调速系统主要由控制器（PID控制器）、执行机构、电动机、转速反馈装置（编码器、测速电动机或其他传感器）等组成。工作原理：转速反馈装置实时检测电动机的实际转速，将检测到的实际转速与给定的期望转速进行比较，计算出偏差信号。控制器根据偏差信号计算控制动作，并输出信号给执行机构。执行机构根据控制器的输出调节电动机的供电电压和频率（交流电动机）或电流（直流电动机）。141.3自动控制系统1.3.1自动控制系统的基本组成被控对象：是控制器所控制和操纵的对象，它接收控制量并输出被控量。被控对象可以是一套装置或设备，也可以是一个动态过程。测量装置：把被控对象的输出量或系统内部的某个监测量检测出来的装置。比较装置：对测量信号与给定信号进行加、减运算。执行机构：根据控制信号执行相应的控制动作，以便使被控制量按要求值变化。图1.3.1自动控制系统的基本组成

自动控制系统由被控对象以及为完成任务而配置的控制装置两大部分构成，而控制装置又根据功能可进一步分为测量装置、比较装置和控制器执行机构等不同的部件。151.3自动控制系统1.3.2自动控制系统的原理框图参考输入信号：施加在控制系统上的指令信号；主反馈信号：系统被控量或其函数的测量信号；误差信号：参考输入信号与主反馈信号之差；控制信号：控制元件的输出信号，作用于执行元件；系统输出信号：系统中被控制的量；扰动信号：不是控制系统需要的但又影响被控制量达到预期值的信号；控制环节：接受偏差信号，通过转换与运算产生控制量；被控对象：接受控制量并输出被控制量；反馈环节：将输出转换为主反馈信号的装置。自动控制系统中信号的传输路径常被称为：前向通道：从给定值端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。反馈通道：从被控量端（输出）到给定值端（输入）所经过的通路。主回路：前向通道与主反馈通道共同构成的回路。图1.3.2典型的负反馈系统原理框图161.3自动控制系统1.3.3自动控制系统的原理框图绘制图1.3.4汽车电子巡航控制系统原理框图图1.3.3汽车电子巡航控制系统原理图

在绘制原理框图前，可对控制系统进行以下分析：分析系统的工作原理；明确被控对象和被控制量；确定参考输入信号；确定控制元件和控制信号；确认执行机构；找到测量元件并区分主反馈信号与局部反馈信号；确定系统中的扰动信号。171.3自动控制系统1.3.4自动控制系统的基本类型

线性系统非线性系统181.3自动控制系统1.3.4自动控制系统的基本类型定常系统和时变系统定常系统：系统中的参数值不随时间变化，又称时不变系统。系统的输出与输入信号作用与系统的初始时刻的选择无关。瞬态特性用常系数微分方程（连续系统）或常系数差分方程（离散系统）描述。时变系统：系统中的参数随时间变化。输出信号不仅与输入信号的形式、大小有关，还与输入信号加入的初始时刻有关。时变系统的瞬态特性由时变系数微分方程（连续系统）和时变系数差分方程（离散系统）描述。连续系统和离散系统连续（时间）系统：系统中各部分的信号均为时间的连续函数。其特性可以用微分方程描述。离散（时间）系统：系统中至少有一处信号为脉冲序列或数码形式。其特性可以用差分方程描述。计算机控制系统属于这一类控制系统，这类系统的特点是信号只在特定的离散时刻取值。连续信号离散信号191.3自动控制系统1.3.4自动控制系统的基本类型输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统：亦称单变量系统，其输入量和输出量各为1个。多输入多输出系统：也称为多变量系统，其输入量和输出量多于1个。多变量系统中，一个输入量对数个输出量都有控制作用；反之，一个输出量往往受多个输入量控制。多输入多输出系统单数入单输出系统201.3自动控制系统1.3.4自动控制系统的基本类型定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统定值控制系统：也称为镇定系统，是指输入信号在系统运行过程中保持不变，系统控制的主要任务是克服干扰信号的影响，使输出量按一定准确度保持在期望值上。随动控制系统：也称为伺服控制系统，在系统运行过程中，输入信号是随时间变化的函数，系统控制的主要任务是使输出量快速跟随输入量的变化。程序控制系统：也称顺序控制系统，在系统运行过程中，输入信号按照事先设定的规律随时间变化，系统控制的主要任务是使输出量以一定的速度和准确度跟踪输入信号的变化。定值控制系统随动控制系统211.3自动控制系统1.3.4自动控制系统的基本类型集中参数系统和分布参数系统集中参数系统：系统中各元、部件的参数是集中在元、部件本身，可以是定常或时变的，与空间分布无关；系统中的信号只是时间的函数。分布参数系统：系统中至少有一个元部件的参数不仅随时间变化，也随空间位置而变化；系统中的信号与时间，空间位置有关。确定性系统和不确定性系统确定性系统：系统结构和参数是确定的，作用于系统的信号均为时间的确定性函数。不确定系统：系统结构和参数是确定的，系统中的信号为不确定（随机）的，称为随机系统；系统中的结构和参数有较大的摄动，称为摄动系统。221.4对控制系统性能的基本要求1.稳定性：稳定性是控制系统正常运行的首要条件，不稳定的系统无法正常工作。

线性自动控制系统的稳定性取决于系统的结构和参数，与外界因素无关。

a)稳定衰减过程b)临界稳定振荡过程c)不稳定发散过程图1.4.1系统输出信号2.快速性：快速性是衡量控制系统控制质量的重要指标之一，其主要是用时间衡量一个稳定系统对平衡状态的恢复或跟随的速度。3.准确性：由于系统结构，外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。稳态误差越小，控制系统的稳态精度越高。对控制系统稳定性、快速性、准确性三个方面的要求往往是互相制约的。231.5设计一个自动控制系统的步骤模型建立选择合适的模型结构；确定模型中的参数。系统分析从定性和定量出发，对系统的稳定性、能观能控性以及时域指标、频域指标做一系列的分析。控制系统综合在对被控对象建模和系统分析的基础上，进行控制器设计，使得系统满足性能要求。系统实施绝大多数控制器是可以用程序或者电子器件来实现；对于一些物理上难以实现的理想控制器环节，则需要加入校正环节来近似实现。调整与验证建模和系统实施过程中都用了不同程度的近似，使得控制效果与理想效果有一定的差距；即使近似程度很高，系统运行以后也可能存在一些没有考虑的问题，需要进一步修正和调节。系统建模系统分析系统综合系统实施调整验证241.6自动控制系统的分析与设计工具MATLABMATLAB（MatrixLaboratory，矩阵实验室）是美国MathWorks公司在20世纪80年代开发的交互式软件系统，具备专业水平的符号计算、图形图像处理、科学数据可视化建模仿真和实时控制等功能，是科学计算与工程设计最有力的工具。1.MATLAB的特点与典型应用语言简洁紧凑，编程书写形式灵活，语法规则简单；库函数丰富，源文件对用户开开放；在控制理论领域，有控制系统工具箱、系统辨识工具箱、信号处理工具箱、鲁棒控制工具箱和最优化工具箱等。2.控制系统工具箱和Simulink软件包控制系统工具箱是针对控制系统分析与工程设计的函数与工具集合，函数主要采用.m文件形式；Simulink是MATLAB面向框图的仿真软件，为用户提供了一个对动态系统进行建模、仿真和分析的交互环境。251.7本课程的性质和目标

《自动控制原理》是自动化类专业的核心基础课，通过本课程的学习，掌握自动控制理论中的基本概念、基本原理和基本方法，为自动控制系统的分析和设计打下一定的基础。要实现的目标如下：能够综合利用高等数学、复变函数、大学物理、电路、电子技术等理论知识，对自动控制系统的复杂工程问题进行分析和计算；理解自动控制理论基础知识，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设