自动控制原理

第1章自动控制系统概论

自动控制原理是自动化学科的重要基础课程，专门研究自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法。本章介绍了自动控制的其本概念自动控制理论的发展过程，进而引出自动控制系统的组成、控制系统的分类及控制方式，以及工程上对自动控制系统的基本要求，从而给自动控制原理课程的研究对象和学习目的提供一个较为清晰的轮廓。

1.1引言

随着科学技术的飞速发展，自动控制系统在工业和国防的科研、生产中起着越来越重要的作用，计算机的广泛应用给自动控制系统的发展提供了更广阔的前景。自动控制理论是研究自动控制系统共同规律的技术科学。自动控制技术的广泛应用，不仅将人们从繁重的体力劳动和大量重复性的操作中解放出来，而且也极大地提高了劳动生产率和产品质量。

自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成，在工程和科学的发展中，自动控制技术起着极其重要的作用，自动控制理论是自动控制技术的理论基础。自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。从航天空间站、飞行器、军事装备、高速列车、能源控制、医疗卫生、交通运输、地区规划等这些复杂的大系统，到工业生产过程、现代农业、垃圾处理、机器人、家用电器等各个领域均获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。特别是进入21世纪以来，经济以及科技、国防事业的发展和人们生活水平的提高，自动控制技术所起的作用越来越重要，自动控制技术本身也得到进一步发展。作为一个工程技术人员，了解掌握自动控制方面的知识是十分必要的。

1.1.1自动控制相关概念

（1）自动控制：所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置

（例如控制器）使被控对象（生产装置、机器设备或其他过程）的某些物理量（称为被控量）自动地按预定的规律运行或变化。

事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如，要想发电机正常供电，其输出的电压和频率必须保持恒定，尽量不受负荷变化的干扰；要想数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化；要使烘烤炉提供优质的产品，就必须严格地控制炉温；导弹能准确地命中目标，人造卫星能按预定轨道运行并返回地面，宇宙飞船能准确地在月球上着落并安全返回，以及工业生产过程中，诸如温度、压力、流量、液位、频率等方面的控制，所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。

自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现自动化，从而提高了劳动生产率和产品质量，降低生产成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能演发展空间技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。

（2）自动控制理论.实现自动控制技术的理论叫自动控制理论，是研究自动控制共同规

律的技术科学。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技

术的发展，现已发展成为一门独立的学科——控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。工程控制论主要研究自动控制系统中的信息变换和传送的一般理论及其在工

程设计中的应用，自动控制原理则仅仅是工程控制论的一个分支，只研究控制系统分析和设计的一般理论。

（3）自动控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行控制的系统。简单地说，就是为了达到某种“目标”设计并按照预期目标予以实施的一套系统，例如城市道路交叉口的红绿灯信号控制系统，控制各个方向的车辆，保证城市交通的安全与通畅。

1.1.2自动控制理论的发展状态

随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中，经过长期的发展逐步形成和发展起来的。它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。目前国内外学术界普遍认为控制理论经历了三个发展阶段：经典控制理论、现代控制理论及大系统理论和智能控制理论，这种阶段性的发展过程是由简单到复杂，由量变到质变的辩证发展过程。并且，这三个阶段不是相互排斥的，而是相互补充、相辅相成的，各有其应用领域，各自还在不同程度地继续发展着。

人类使用自动装置的历史可以追溯到古代，早在3000年前，中国就已发明了用来自动计时的“铜壶滴漏”装置。根据可靠的历史记载，中国在公元前2世纪就发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规律的“浑天仪”。“指南车”在中国已有2100年以上的历史。此后一直到18世纪工业革命开始之前仅偶尔出现一些自动装置，如中国的水运仪象台、欧洲古老的钟表机构和水力及风力磨房的速度调节装置等。在1788年英国机械师瓦特制造蒸汽离心调速器之后的一个半世纪中，人们开始大量采用各种自动调节装置来解决生产和军事中的简单控制问题，同时还开始研究调节器的稳定性等理论问题，但尚未形成统一的理论。1868年，英国科学家麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定现象，指出振荡现象的出现与系统导出的一个代数方程根的分布形态有密切关系，开辟了用数学方法研究控制系统中运动现象的途径。英国数学家劳斯和德国数学家赫尔维茨推进了麦克斯韦的工作，分别在1877年和1895年独立建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。直到20世纪中期，把自动控制技术在工程实践中的一些规律加以总结提高，进而以此去指导和推进工程实践，形成所谓的自动控制理论，并作为一门独立的学科而存在和发展。