第一章緒論第1節引言從總體來說，自動控制包括開關量控制和反饋控制。一、開關量控制的發展過程在1804年Jacquard發明了穿孔帶式紡織機1824年Sturgeon發明了電磁鐵1836年Henry發明了電磁繼電器1847年Bool提出了布爾代數在20世紀40年代，基本上形成了操作者─控制柜─被控對象的控制模式。在20世紀50年代，由于遠距離監控技術的引入，基本上形成了操作者─操作臺─控制柜─被控對象的控制模式。1968年美國通用汽車公司（GM）公開招標，要求研制新型的控制器。1969年可編程控制器（PLC）由美國數字設備公司（DEC）首先研制成功。在20世紀70年代中期，微處理器開始被用作PLC的中央處理單元，PLC的功能大大提高。在20世紀70年代末，出現了分別采用16位微處理器、單片式微處理器和多個微處理器的PLC。在20世紀80年代及以后，隨著PLC的通訊功能更加完善，開關量控制逐步實現網絡化

1788年：J.Watt發明蒸汽機調速器

1000多年前：銅壺滴漏、指南針、各種天文儀器

1868年：J.C.Maxwell發表《調速器》，提出反饋控制的概念及穩定性條件。

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩定性判據。二、反饋控制的發展過程

1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩定性判據。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩定性判據。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩定性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設計方法

1948年：N.Wiener發表《控制論》，標志著經典控制理論基本形成；

1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進一步充實了經典控制理論；

1954年：錢學森發表《工程控制論》；

50年代末60年代初：現代控制理論形成；

1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理

1957年：R.I.Bellman提出動態規劃理論

1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論

1960～1980年：確定性系統的最優控制、隨機系統的最優控制、復雜系統的自適應和自學習控制

1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等一、人工控制與自動控制

自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的裝置（稱為控制器），使設備（稱為被控對象）的某個參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。第2節自動控制的基本概念

人工控制加熱電阻絲~220V調壓器人工控制的恒溫箱

溫度計人工控制恒溫箱的過程：

觀測恒溫箱內的溫度（被控量）

與要求的溫度（給定值）進行比較，得到偏差的大小和方向

根據偏差的大小和方向，調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流，使溫度恢復到要求值。人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差。加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器

電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統

自動控制恒溫箱自動控制系統工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換成電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度

u2比較得到偏差信號u＝u1

u2偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到恒溫箱內溫度達到給定值為止，此時，偏差u＝0，電機停止轉動。給定信號電壓功率放大器電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uu3nvu溫度t被控量擾動綜上所述，自動控制系統的工作原理：檢測被控量的實際值將被控量的實際值與給定值進行比較得出偏差；

用偏差產生控制作用去消除偏差。特點：系統僅受輸入量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋通路；輸出量對系統的控制不產生任何影響。

輸入裝置指令系統輸入控制裝置驅動裝置工作臺工作臺

位置系統輸出二、開環控制優點：簡單、成本低。若組成系統的元件的參數比較穩定，且外界干擾較小，開環控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器被控對象輸入量輸出量特點：輸出端和輸入端之間存在反饋通路，輸出量對控制過程有直接影響。

優點：精度較高，對外界擾動和系統參數變化

不敏感

缺點：系統性能分析和設計麻煩，成本較高。三、閉環控制控制器被控對象輸入量輸出量測量元件反饋量給定元件+串聯校正元件放大元件執行元件控制對象_+_并聯校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo第3節自動控制系統的組成

給定元件

產生給定信號。

反饋元件

測量被控量，產生反饋信號。

為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。

注意：在機械、液壓、氣動等系統中存在著內在反饋，這種反饋無須專門的反饋元件，是系統內部各參數相互作用產生的。

比較元件

將給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號；

放大元件

對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執行元件實現控制功能。

執行元件

直接對被控對象進行操縱的元件，如電動機等；

校正元件

用來改善系統的控制質量。第4節自動控制系統的分類一、按輸入量的特征分類

恒值控制系統

程序控制系統

隨動系統（伺服系統）二、按系統中傳遞的信號分類

連續控制系統

離散（數字）控制系統

線性系統與非線性系統可以用線性微分方程描述的系統。如果微分方程的系數為常數，則為線性定常系統；如果微分方程的系數是時間t的函數，則為線性時變系統；

線性系統線性是指系統滿足疊加原理，即：

可加性：

齊次性：三