自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。

自动控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的，使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

自动控制系统由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。自动控制系统典型结构如图1-1所示，主要由被控对象、测量反馈元件、比较元件、执行元件和控制器组成[1]。

图1-1　自动控制系统典型结构

被控对象一般是指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。描述被控对象工作状态的、需要进行控制的物理量就是被控量。

测量反馈元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转化成电量，以便利用电的手段加以处理。例如测速发电机，就是将电动机轴的速度检测出来并转换成电压。

比较元件是对实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的电量比较元件有差动放大器、电桥电路等。

执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象，使其被控量按照设定的要求变化。通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。

控制器又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系统中。是为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。

与控制系统相关的一些概念如下：

·被控变量：被控对象内要求保持设定值的工艺参数。

·操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

·扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

·设定值：被控变量的预定值。

·偏差：被控变量的设定值与实际值之差。

·闭环自动控制：是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。

·开环控制系统：是指控制器与被控对象之间之有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。(www.daowen.com)

·反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫作负反馈，反之为正反馈。

自动控制系统中的方块图是由传递方块、信号线、综合点、分枝点构成的表示控制系统组成和作用的图形。一个典型的衰减振荡过程曲线，衰减振荡的品质指标有以下几个：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）。最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。衰减比是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。余差是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。振荡周期是指过渡过程同向两波峰之间的间隔时间，其倒数为振荡频率，在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些好。

自动控制系统按照不同的特征和标准，有不同的分类方法。按控制系统的结构，可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。按给定信号的形式，可将控制系统划分为恒值控制系统和随动控制系统。按系统参数是否随时间变化，可以将控制系统分为定常系统和时变系统。按控制系统的动态特性分类，可分为线性控制系统和非线性控制系统。按控制系统闭环回路的数目分类，可分为单回路控制系统和多回路控制系统。按照输入信号和输出信号的数目分类，可将系统分为单输入单输出系统和多输入多输出系统。按控制动作和时间的关系分类，可分为连续控制系统和离散控制系统。

在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程组成。过渡过程是指对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间过程。

对自动控制系统品质指标的基本要求可以归纳为三个字：稳、准、快。

稳：是指系统的稳定性。稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常工作的控制系统，首先必须是稳定的。稳定是对自动控制系统的最基本要求。

但由于闭环控制系统有反馈作用，控制过程有可能出现振荡或发散。

准：是对系统稳态（静态）性能的要求。对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，系统的准确性越好。

快：是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求。描述系统动态性能可以用平稳性和快速性加以衡量。平稳指系统由初始状态运动到新的平衡状态时，具有较小的过调和振荡性；快速指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短。动态性能是衡量系统质量高低的重要指标。

各种不同系统对三项性能指标的要求会有所侧重。例如恒值系统一般对稳态性能限制比较严格，随动系统一般对动态性能要求较高。控制系统设计的主要步骤如下：

（1）控制系统设计目标的设定。

（2）对被控对象的分析及建立数学模型。

（3）控制系统设计方案的决定。

（4）Simulink仿真。

（5）编写控制代码。

（6）控制器硬件实现。