自动控制理论是自动控制科学的核心，也是研究自动控制共同规律的科学技术。它是相对人工控制概念而言的，指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制理论至今已经过了四代的发展：经典控制、现代控制、大系统控制和智能控制。

1.1.1　经典控制理论

经典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似和（或）试探的基础上的，控制对象一般是单输入单输出系统、线性定常系统[1，2]。经典控制理论可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器。最终形成完整的自动控制理论体系是在20世纪40年代末。最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年使用的浮子调节器，凯特斯比斯（Kitesibbios）在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期，1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。1877年劳斯（E.J.Routh），1895年霍尔维茨（A.Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据。1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshne-greskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。1922年米罗斯基（N.Minorsky）给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯（N.B.Nichols）又给出了PID控制器的最优参数整定法。1932年柰奎斯特（Nyquist）提出了负反馈系统的频率域稳定性判据，这种方法只需利用频率响应的实验数据。1940年，波德（H.Bode）进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。1943年，霍尔（A.C.Hall）利用传递函数（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复数域方法。频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。第二次世界大战结束时，经典控制技术和理论基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。至此，复数域与频率域的方法进一步完善。

1.1.2　现代控制理论

现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的[3，4]。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前，美国学者贝尔曼于1954年创立了动态规划，并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。1960—1961年，美国学者卡尔曼和布什建立了卡尔曼—布什滤波理论，因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。

到20世纪60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼—布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。

1.1.3　大系统控制理论

20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论，简称“大系统控制理论阶段”。例如，现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其他性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性；预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。

大系统理论是研究规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素众多的工程与非工程大系统的自动化和有效控制的理论。大系统指在结构上和维数上都具有某种复杂性的系统。具有多目标、多属性、多层次、多变量等特点。例如经济计划管理系统、信息分级处理系统、交通运输管理和控制系统、生态环境保护系统以及水源的分配管理系统等。大系统理论是20世纪70年代以来，在生产规模日益扩大、系统日益复杂的情况下发展起来的一个新领域。它的主要研究课题有大系统结构方案，稳定性、最优化以及模型简化等。大系统理论是以控制论、信息论、微电子学、社会经济学、生物生态学、运筹学和系统工程等学科为理论基础，以控制技术、信息与通信技术、电子计算机技术为基本条件而发展起来的。

1.1.4　智能控制理论

智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题[5，6]。被控对象的复杂性体现为模型的不确定性、高度非线性、分布式的传感器和执行器、动态突变、多时间标度、复杂的信息模式、庞大的数据量以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。智能控制的方法包括模糊控制、神经网络控制、专家控制等方法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学、人工智能为基础的智能控制理论深入。

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如，温度、压力或飞行轨迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的相关机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

1.1.5　中国工业自动控制系统

经过20多年的发展，中国工业自动控制系统装置制造行业取得了长足的发展，尤其是20世纪90年代以来，中国工业自动控制系统装置制造行业的产量一直保持在年增长20%以上。2011年，中国工业自动控制系统装置制造行业取得了令人瞩目的成绩。全年完成工业总产值2056.04亿元；产品销售收入1996.73亿元，同比增长24.66%；实现利润总额202.84亿元，同比增长28.74%。国产自动控制系统相继在火电、化肥、炼油领域取得了突破。中国的工业自动化市场主体主要由软硬件制造商、系统集成商、产品分销商等组成。在软硬件产品领域，中高端市场几乎全部由国外著名品牌产品垄断，并将仍维持此种局面；在系统集成领域，跨国公司占据制造业的高端，具有深厚行业背景的公司在相关行业系统集成业务中占据主动，具有丰富应用经验的系统集成公司充满竞争力。在工业自动化市场，供应和需求之间存在错位。客户需要的是完整的能满足自身制造工艺的电气控制系统，而供应商提供的是各种标准化器件产品。行业不同，电气控制的差异非常大，甚至同一行业客户因各自工艺的不同导致需求也有很大差异。这种供需之间的矛盾为工业自动化行业创造了发展空间。中国拥有世界最大的工业自动控制系统装置市场，传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化需要大量的工业自动化系统，市场前景广阔。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。基于工业自动化控制较好的发展前景，预计2015年工业自动控制系统装置制造行业市场规模将超过3500亿元。随着工业自动控制系统装置制造行业竞争的不断加剧，大型工业自动控制系统装置制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的工业自动控制系统装置制造企业越来越重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。

1.1.6　控制系统

控制理论主要是为控制系统设计服务的。按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的性能都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。恒值控制系统即给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。随动控制系统是指给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化，如跟随卫星的雷达天线系统。程序控制系统是指给定值按一定时间函数变化。

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的可变的量。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。控制系统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。典型的控制系统主要包括以下基本单元：

（1）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。

（2）测量元件，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。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。

（3）给定元件，职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。

（4）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。

（5）放大元件，是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。当然，放大倍数越大，系统的反应越敏感。一般情况下，只要系统稳定，放大倍数应适当大些。

（6）执行元件，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。

（7）校正元件，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。

1.1.7　计算机控制系统

由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。一个典型计算机控制系统结构如图1-1所示[7]。(www.daowen.com)

图1-1　计算机控制系统典型结构

图1-1中包括四种信号，数字信号：r（kT）——给定输入，y（kT）——经A/D转换后的系统输出，u（kT）——由控制器计算的控制信号，e（kT）=r（kT）-y（kT）——偏差信号；模拟信号：y（t）——系统输出（被控制量）；离散模拟信号：y*（t）——经过采样开关的被控量信号（时间上离散，幅值上连续）；量化模拟信号：u*（t）——经D/A转换后的模拟控制信号（时间上连续、幅值上量化）。

从图1-1可以看出，典型的计算机控制系统是连续——离散混合系统，其特点是：模拟、数字和离散模拟信号同在；输入输出均为模拟量的连续环节（被控对象、传感器）、输入和输出均为数字量的数字环节（数字控制器、偏差计算）、输入输出为两类不同量的离散模拟环节（A/D和D/A）共存。

如果忽略量化效应等因素，常将数字信号和离散模拟信号统称为离散信号，将量化模拟信号称为模拟信号，而模拟信号也可称为连续信号。模拟控制系统可称为连续控制系统，而计算机控制系统常称为数字控制系统，有时也简称为离散控制系统。

1.1.8　计算机控制系统的优点

计算机控制系统与常规的连续（模拟）控制系统相比，通常具有如下优点：

（1）设计和控制灵活。计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。

（2）能实现集中监视和操作。采用计算机控制时，由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。

（3）能实现综合控制。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。

（4）可靠性高，抗干扰能力强。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另外，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。

1.1.9　设计一个实际的控制系统的要求

（1）可靠性高，计算机控制系统通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检测，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求计算机控制系统具有很高的可靠性。

（2）实时性好，计算机控制系统对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程的状态参数出现偏差或故障时，系统要能及时响应，并能实时地进行报警和处理。

（3）环境适应性强，有的工业现场环境复杂，存在电磁干扰，因此要求计算机控制系统具有很强的环境适应能力，如对温度、湿度变化范围要求高；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力等。

（4）过程输入和输出配套较好，计算机系统要具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板；具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理等。

（5）系统扩充性好，随着工厂自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此要求计算机系统具有灵活的扩充性。

（6）系统开放性，要求计算机控制系统具有开放性体系结构，也就是说在主系统接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种连接、软件的可移植和互换。

（7）控制软件包功能强，计算机控制系统应用软件包应具备丰富的控制算法，同时还应具有人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能。

1.1.10　控制系统设计的主要步骤

（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。