第一章 绪论：自动控制基础
1. 自动控制的历史背景
工业革命的需求：蒸汽机调速器（1788年瓦特发明离心调速器，最早的自动控制装置）。
控制理论的发展：
1868年麦克斯韦《论调速器》首次用数学分析稳定性。
20世纪40年代维纳提出“控制论”（Cybernetics），标志现代控制理论诞生。
现代应用：航空航天、机器人、智能家居、工业4.0。
2. 自动控制的定义与核心思想
定义：通过控制器（Controller）自动调节被控对象（Plant），使其输出（Output）按期望的输入（Input）运行。
核心思想：反馈（Feedback）——通过测量输出与期望值的偏差，动态调整控制动作。
关键词：
参考输入（Setpoint）：期望的目标值（例如：设定温度25℃）。
扰动（Disturbance）：影响输出的外部干扰（例如：空调房间开门导致冷气流失）。
3. 控制系统的组成与功能
(1) 四大核心组件
(2) 信号流图
设定值（输入） → [控制器] → [执行器] → [被控对象] → 输出 ↑ | └───────[传感器] ←───────┘
4. 控制系统的分类
(1) 按反馈方式分类
(2) 按数学特性分类
线性系统：满足叠加性和齐次性（输入x1→输出y1，输入x2→输出y2 → 输入a·x1+b·x2→输出a·y1+b·y2）。
典型方程：线性微分方程（如 ）。
非线性系统：不满足叠加性（如摩擦力、饱和特性）。
典型方程：非线性微分方程（如 ）。
(3) 按信号类型分类
5. 控制系统的性能指标
稳定性（Stability）：系统能否在扰动后恢复到平衡状态（首要条件）。
快速性（Speed）：系统达到稳态所需的时间（如调节时间 ）。
准确性（Accuracy）：稳态误差（Steady-State Error）是否为零。
鲁棒性（Robustness）：系统在参数变化或扰动下仍能保持性能。
6. 工程实例分析
案例1：抽水马桶水位控制
被控对象：水箱水位。
传感器：浮球阀（机械式反馈）。
控制器：浮球阀的杠杆机构。
执行器：进水阀。
原理：水位上升→浮球抬高→杠杆关闭进水阀（闭环控制）。
案例2：无人机悬停控制
被控对象：无人机姿态和高度。
传感器：陀螺仪、加速度计、气压计。
控制器：PID算法（计算电机转速调整量）。
执行器：无刷电机和螺旋桨。
原理：传感器反馈姿态偏差→控制器调整电机转速→维持悬停。
习题与答案
习题1：选择题
以下哪个系统是开环控制？
A. 空调温度控制
B. 红绿灯定时切换
C. 汽车定速巡航
D. 无人机悬停
答案：B闭环控制系统的核心特点是：
A. 无反馈
B. 抗干扰能力弱
C. 根据输出偏差调整控制
D. 结构简单
答案：C
习题2：简答题
为什么闭环控制系统比开环系统更复杂？
答案：闭环需要传感器、控制器和反馈回路设计，需解决稳定性问题（如振荡风险）。解释“鲁棒性”在控制系统中的意义。
答案：鲁棒性指系统在参数变化（如电机老化）或外部扰动（如风力干扰）下仍能保持稳定性和性能。
习题3：设计题
设计一个闭环控制系统，控制热水器的出水温度为40℃。
要求：
画出系统框图；
列出传感器、控制器、执行器的具体类型；
说明如何克服扰动（如冷水突然注入）。
参考答案：
框图：
设定温度（40℃）→ [PID控制器] → [加热器] → [热水器水箱] → 温度传感器 → 反馈
组件：
传感器：PT100热电阻
控制器：单片机（运行PID算法）
执行器：电加热棒
抗扰动方法：
控制器实时检测温度偏差，通过积分项消除稳态误差；
微分项预测温度变化趋势，提前调整加热功率。
习题4：分析题
分析以下系统的类型（开环/闭环、线性/非线性）：
电饭煲的煮饭模式（预设时间加热）。
答案：开环、非线性（加热功率与温度不成正比）。汽车ABS防抱死系统（根据轮速调整刹车压力）。
答案：闭环、非线性（轮胎与地面摩擦为非线性）。
本章总结
核心概念：反馈是自动控制的灵魂，闭环系统通过“感知-计算-执行”循环实现目标。
系统分类：开环（简单但不抗干扰） vs. 闭环（复杂但精准）。
性能指标：稳（稳定）、快（快速）、准（准确）、鲁棒（抗干扰）。
