自动控制系统(卷名：自动控制与系统工程)
automatic control systems
在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。在自动控制系统中引入于系统的表征期望规律的变量称为输入变量，可以从系统测量到的用于描述系统行为的变量称为输出变量，两者构成因果关系。例如，在飞机的驾驶过程中，气流的扰动会使飞机的实际航向发生偏离，在没有实现自动控制的情况下，通常由驾驶员通过仪表观测飞机的航向，操纵飞机的控制部件，使实际航向尽可能与期望航向一致；若采用自动驾驶仪，则控制飞机航向的过程就可不需要驾驶员直接参与而自动地进行。其中，作为被控制量的输出变量是飞机的实际航向，作为指令的输入量是期望航向。在这个例子中自动控制系统由驾驶仪与飞机构成（见图）。发展状况 人类使用自动装置的历史可以追溯到古代。中国古代的指南车和铜壶滴漏以及古罗马人家庭水管系统的简单水位调节装置都是自动控制系统的萌芽。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J.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。20世纪40年代至50年代末是经典控制理论趋于成熟的时期，其推动力是工业生产和军事技术的迫切需要。这个时期内，各种类型的自动调节系统和伺服系统相继出现。这些系统的主要特点是单输出和单输入,控制功能常是局部性的,控制方式也比较简单。60～70年代，在航天技术的需要和计算机技术的推动下,产生了现代控制理论,控制系统发展成多变量、多回路系统。在这个时期，数字控制系统、最优控制系统、随机控制系统、适应控制系统、非线性控制系统、分布参数系统等各种类型的复杂控制系统得到很大发展。70年代以来自动控制系统在结构和原理两方面都在不断发展。结构上从单一、局部的控制系统向多级递阶控制系统、分散控制系统、复杂大系统的控制发展。而原理方面的发展则表现为反馈概念的深化，即向适应性、学习功能和智能化方向发展。在这个过程中，微电子技术和微型计算机技术的迅速发展起了关键的促进作用。在此基础上出现了计算机辅助设计、计算机辅助制造、数字程序控制系统、工业机器人，并发展成柔性制造系统。一种功能更强自动化程度更高的计算机集成制造系统也开始形成。
分类 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。在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。基于按时序进行逻辑控制的开环控制系统称为顺序控制系统。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。通常大多数重要的自动控制系统都采用闭环控制的方式。闭环控制系统又称反馈控制系统。按控制和测量信号的不同，又可分为连续控制系统和离散控制系统。控制信号连续地作用于系统的，称为连续控制系统。控制信号断续地作用于系统的，称为离散控制系统或采样控制系统。此外,在工程问题中,自动控制系统也常按所控制变量的物理属性进行分类，如温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、速度控制系统等。
组成 对于不同类型的自动控制系统，其组成方式也不相同。闭环控制系统的基本组成环节包括被控对象、测量装置和控制器。被控对象可以是一个装置、一部机器或一个过程。测量装置的功能是检测被控制量并与期望值进行比较。控制器由放大器、校正装置和执行机构所组成，其中放大器用以提高信号的功率，校正装置用以获得所要求的控制特性，执行机构产生为控制系统输出量所要求的动作。开环控制系统的基本组成环节则仅有被控对象和控制器。开环控制系统的控制器常采用顺序控制器。
应用 自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量,包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
参考书目
本杰明C.郭著，张一中译：《自动控制系统》，水利电力出版社,北京，1983。(Benjamin C.Kuo, Automatic Control Systems，Prentice-Hall，Englewood Cliffs, New Jersey,1975.)