第一章-自动控制系统的一般概念复习过程
第一章自动控制系统概述
自动控制的概念
•3（被控）对象
指被控制的生产过程或设备。可是一个设备，它是 由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完 成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控 物体（如受压容器、加热炉、化学反应器或宇宙飞 船）为对象。
•4 被控量
指表征生产过程是否正常进行而需要加以控制 的物理量。通常也称为被调量。
(2) 闭环控制系统
能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的 偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系 的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反 馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的， 因此反馈控制也称为闭环控制。
输入量
控制器
对象 或过程
测量元件
闭环控制系统方框图
输出量
开环与闭环控制系统的比较
1.1 自动控制 和自动控制系统的基本概念
目的、要求: 了解人工控制与自动控制的基本概念 掌握自动控制系统的基本概念与常用术语 理解自动控制系统的组成方框图 难点: 概念:被控量,扰动 方框图
•日常生活过程中的控制系统例子---
水箱水位控制系统
被控对象：水箱 被控量：水箱水位 控制装置：杠杆 检测元件：浮球 控制手段：进水阀
• 8 反馈控制
反馈控制是指在存在扰动的情况下，力图减 小系统的输出量与参考输入量（也称参据量） （或者任意变化的希望的状态）之间的偏差， 的一种控制过程。
自动控制系统的基本概念
反馈控制系统的中所用到的术语： 给定值（参考输入值） 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给 定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程＋控制装置
c（t）= f ( x（t）)
自动控制原理第一章复习总结(第二版)
第一章控制系统的基本概念主要内容：1．基本概念2．控制系统的组成、分类及有关参数第一节概述1．过程装备控制：2．生产过程自动化一、生产过程自动化系统所包含的内容生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：1．自动检测系统2．信号联锁系统3．自动操纵系统4．自动控制系统二、过程装备控制的任务和要求1．安全性2．经济性3．稳定性第二节控制系统的组成一、过程装备的控制1．人工控制2．自动控制3．人工控制与自动控制比较二、控制系统的组成1．被控对象2．测量元件和变送器3．调节器4．执行器第三节控制系统的方框图如图1-2所示为一简单控制系统的方框图。
图1-2 简单控制系统方框图第四节控制系统的分类一、按给定值的特点划分1．定值控制系统2．随动控制系统3．程序控制系统二、按系统输出信号对操纵变量影响划分1．闭环控制2．开环控制三、按系统的复杂程度划分1．简单控制系统2．复杂控制系统四、按系统克服干扰的方法划分1．反馈控制系统2．前馈控制系统3．前馈—反馈控制系统第五节控制系统的过渡过程及其性能指标一、控制系统的过渡过程（一）定义：被控对象受到干扰，使被控变量偏离给定值。
从调节器在开始发挥作用时起，要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。
（二）干扰的形式：阶跃干扰对控制系统的影响最大，（a）发散振荡（b）等幅振荡（c）衰减振荡（d）单调过程图1-11 过渡过程的几种基本形式1．散振荡过程2．等幅振荡过程3．衰减振荡过程4．非振荡的单调过程二、控制系统的性能指标（一）以阶跃响应曲线形式表示的质量指标两个概念：定值控制系统由于给定值不变，因此被控变量总是围绕着过程的初始值变化。
其响应曲线如图1-12（a）所示。
随动控制系统 由于给定值的变化是主要输入作用，整个过渡过程始终围绕这个变化了的给定值而波动。
其特性曲线如图1-12（b ）所示。
（a ） (b) 图1-12 过渡过程曲线1．最大偏差A （或超调量σ）2．衰减比n3．回复时间（也称过渡时间）t s4．余差e （∞）5．振荡周期T（二） 偏差积分性能指标1．平方误差积分指标（ISE ）min )(02→=⎰∞dt t e J （1-4） 2．时间乘平方误差偏积分指标（ITSE ）⎰∞→=02m i n )(dt t te J （1-5） 3．绝对误差积分指标（IAE ）min )(0→=⎰∞dt t e J （1-6）4．时间乘绝对误差积分指标（ITAE ） min )(0→=⎰∞dt t e t J （1-7）。
《自动控制原理》课程考试复习要点
《自动控制原理》课程考试复习要点第1章控制原理绪论一、主要内容1、自动控制的概念，控制系统中各部分名称及概念2、开环控制于闭环控制的区别，负反馈原理3、系统的分类4、方框图绘制（原理图）5、对自动控制系统的一般要求（稳、准、快）二、自动控制概念中的基本知识点1、闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。
2、典型闭环系统的功能框图。
自动控制在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。
自动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。
被控制量在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。
控制量作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。
扰动量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。
反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。
反送到输入端的信号称为反馈信号。
负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
负反馈控制原理检测偏差用以消除偏差。
将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。
然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。
开环控制系统系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。
开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。
闭环控制系统凡是系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。
自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。
复合控制系统复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。
它在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，用以提高系统的精度。
自动控制系统组成组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件1．给定元件给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号)，这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。
自动控制复习总结提纲
自动控制复习提纲第一章 自动控制系统概论1、 自动控制系统的概念：就是在没人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使其按照预定的规律运动或变化2、 控制装置的组成：自动检测装置、自动调节装置、执行装置3、 系统术语 ⑴、 被控量：要求被控对象保持恒定或为按一定规律变化的物理量，一般是输出量，是时间的函数。
⑵、 给定信号：控制系统的输入信号，是时间的函数。
⑶、 偏差信号：是比较元件的输出信号，即给定信号与反馈信号之差。
⑷、 误差信号：系统被控量的希望值与实际值之差。
⑸、 干扰信号：破坏系统平衡，导致系统的被控量偏离其给定值的因素。
⑹、 反馈信号：从系统的输出端引出，经过变换回送至输入端与给定信号进行比较的信号。
4、 自动控制系统的分类： ⑴、 开环控制系统：若系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没有反向联系，则该系统称为开环控制系统。
⑵、 闭环控制系统：输入量与输出量之间不仅有顺向作用，而且有反向作用的控制系统，称为闭环控制系统。
5、 对自动控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性。
例1：适合于应用传递函数描述的系统是：线性定常系统例2：根据控制系统元件的特性，控制系统可分为：线性控制系统和非线性控制系统第二章 控制系统的数学模型1、 传递函数的定义：传递函数G （s ）=输出量的拉氏变换/输入另的拉氏变化=C （s ）/R (s ) 2、 用阻抗法求传递函数：电阻元件的传递函数用 R 表示， 电感元件的传递函数用 LS 表示；而电容元件的传递函数用 1/(CS) 表示；例题1：如图1所示，有源网络的传递函数)()(s U s U r c 为： -R2/R1图13、 动态结构图的等效变换及化简⑴、串联变换规则 ：当系统中有两个或两个以上环节串联时，其等效传递函数为各串联环节的传递函数的乘积。
C （s ）=G 1(s)G 2(s)R(s)=G （s ）R(s) ⑵、并联变换规则：当系统中两个或两个以上环节并联时，其等效传递函数为各并联环节的传递函数的代数和。
自动控制原理1-7章学习指导、典型题解
第一章：自动控制的一般概念1.1学习指导1.1.1、课程内容（1）自动控制理论发展概况；（2）自动控制的基本概念与方式；（3）自动控制系统分类；（4）对自动控制系统的基本要求；（5）自动控制系统组成和方框图。
本章是本课程的入门章节，通过学习应理解自动控制的基本概念和分类，控制系统组成和方框图，会根据实际控制系统绘制系统方框图。
1.1.2内容概述1、自动控制的基本概念自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。
自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。
一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。
2、两种基本控制方式1)开环控制方式控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系。
2）闭环控制方式：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制。
3、闭环系统的基本组成（1）给定元件设定被控量的给定值；（2）测量元件对系统被控量(输出置)进行测量；（3）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。
（4）放大元件对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率5）执行元件根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。
（6）被控对象指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。
被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出量。
（7）校正元件用以改善系统性能4、自动控制系统的分类1）按系统性能分类：（1）线性系统：满足叠加性和齐次性。
（2）非线性系统：不满足叠加性和齐次性。
2）按信号类型分类：（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。
（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。
3）按给定信号分类（1）恒值控制系统给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。
（2）随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。
《自动控制原理》复习提纲
《自动控制原理》复习提纲自动控制原理复习提纲第一章：自动控制系统基础1.1自动控制的基本概念1.2自动控制系统的组成1.3自动控制系统的性能指标1.4自动控制系统的数学建模第二章：系统传递函数与频率响应2.1一阶惯性系统传递函数及特性2.2二阶惯性系统传递函数及特性2.3高阶惯性系统传递函数及特性2.4惯性环节与纯时延环节的传递函数2.5开环传递函数与闭环传递函数2.6频率响应曲线及其特性第三章：传递函数的绘制和分析3.1 Bode图的绘制3.2 Bode图的分析方法3.3 Nyquist图的绘制和分析3.4极坐标图的应用3.5稳定性分析方法第四章：闭环控制系统及稳定性分析4.1闭环控制系统4.2稳定性的概念和判据4.3 Nyquist稳定性判据4.4 Bode稳定性判据4.5系统的稳态误差分析第五章：比例、积分和微分控制器5.1比例控制器的原理和特性5.2积分控制器的原理和特性5.3微分控制器的原理和特性5.4比例积分(P)控制系统5.5比例积分微分(PID)控制系统第六章：根轨迹法6.1根轨迹的概念和基本性质6.2根轨迹的绘制方法6.3根轨迹法的稳定性判据6.4根轨迹设计法则6.5根轨迹法的应用案例第七章：频域设计方法7.1频域设计基本思想7.2平衡点反馈控制法7.3频域设计法的应用案例7.4系统频率响应的优化设计7.5频域方法的灵敏度设计第八章：状态空间分析和设计8.1状态空间模型的建立8.2状态空间的矩阵表示8.3状态空间系统的特性8.4状态空间系统的稳定性分析8.5状态空间设计方法和案例第九章：模糊控制系统9.1模糊控制的基本概念9.2模糊控制系统的结构9.3模糊控制器设计方法9.4模糊控制系统的应用案例第十章：遗传算法与控制系统优化10.1遗传算法的基本原理10.2遗传算法在控制系统优化中的应用10.3遗传算法设计方法和案例第十一章：神经网络及其应用11.1神经网络的基本概念和结构11.2神经网络训练算法11.3神经网络在控制系统中的应用11.4神经网络控制系统设计和优化方法第十二章：自适应控制系统12.1自适应控制的基本概念12.2自适应控制系统的结构12.3自适应控制器设计方法12.4自适应控制系统的应用案例第十三章：系统辨识与模型预测控制13.1系统辨识的基本概念13.2建模方法及其应用13.3模型预测控制的原理13.4模型预测控制系统设计和优化方法第十四章：多变量控制系统14.1多变量控制系统的基本概念14.2多变量系统建模方法14.3多变量系统稳定性分析14.4多变量系统控制器设计14.5多变量系统优化控制方法以上是《自动控制原理》的复习提纲，内容覆盖了自动控制系统的基本概念、传递函数与频率响应、传递函数的绘制和分析、闭环控制系统及稳定性分析、比例、积分和微分控制器、根轨迹法、频域设计方法、状态空间分析和设计、模糊控制系统、遗传算法与控制系统优化、神经网络及其应用、自适应控制系统、系统辨识与模型预测控制、多变量控制系统等知识点。
自动控制系统总复习
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详细描述
智能家居控制主要应用于家庭生活中各种设备的控制和管理，如照明、空调、窗帘、安防等，通过智 能家居控制系统，可以实现家庭设备的智能化和自动化控制，提高家庭生活的便利性和舒适性。
机器人控制
总结词
机器人控制是自动控制系统在机器人 领域的应用，通过机器人控制系统， 可以实现机器人的自主运动和智能化 作业，提高机器人的作业效率和精度。
响应速度是指系统对输入信号的响应速度，越快越好；超调量是指系统在达到稳 态值之前超过稳态值的最大值，越小越好；调节时间是指系统从初始状态达到稳 态值所需的时间，越短越好；稳态误差是指系统在稳态下的误差，越小越好。
03 自动控制系统设计
系统设计方法
解析设计法
综合设计法
模块化设计法
适应性设计法
通过分析系统的输入和输出 关系，建立系统的数学模型， 然后根据模型进行控制器设 计。
详细描述
航空航天控制主要应用于飞机、导弹、卫星和火箭等航空航天器的制导、导航 和控制等方面，通过自动控制系统，可以实现航空航天器的精确制导和控制， 保障航空航天器的安全和稳定运行。
智能家居控制
总结词
智能家居控制是自动控制系统在家庭生活中的应用，通过智能家居控制系统，可以实现家庭设备的智 能化和自动化控制，提高家庭生活的便利性和舒适性。
根据系统的性能要求，选择 适当的控制策略和控制结构， 再通过系统仿真和实验验证 来调整参数。
将系统分解为若干个模块， 分别进行设计、仿真和优化， 最后将各模块集成在一起形 成完整的控制系统。
根据环境变化和系统性能要 求，动态调整控制策略和参 数，以适应不同工况和需求。
控制策略选择
自动控制系统的一般概念
第一章自动控制系统的一般概念1－1引言自动控制在工业、农业、国防和科学技术的现代化中，起着重要的作用，并在国民经济和国防建设的各个领域中得到了广泛应用。
随着生产和科学技术的发展，特别是数字计算机的迅速发展和应用，自动控制技术更显示了越来越重要的作用和广阔的前景。
“自动化”这个词的意思是自己运动或者自己动作。
“控制”这个词可以理解为命令、指挥、管理和调节等若干种含意。
所谓自动控制，就是在没有人直接参加的情况下，利用控制装置使被控制的对象（如机器、设备或生产过程等）自动地按照预定的规律运行。
例如，化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变，程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进行切削，加工出预期的几何形状，跟踪雷达和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标以及无人驾驶飞机能按预定航行线自动飞行，人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收等等，这些都是自动控制技术的应用。
自动控制的对象是系统。
所谓系统，是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体。
例如，一部自动机器（工程系统）、一个生物体（生物系统）、一个经济协作区（经济系统）和一个社会组织乃至一个国家（社会系统）都是一个系统。
能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统，称为自动控制系统。
它一般包括控制器和被控制对象两大部分。
被控制对象（简称被控对象）是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，例如飞机、锅炉、机床以及化工生产过程等。
控制器则是指对被控对象起控制作用的设备总体。
一般情况，自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
其主要区别仅在于，闭环系统用了反馈比较。
1－2控制系统工作原理和组成一、人工控制系统和自动控制系统在各种生产过程及生产设备中，常常需要使其中某些物理量（如温度、压力、位置、转速等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化。
要满足这些要求，就应该对生产过程或生产设备进行及时的控制或调整。
为了便于研究问题，把实际的物理系统按信号传递过程画成方框图（或称方块图）。
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自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反 馈原理的军用装备，促进和完善了自动控制理论的发展。战 后已形成了完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为 基础的经典控制理论，它主要研究单输入—单输出、线性定 常系统的分析和设计问题。主要数学工具是积分变换，用频 率特性法及根轨迹法研究控制系统的动态特性的理论。
② 现代控制理论 研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优
控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学 工具，用状态空间法研究系统状态运动的理论。
③ 智能控制理论 正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。
例1：人用手拿物品。
控制目标：手拿到物品。 相关部件：
1.手:抓取物品。功能：受控对象、执行部件。 2.大脑:协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的
四、反馈控制系统的基本构成
给定元件：设定被控量的期望值，产生系统输入量(参据量)。 测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。
也称为传感器、传感元件。
比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。
放大元件：对偏差信号进行放大，包括信号放大和功率放大。 校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也
电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移 量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。
输入量
放大器
伺服电机
输出量 传动机构 记录笔
测速电机
位置测量
二、飞机自动驾驶仪系统
控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。
飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。
纵向控制：给定一个电压信号，设定飞机爬升(俯冲)的倾角
按偏差控制(误差控制) ：根据设定值(期望值)与输出值 (实际值)的偏差量，确定对象的动作。
负反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏 差越来越小。 正反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏 差越来越大。 有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个 误差称为稳态误差。 无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差。
干扰测量
干扰输入
输入量
放大元件
执行元件 被控对象输出量
复合控制方式：将反馈控制与顺馈结合的控制方式。
干扰输入
干扰测量
输入量
补偿元件
放大元件
输出量 执行元件 被控对象
反馈元件
§1-2 自动控制系统示例
一、函数记录仪
控制目标：纪录笔按要求到达规定位置。 控制量：纪录笔位置。 控制对象：纪录笔。 记录笔运动原理：给定一个电压信号，设定位移量，在输入 作用下启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。 位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪 录笔的位置测量出来，用来反馈。
叫补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。
执行元件：直接使输出量产生变化的部件。 反馈元件：将输出量引回到输入端的部件。
典型反馈系统组成：单闭环系统
输入量
输出量 放大元件 补偿元件 执行元件 被控对象
反馈元件
典型反馈系统组成：双闭环系统
输入量
补偿元件
放大元件 执行元件
局部反馈
反馈元件
输出量 被控对象
主反馈
内回路
测量元件
主回路
五、自动控制系统的基本控制方式
反馈（闭环）控制方式 开环控制方式：被控对象各部件的信号只沿着顺向传递，
输出量不会对系统的控制产生影响。
输入量 放大元件
执行元件
输出量 被控对象
顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出
来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系
统的影响。本质：按扰动开环控制。
接近程度(比较元件)；控制手的动作(控制部件)。 3.眼睛:观察物品与手的位置。功能：检测元件。
物品
位置
眼睛
大脑
手 手臂、手
位置 眼睛
例2：龙门刨床速度控制系统。
控制目标：刀架速度恒定。
实现方式：输入恒定电压 u 0 ，电机速度 n
相关部件： 1.电机(SM)。功能：执行部件。
恒定。
2.测速机(TG)。功能：将速度信号转换为电信号，检测元件。
,该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度， 决定了飞机爬升(俯冲)的倾角 。
舵机控制：位置伺服控制(内回路)。位移传感器测量。
外回路：飞机倾角 的反馈控制。垂直陀螺仪测量。
自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测 量到的输出信号，产生相应的控制规律。
0 驾驶仪
放大器 舵机
化的物理量。被控量又称输出量、输出信号 。
➢ 给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据 的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。
➢ 反馈量 ：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控 量的函数。
➢ 干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都 是干扰。干扰又称扰动。
3.放大器(FD)。功能：比较、放大，比较元件。
4. 调节触发器(CF)。功能：电压放大。
5. 晶出电枢
设定速度 放大器
u0
FD
电压 u a 。
调节触
晶闸管整
ua
发器CF 流装置KZ
转速
电动机 n
ut
测速
发电机
控制部件？
三、反馈控制原理
反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制。
第一章-自动控制系统的一般概 念
什么是自动控制系统？ 为到达某一目的，由相互制约的各个部件按一定规律
组织成的具有一定功能的整体，一般由控制装置和被控对 象组成。
➢ 被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被 控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电 冰箱等。
➢ 控制装置 ：指对被控对象起控制作用的设备总体。 ➢ 被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变
位移传感器
干扰
飞机
位置测量
三、电阻炉微型计算机温度控制系统
控制目标：电炉温度在设定的范围内。 工作原理：电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝
应用领域：生物、医学、经济管理等人类活动的各个领域。
二、自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。
问题1：如何描述一个对象？—— 数学模型 问题2：如何描述控制目标？—— 性能指标 问题3：给定对象是否满足性能指标要求？—— 系统分析
问题4：如何使给定对象满足性能指标？—— 系统综合
自动控制理论的发展：