控制的基本概念在当今信息社会，自动化技术应用广泛，已渗透到人类社会生活的方方面面，例如，自动化生产线、工业机器人、办公自动化系统等。一般来说，自动化技术是指使机器、设备、过程或系统脱离人的控制而自动操作，并使其表现出人们所期望的预定行为的技术。
自动化技术有着悠久历史，其起源最早可追溯到公元前，经历了一个漫长而缓慢的早期发展过程。在我国东汉时期出现了记里鼓车，车每行驶一里路，木人自动击鼓一次，车内装有一套具有减速作用的传动齿轮，它是我国自动化技术的先驱。在我国魏晋时期，马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。他利用差动齿轮机械构造原理，制造了一辆双轮单辕车，车上立一木人，不论车行的方向怎样改变，木人始终手指南方。
到了近代，随着工业技术革命的出现，人们对自动控制技术的需求不断增大，自动控制技术得到快速发展。1788年，蒸汽机的发明人瓦特发明了用于控制蒸汽机速度的离心式调速器。当蒸汽机负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速恒定。1868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦（Maxwell）研究了反馈系统的稳定性问题，发表了可算作控制理论最早成果的论文《论调速器》（OnGovernors）。随后，源自物理学与数学的自动控制理论（在当时称为自动调节原理，简称调节原理）开始逐步形成。1788年瓦特发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器。
到了20世纪初，在军事和工业需求的刺激下，自动化技术的发展更为迅速，被大量应用到各种机械与电子系统中。在这样的背景下，1948年，美国数学家维纳（Wiener）发表了著名著作《控制论》，书中维纳将控制论界定为"在动物和机器中控制与通信的科学"。1954年，著名科学家钱学森在美国发表了著作《工程控制论》，系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通信等科学技术的意义与深远影响。这两本专著的问世标志着自动化技术作为一门科学技术基本形成，奠定了自动控制理论基础，自此以后，自动化技术得到大批数学家和工程技术专家的研究与关注。
自动化技术的核心是控制，而控制是以预期目标为引导，以信息作为研究对象，研究如何将对象所呈现的信息经加工处理后，形成控制信号作用于对象，实现其自动化行为。由此可见，控制是将信息转换成为控制行为的手段。
那么控制是如何将信息转换为控制行为的呢？首先看看人是如何利用信息来控制其操纵的设备的。人们在洗澡时会产生一个预期的水温（控制目标），然后调节给水阀门的方向和大小来控制水温。人们要感受水温，如水温高了，就要加大凉水流量，水温越高，凉水流量应越大；反之要增大热水流量，水温越低，热水流量应越大。通过这种方式可将水温调节到合适的温度。这个例子中，人控制的对象是水，控制目标是使水温到达某一恒值，阀门的方向和大小是控制水温的手段。下面再来仔细观察人控制水温的过程。人脑要不断检测身体感受到的实际水温和理想水温的温差，并据此不断用手调节阀门来控制冷热水流量，经过若干次这一循环往复闭环过程，最终把水温调节到期望温度，如图12所示。由此可见，人调节水温的关键因素是实际水温信息能被反馈回来，并与期望水温比较。如人不能感受实际水温，则无法调节水温。因此，反馈是人实施控制的关键因素。
图12人控制水温的过程如果用机器取代人，给定期望水温，它能自动调节阀门来使实际水温保持在期望水温值，那么就实现了水温调节的自动控制，称其为自动控制系统。自动控制系统原理与图12所示的人调节水温原理是一致的，其关键因素也是反馈，只不过用计算机或电子器件来取代人脑，用电气或机械设备来取代人手。
下面再举一个鹰捉兔子的例子。当天空中的鹰发现地面上奔跑的兔子时，它俯冲下来，准确地袭击兔子。在这里，控制目标是使鹰和兔子的位置重合。鹰眼可判断鹰与兔子距离，鹰脑根据这一判断来控制翅膀驱动鹰的身体接近兔子，直至最后逮住兔子，如图13所示。从控制角度看，鹰眼是测量机构，鹰脑是控制机构，鹰的翅膀是驱动机构（执行机构），鹰的身体是被控对象，控制目标是鹰与兔子的空间位置一致。鹰眼得到兔子的位置信息，鹰脑将这一位置信息与自己位置比较，获得位置偏差，再根据这个偏差信号向鹰翅膀发出指令，控制自己的身体向兔子接近来减少位置偏差，经过多次这样的闭环调节过程，最终捉住兔子。
图13鹰捉兔子的过程自动控制系统与人或动物的控制相似。维纳把控制论定义为"关于动物和机器中控制和通信的科学"，阐明了动物和机器控制的相关性，也就是说要设计像动物一样的可以自动控制的机器。对比鹰捉兔子的控制过程和典型控制系统，它们有以下共同特点：
鹰捉兔子的控制目标是使鹰的位置与兔子的位置的偏差为0；典型控制系统的控制目标是使给定信号与反馈信号的偏差为0。
鹰要捉住兔子，鹰眼获得的反馈信息至关重要，没有反馈信息就无法捉住兔子；反馈也是控制系统的核心概念，只有通过反馈，才能实现偏差的逐步缩小，最终实现控制目标。
典型控制系统结构如图14所示，其基本组成包括控制器、执行器、传感器、被控对象等。图中标注负号的反馈为负反馈，表示取输入信号与反馈信号的偏差作为控制器输入。图13中也标明了典型控制系统各部分与鹰捉兔子过程的对应关系。下面简要介绍控制系统的各基本组成部分。
图14典型控制系统的结构（1）被控对象（Plant）：被控对象是控制系统所控制和操纵的对象，一般指所需控制的设备或生产过程。
执行机构（Actuator）：根据控制器输出信号的大小和方向对被控对象直接操作，使被控对象的状态（被控量）按要求发生变化。气动调节阀、电动机是典型的执行器，它们根据控制器输出的信号来确定阀门开度或调节电机转速。例如，在水温自动调节控制系统中，阀门是执行机构，水是被控对象，水温是被控对象的状态，控制的目标是使水温保持恒定。
传感器（Sensor）：用来检测被控对象的输出（被控量），将被控量转换为与输入信号相同形式的信号，以便与输入信号相比较。
控制器（Controller）：将传感器获得的反馈信号和输入信号的偏差作为输入信号，采用一定的控制规律对输入信号进行加工处理，来产生控制信号作为输出。输出的控制信号被放大幅度和功率后来驱动执行机构。
下面通过仿模铣床控制原理来说明以上概念。仿模铣床根据给定模具来加工工件，使工件与模具形状一致。图15是一个仿模铣床原理图。触指用来获得控制（给定）信号。铣刀可获得反馈信号，反馈信号反映工件实际加工情况。控制目的是消除控制信号和反馈信号的偏差，使得工件与模型形状完全一致。用差动轮来检测控制信号和反馈信号的偏差，这一偏差信号被转换为电信号，经放大处理后，驱动电机来控制刀架以消除偏差信号。
图15仿模铣床原理图图15中的控制系统的控制规律较简单，偏差信号经简单放大后用来驱动电动机。然后，对于复杂的控制对象，采用简单的控制规律难以满足控制系统的性能要求，应设计更为复杂的控制规律。事实上，控制规律的选择与设计是控制系统的核心问题。
由信息到行为的转换机制控制的研究对象不是物质，也不是能量，而是信息。在给定控制目标情况下，控制是研究如何利用被控对象所呈现的信息来对其进行有效控制，使其呈现出人们预期的状态或行为。因此，自动控制系统是一个使被控对象按照人的意志来自动运行的系统，它按照某种控制规律将被控对象呈现的信息转换为施加于被控对象的控制行为，是人们积极改造、利用自然，使其按照人的意志行动的手段。
控制器将误差信息转换为控制行为的指令，执行机构再根据这一指令产生控制行为作用于被控对象，使被控对象出现人们预期的行为。自动控制系统将信息转换为控制行为的机制如图16所示，其中的控制装置包括控制器、执行机构和传感器等装置。
图16由信息到行为的转换过程典型的控制方法自动控制系统的核心是控制器，而控制器的关键是控制规律。针对不同被控对象，要采用合适的控制规律才能对其进行有效地控制。图15所示的仿模铣床控制系统采用了简单的比例控制规律，将偏差信号进行放大作为控制信号。然而，对许多实际被控对象来说，简单的比例控制并不能满足控制要求，需要采用更为复杂的控制规律。本节将介绍几种典型控制规律。
比例-积分-微分控制（PID控制图15所示的仿模控制系统中如果存在较大惯性元件或滞后元件，自动控制系统在克服误差调节过程中可能出现振荡。原因很简单，由于惯性或滞后元件的存在，在消除误差过程中控制作用变化在时间上总是落后于误差变化，由此引起系统输出信号振荡。一个很自然的考虑是使控制作用的变化超前，即在误差接近0时，控制作用就应该为0。为了达到这个目的，控制器仅仅将误差进行简单的"比例"放大是不够的，还应加入能够预测误差变化趋势的"微分"作用。
