1、緒 論賽博南樓220-1 鄒細(xì)勇 電話：86875657E-mail：緒 論1.2 控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介 我們都知道：控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于我們社會生活的方方面面。洗衣機(jī)智能控制電冰箱溫度控制1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介第一階段: 經(jīng)典(自動)控制理論 經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)過程：一、 萌芽階段 如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展要分為以下

2、幾個(gè)發(fā)展階段：1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介公元10861089年北宋哲 宗元祐初年），我國發(fā)明的水運(yùn)儀象臺，就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水運(yùn)儀象臺1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介1. 兩千年前我國發(fā)明的 指南車，就是一種開 環(huán)自動調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。指南車二、 起步階段 隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介三、 發(fā)展階段1. 1868年馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)

3、判據(jù)。馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介 2. 1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)。基本上滿足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。 赫爾維茨（Hurwitz）1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介3. 由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。 奈奎斯特1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介4. 1

4、948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，被稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介四、 標(biāo)志階段 1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了控制論關(guān)于在動物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝疙f納1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介2.我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并與1954年出版了工程控制論。錢學(xué)

5、森1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介 從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個(gè)世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸及國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介第二階段 現(xiàn)代控制理論 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個(gè)重要的條件現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。 現(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺。 在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動了核能技術(shù)、

6、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。 1.1 自動控制理論發(fā)展史簡介第三階段 魯棒控制理論階段 1. 由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H等范數(shù)而 出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。 2. 20世紀(jì)70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、 “智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展： 指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機(jī)械。是一種雙輪獨(dú)轅車。它的中央有一個(gè)大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車輪就會帶動小齒輪，小齒輪再帶動大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)

7、，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開動以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動類似現(xiàn)代汽車用的差動齒輪，相當(dāng)于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動化設(shè)備。 指南車 指南車是我國古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機(jī)械之一。用英國著名科學(xué)史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機(jī)”。 整個(gè)水運(yùn)儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當(dāng)于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺渾儀， 屋的頂板可以自

8、由開啟，平時(shí)關(guān)閉屋頂，以防雨淋，這已經(jīng)具有現(xiàn)代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內(nèi)均安排了若干個(gè)木人，5層共有162個(gè)木人，它們各司其職：每到一定的時(shí)刻，就會有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報(bào)告時(shí)刻、指示時(shí)辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機(jī)械傳動裝置，可以說這里是整個(gè)水運(yùn)儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機(jī)輪，驅(qū)動傳動裝置，渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置便會按部就班地動作起來。 這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。水運(yùn)儀象臺 水運(yùn)儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學(xué)家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀

9、測天象的渾儀、演示天象的渾象、計(jì)量時(shí)間的漏刻和報(bào)告時(shí)刻的機(jī)械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實(shí)際上是一座小型的天文臺。 到此為止，瓦特完成了對蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機(jī)的效率提高到原來紐科門機(jī)的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實(shí)用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機(jī)高效率瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明者稱號。 瓦特JamesWatt （JamesWatt,17361819）英國發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個(gè)小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家鐘表店學(xué)手藝。15歲學(xué)完了物理學(xué)原理并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。 17

10、53年又跟有名的機(jī)械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機(jī)的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年他制成了一臺單動作蒸汽機(jī) 。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動 1782年他發(fā)明了大動力的“雙動作蒸汽機(jī)”并獲得專利 1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機(jī)配套用壓力計(jì)。 為貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工

11、程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquist noise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)他早期的理論性工作關(guān)于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊上發(fā)表了影響電報(bào)速度傳輸速度的因素文章，為后來香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。 1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號（模擬信號）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了電報(bào)傳輸理論的一定論題。 1954年，他從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休。奈奎斯特 奈奎斯特，美國物理學(xué)家

12、，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國并于1912年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年1934年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。 物理、電學(xué)了。他18歲時(shí)取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個(gè)博士學(xué)位，后來又到德國、英國學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進(jìn)一步深造。 維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個(gè)大問題特別引起了他的興趣，一個(gè)是電子計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是火炮命中率問題。 維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中

13、發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經(jīng)專家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器和人的控制機(jī)能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來，叫控制論。維納 維納生于哥倫比亞市一個(gè)猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)人大學(xué)學(xué)習(xí)他的數(shù)學(xué)知識已超過大學(xué)一年級學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、 1955年回國。1955年至1946年任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機(jī)械工業(yè)部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學(xué)會第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會名譽(yù)會長，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國科協(xié)第三屆全委會主席。1991年5月在中國科協(xié)第四次全國代表大會上當(dāng)選為科協(xié)名譽(yù)主席。1992年4月被聘為中科院學(xué)部主席團(tuán)名譽(yù)主席。1994年6月當(dāng)選為中國工程院院士。 錢學(xué)森 錢學(xué)森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。 1929年至1934年在上海交通大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)。1935年至1939年在美國麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)，獲碩士學(xué)位