自動控制原理

ThePrincipleofAutomaticControlTheory自動化學院主要內容自動化專業(yè)概述課程性質與定位課程內容課程目標與其他課程的聯(lián)系課程要求考核方式參考書目一、自動化專業(yè)概述自動化與自動控制自動控制技術的發(fā)展與人類文明進步控制科學與工程學科我國自動化專業(yè)的特點1、自動化與自動控制自動化（Automation）——機器或裝置在無人干預情況下按指定的程序或指令自動地進行操作或運行。廣義上，自動化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動。自動控制（AutomaticControl）——是關于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術。兩者的區(qū)別：通常自動化主要應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務以及家庭等人造系統(tǒng)的控制問題；而自動控制除了上述研究外，還研究社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。由于自動化與自動控制具有明顯的工程特點，一般將本學科稱為控制科學與工程（ControlScienceandEngineering）。I.早期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)

中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法》(600B.C.)(1)

秦昭王時，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實踐(300B.C.)西漢漏壺2、自動控制技術的發(fā)展與人類文明進步(3)

中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)(2)

亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年)(4)

中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)(5)

中國明代宋應星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結構圖(1637年)(6)

英國J.Watt基于機械式調節(jié)原理用離心式調速器實現(xiàn)了蒸汽機的速度控制(1788年)

荷蘭科學家C.Hugens(1629-1695)利用反饋控制原理發(fā)明了高性能的鐘擺與天文望遠鏡。(7)

英國G.B.Airy（1801-1892)系統(tǒng)的研究了天文望遠鏡的速度控制，并根據(jù)倒立擺離心力原理，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。首次提出反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題研究，以及利用微分方程來研究反饋控制動力學系統(tǒng)。(8)J.C.Maxwell(1831-1879),法國科學家，于1868年發(fā)表文章“OnGovernors（論調節(jié)器）,成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學的E.J.Routh與瑞典的Hurwitz解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。(9)

俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)(10)

英國J.M.Gray設計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(GreatEastern)(1866年)(11)由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(L20m,25T,10km/hr)在安慶內軍械所下水(1866)。次年，中國第一艘木質明輪蒸汽艦船“恬古”號在江南造船廠下水。操江號(62mx10m),392匹馬力，600T排水，備炮9門II.經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)

美國福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)(0)

WrightBrothers

于1903年12月17完成了人類歷史上首次動力飛行，開創(chuàng)了航空業(yè)的新篇章。(2)E.Sperry(1860-1930),創(chuàng)立Sperry公司。由他們設計和制造的陀螺儀和各種控制裝置被廣泛的應用到二戰(zhàn)時期的美軍軍艦、魚雷、火炮、雷達和飛機上。L.Sperry(1892-1923),在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺儀全自動機身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻。(3)

美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)，并成功應用于美國軍艦控制。(4)

美國MIT的V.Bush研制成第一臺大型模擬計算機(DifferentialAnalyzer)(1928)——美國現(xiàn)代工程之父，1964年獲美國總統(tǒng)科學獎（NationalMedalofScience）。(5)

美國H.S.Black發(fā)明了電子放大器負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier),為現(xiàn)代通訊技術奠定了基礎。(1927)1957年獲IEEEMedal?！昂敛豢鋸埖卣f，沒有Black的發(fā)明，就沒有今天的長距離電話和電視網(wǎng)絡”H.S.Black（AT&T）貝爾實驗室研究員(6)

美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)III.經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)

美國貝爾實驗室的H.Bode

(1938)，以及H.Nyquist(1940)提出頻率響應法H.NyquistH.Bode(2)

美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調整法(1942)(3)

美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生?！?964年獲總統(tǒng)科學獎。N.B.NicholsN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory(4)

美國的H.Hazen發(fā)表“關于伺服結構理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機構實驗室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.Hazen(5)

英國A.M.Turine提出圖靈計算機的設想。(1937)(6)

J.VonNeuman

(1903-1957)發(fā)明首臺數(shù)字計算機，創(chuàng)立Gametheory。(7)

在貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(1948)——信息論之父C.E.Shannon

（8）李郁榮（Y.W.Lee,1904-1989),廣東人，N.Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學電機系（1931-1937），早期為Wiener理論的工程應用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機系（1946-1969），與Shannon一起成為該系最知名的兩個學科帶頭人。主要工作包括隨機通訊（statisticalcommunicationtheory）和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領域中的知名學者和工程師，被譽為MIT的最偉大的教育家之一。L.J.Chu(1913-1973)，畢業(yè)于上海交大，MIT電機系教授，RadiationLab雷達研究最重要的奠基者。Y.W.Lee(9)MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)(10)

美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)

(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。(11)

多本有關經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及錢學森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)IV現(xiàn)代控制(ModernControl)

(1950-)二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術的出現(xiàn)(英國科學家A.J.G.MacFarlane)。(2)

美國R.Bellman（UCL）在RANDCoporation數(shù)學部的支持下，發(fā)表著名DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(1957)(3)

國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開(1960)(1)

蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)

美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)

G.S.Brown（1907-1996）,H.Hazen的學生,數(shù)控機床之父。1939年，Brown為海軍的4名學員開設了首門控制課，把自動控制引入到正規(guī)的工程教育中?！肮こ虒W生必須全面地接受深層次的科學訓練…科學主導工程（Sciencedominatesengineering）”，“課堂教學與實驗教學必須緊密地結合起來”，是G.Brown教授最著名的兩條教育理念。(5)

世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2Oct.4,1957:LaunchoftherocketcarryingSputnik,thefirstman-madesatellite.Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased.Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm.K.S.Pavlovitch(1906-1966),RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects.(6)

美國G.Devol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，1959年，被稱為機器人之父的J.Engelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，UnimationInc——PUMA(8)

美籍匈牙利人R.E.Kalman（1930～）發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(1960)(7)

1968年，日本Kawasaki（川崎）公司從Unimation買進技術。目前，Yaskawa（安川）公司已成為世界最大機器人公司。機器人技術體現(xiàn)了電子控制和驅動，傳感器以及運動機構一體化的新思想。日本Yaskawa公司的工程師把這叫做Mechatronics(機電一體化技術)(1972)R.E.Kalman(9)

蘇聯(lián)東方-１號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.

宇宙哥倫布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(10)

1963年,美國的LoftiZadeh與C.Desoer（UCB）發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。(11)美國的E.I.Jury

發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)

，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎(1958)

C.Desoer(12)

蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong(13)

瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調節(jié)器，建立自適應控制的基礎。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。K.J.Astrom(14)

英國H.HRosenbrock

發(fā)表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。(15)

美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)(16)

美國ARPA計算機網(wǎng)絡初步建成(1971)(17)

日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)(18)

美國R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。R.Brockett(19)

加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制設計方法(1981年)(20)

美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功(1981年)GorgeZames(21)

美國A.Bryson

和Y.CHo

發(fā)表AppliedOptimalControl

(1969)。Y.CHo

和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)(22)

中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic(23)

第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)(24)

旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索(25)神舟飛船（2003，2005）(26)IEEEControlSystemsAward獲得者。3、控制科學與工程學科（一級學科）控制科學與工程的核心問題是信息，包括信息提取、信息傳播、信息處理、信息存貯和信息利用。我國自動化本科專業(yè)：自動化系、自動控制系、信息與控制工程系?？刂瓶茖W與工程（一級學科）控制理論與控制工程檢測技術與自動化裝置模式識別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程飛行器導航制導與控制4、我國自動化專業(yè)的特點多學科交叉特點——利于培養(yǎng)寬口徑人才突出的方法論特點——利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才系統(tǒng)、集成的特點——利于培養(yǎng)將才、帥才二課程性質與定位廣義科學技術體系結構自動化科學的定位與任務自動化技術的定位與任務自動化與自動科學技術的關系“自動控制原理”的課程性質與定位1、廣義科學技術體系結構2、自動化科學的定位與任務定位：一門技術科學、一門應用基礎科學研究的基本任務：為自動化技術（包括設計、制造、控制和管理計算機集成制造系統(tǒng)CIMS、計算機集成過程控制系統(tǒng)CIPS等先進自動化系統(tǒng)）和控制工程（包括控制航天器這樣的設備）提供科學理論基礎。

致力于帶有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系統(tǒng)方法的研究，使其在實際控制工程和自動化技術中發(fā)揮創(chuàng)新的作用。3、自動化技術的定位與任務定位：一門工程應用技術研發(fā)的基本任務：

一方面將自動化科學原理與方法轉換為工程實用技術（包括工具和手段），使之能應用于工程實際，將自動化科學的研究成果迅速轉換為生產(chǎn)力；

另一方面將工程實際中遇到的技術問題提煉、抽象成為科學問題，為自動化科學研究提供新的研究對象。4、自動化與自動科學技術的關系

——相互依存關系自動化科學與技術是自動化的源泉與基礎；

其物化是自動化設備與系統(tǒng)；

其應用包括自動化設計、自動化制造、自動化工程、自動化管理、自動化決策、自動化運行等。

自動化（應用）

是自動化科學與技術的用武之地；

是自動化專業(yè)畢業(yè)生的主要用武之地。5、“自動控制原理”的課程性質與定位自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課、學位課、考研主要專業(yè)課程屬于自動化科學范疇，研究一些共性的、具有普遍規(guī)律的問題。三、課程內容課堂講授部分（44學時）自動控制的一般概念動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型線性系統(tǒng)的時域分析法線性系統(tǒng)的根軌跡法線性系統(tǒng)的頻率分析法線性系統(tǒng)的校正方法四、課程目標要求學生初步掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念與原理掌握經(jīng)典控制理論中的主要系統(tǒng)分析方法掌握其校正與設計技術，了解其應用。通過對自動控制基本理論的系統(tǒng)學習，使得學生不僅加深對控制問題本身的理解，而且了解到目前所學內容的某些應用方面和進一步研究的方向，為今后的研究與技術工作奠定良好的理論基礎。五、與其它課程的聯(lián)系基礎知識：高等數(shù)學、線性代數(shù)、積分變換、復變函數(shù)、信號與系統(tǒng)、計算機基礎；后續(xù)課程：現(xiàn)代控制理論、計算機控制技術、智能控制等；有關采樣控制的內容放在計算機控制技術課程講授。后續(xù)實踐環(huán)節(jié)：自動控制理論課程設計、工程訓練、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計。

六、課程要求按時聽課認真聽講，遵守課堂紀律按時、獨立完成作業(yè)遇到問題及時解決（老師、同學、圖書館）多看參考書，多方面理解課程內容勤于思考、善于發(fā)現(xiàn)問題注意理論學習和實際應用之間的聯(lián)系七、考核方式平時考勤、課堂測驗和作業(yè)上交、完成情況30％（無故缺課達到總課時的三分之一或兩次不交作業(yè)者取消考試資格）期末考試成績70％胡壽松.自動控制原理（第四版）.北京:科學出版社,2002李友善.自動控制原理（上冊）.北京:國防工業(yè)出版社,1989[美]KatsuhikoOgata著.現(xiàn)代控制工程（第四版）.盧伯英，于海勛譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005鄢景華.自動控制原理.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996程鵬.自動控制原理.北京：高等教育出版社，2003R.C.DorfandR.H.Bishop,ModernControlSystems,10thEdition,Prentice-Hall,2005

G.F.Franklin,J.D.Powell,andA.Emami-Naeini,FeedbackControlofDynamicSystems,3rdEdition,Addison-Wesley,1994八、參考書目

第一章自動控制系統(tǒng)概述本章重點掌握：控制系統(tǒng)的基本構成基本的控制方式和反饋控制系統(tǒng)的特點控制系統(tǒng)的性能要求第一章問題引出什么是控制系統(tǒng)？自動控制系統(tǒng)？自動控制系統(tǒng)的重要性?？刂葡到y(tǒng)的基本構成和分類?？刂葡到y(tǒng)的性能評價有哪些主要指標？自動控制理論的發(fā)展。1.2系統(tǒng)定義系統(tǒng)指由相互關聯(lián)的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成特定功能的有機整體。Aninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.自動控制系統(tǒng)：能夠受控系統(tǒng)按照預期的響應。Acontrolsystemwithoutpeopleinvolvediscalledautomaticcontrolsystem.1.1控制系統(tǒng)的重要性控制系統(tǒng)應用廣泛。提高生產(chǎn)效率，降低成本。提高設備精度和可靠性，提升產(chǎn)品質量。在各種危險場合替代人類活動。furnacethermometergasmixervalveairoperator1.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制Open-loopcontrolsystems;Closed-loopcontrolsystems(feedbackcontrolsystems).C被控對象控制器RU

輸入量Comparison控制器被控對象輸出反饋元件反饋信號)

開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)（信號單向流動）

特點：簡單、穩(wěn)定、精度低。閉環(huán)（信號有反向作用）

特點：復雜、抗干擾能力強、精度高、有穩(wěn)定性問題。復合（前向聯(lián)系、反向作用）

特點：性能要求高時用之。例如：爐溫系統(tǒng)可以采用開環(huán)或閉環(huán)的。閉環(huán)控制工作原理：1、外部作用：控制目的：排除干擾因素、影響、使被控量隨給定量變化。2、負反饋原理——構成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心3、把系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。負反饋控制系統(tǒng)的特點：1）有反饋，信號流動構成閉回路。2）按偏差進行控制。1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.3.2自動控制系統(tǒng)分類

1、恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)2、線性系統(tǒng)非線性3、連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)4、單輸入-單輸出多輸入-多輸出數(shù)學模型：描述控制系統(tǒng)變量（物理量）之間動態(tài)關系的數(shù)學表達式。常見的數(shù)學模型有：微分方程，傳遞函數(shù)，結構圖，信號流圖，頻率特性以及狀態(tài)空間描述等。控制系統(tǒng)如按照數(shù)學模型分類的話，可以分為線性和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)可以是電氣、機械、液壓、或者氣動等，表現(xiàn)形式不同，但描述這些系統(tǒng)的輸入輸出關系或者內部關系的數(shù)學模型卻可以是相同的。因此，通過數(shù)學模型來研究自動控制系統(tǒng)，就擺脫了各種類型系統(tǒng)的外部關系而抓住這些系統(tǒng)的共同運動規(guī)律，控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是通過物理學，化學，生物學等定律來描述的，如機械系統(tǒng)的牛頓定律，電氣系統(tǒng)的克?；舴蚨傻榷际怯脕砻枋鱿到y(tǒng)模型的基本定律。

[線性系統(tǒng)]：如果系統(tǒng)滿足疊加原理，則稱其為線性系統(tǒng)。疊加原理說明，兩個不同的作用函數(shù)同時作用于系統(tǒng)的響應，等于兩個作用函數(shù)單獨作用的響應之和。

線性系統(tǒng)對幾個輸入量同時作用的響應可以一個一個地處理，然后對每一個