控制工程基礎(chǔ)石志良shizhil998漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院參考書(shū)籍必讀書(shū)：1、榮一鳴.控制工程基礎(chǔ)，北京：北京理工大學(xué)出版社，2010年3月參考書(shū)：1、楊叔子主編.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002年8月2、王積偉，吳振順.控制工程基礎(chǔ),北京：高等教育出版社，2001年8月3、胡壽松.自動(dòng)控制原理(第4版)，國(guó)防工業(yè)出版社，2001年3月4、HuangAnyi.FundamentalsofMechanicalControlSystems，武漢理工大學(xué)出版社，2004年7月5、黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真，國(guó)防工業(yè)出版社，2001年11月6、熊良才，楊克沖，吳波.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與解題，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002年4月教學(xué)安排本課程講授36學(xué)時(shí)(包括課堂討論)，實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分，對(duì)現(xiàn)代控制理論只作簡(jiǎn)單涉及，現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。作業(yè)考試課程基本內(nèi)容介紹控制和控制系統(tǒng)的一般概念系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其建模方法系統(tǒng)性能分析和分析方法系統(tǒng)綜合與校正課程基本內(nèi)容基本概念基本原理基本方法基本計(jì)算分析方法和分析內(nèi)容時(shí)域分析法：求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程；頻域分析法：頻率特性圖解；分析內(nèi)容系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；系統(tǒng)響應(yīng)快速性分析；系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

分析方法二、控制理論的發(fā)展史第一章緒論一、控制系統(tǒng)的基本概念控制理論的發(fā)展史自動(dòng)控制理論的組成學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本要求1.控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制就是按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能的方法學(xué)。所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(統(tǒng)稱被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量、輸出)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。

控制系統(tǒng)控制結(jié)果控制目標(biāo)輸入輸出由控制器和被控對(duì)象組成無(wú)論何種類型的控制系統(tǒng)都由三個(gè)基本部分組成：人工控制的恒溫箱例2

觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱（被控制元件）的溫度；(觀測(cè)溫度)與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；(得到偏差)根據(jù)偏差大小和方向再進(jìn)行比較控制：當(dāng)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就調(diào)節(jié)調(diào)壓器動(dòng)觸頭使電壓減小，溫度降低；若溫度低于給定的值，則調(diào)節(jié)調(diào)壓器動(dòng)觸頭，使電壓增加，溫度升高；(調(diào)節(jié)控制)如溫度還達(dá)不到要求時(shí)，要反復(fù)進(jìn)行上面的步驟操作。人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖因此，人工控制的過(guò)程就是測(cè)量、求偏差、再控制以糾正偏差的過(guò)程。也就是“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”的過(guò)程。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制恒溫箱：u2

u1

熱電偶 給定信號(hào)加熱電阻絲 電壓放大器 功率放大器 減速器調(diào)壓器 ⊿u

～220V 比較 + + 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)

u1

給定信號(hào)電壓，控制恒溫箱的溫度。

u2

測(cè)得的電壓信號(hào)，由作為測(cè)量元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。

△u偏差信號(hào)，測(cè)得的電壓信號(hào)u2反饋回去與給定信號(hào)u1相比較，所得結(jié)果即為溫度的偏差信號(hào)△u=u1-u2。經(jīng)過(guò)電壓、功率放大后，用以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，并通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電壓的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，直到溫度達(dá)到給定值為止，即只有在偏差信號(hào)△u＝０時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。Thesystemfunctiondiagramoftheautomaticcontrolconstanttemperaturebox自動(dòng)控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖帶有箭頭的有向線段：信息的傳遞路徑有向線段旁邊標(biāo)識(shí)的符號(hào)：該線段所代表的信號(hào)帶有名稱的方框：構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)入方框的箭頭：表示信號(hào)輸入，反之表示輸出，各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制；

代表比較元件：注意到進(jìn)入比較元件的反饋信號(hào)u2旁邊有一“－”號(hào)，其含義是負(fù)號(hào)，即比較元件完成給定信號(hào)與反饋信號(hào)的相減操作以獲取偏差信號(hào)產(chǎn)生控制作用，使偏差越來(lái)越小，這種控制稱為負(fù)反饋控制。負(fù)反饋控制：是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。從恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖可見(jiàn)：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過(guò)程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。允許進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃料數(shù)量，根據(jù)希望的發(fā)動(dòng)機(jī)速度與實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)速度之差進(jìn)行調(diào)整。例3

發(fā)動(dòng)機(jī)的瓦特式速度調(diào)節(jié)器如果發(fā)動(dòng)機(jī)的速度增大，以至于超過(guò)了希望的速度值，則速度調(diào)節(jié)器的離心力增大，從而導(dǎo)致控制閥向上移動(dòng)。這樣就會(huì)減少燃料供應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的速度減小，直至達(dá)到希望的速度時(shí)為止。當(dāng)工作于希望的速度時(shí)，高壓油將不進(jìn)入動(dòng)力油缸的任何一側(cè)。如果由于擾動(dòng)，使得實(shí)際速度下降到低于希望值，則速度調(diào)節(jié)器的離心力下降，導(dǎo)致控制閥向下移動(dòng)，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)增多，發(fā)動(dòng)機(jī)的速度增大，直到達(dá)到希望的速度時(shí)為止。綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出?？刂葡到y(tǒng)的工作原理由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較(或計(jì)算)和執(zhí)行三個(gè)基本功能。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來(lái)越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法?？刂品绞介]環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)組成給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)，例如，調(diào)速系統(tǒng)的給定電位計(jì)。反饋元件：它測(cè)量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)，該信號(hào)與輸出量存在著確定的函數(shù)關(guān)系（通常為比例關(guān)系）。例如，調(diào)速系統(tǒng)用于測(cè)速的測(cè)速發(fā)電機(jī)。反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無(wú)須專門(mén)的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性確定，它所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。比較元件：用來(lái)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差?？梢允且粋€(gè)差接的電路，它往往不是一個(gè)專門(mén)的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)；自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)裝置都是物理的比較元件。放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大和功率放大的元件，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。例如，伺服功率放大器、電液伺服閥等。執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件。例如，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等?？刂茖?duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的控制量，例如，機(jī)床工作臺(tái)等。校正元件：或稱校正裝置，用以提高控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，改善系統(tǒng)控制質(zhì)量。有反饋(并聯(lián))校正和串聯(lián)校正等形式?？刂葡到y(tǒng)中的比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控制量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。工業(yè)上用的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔茫煞譃閮深悾洪_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)(1)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)構(gòu)成系統(tǒng)每一環(huán)節(jié)的輸入不受系統(tǒng)的輸出影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。2.控制系統(tǒng)的基本類型：按反饋情況分類控制系統(tǒng)的分類開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)構(gòu)成系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)的輸入受到系統(tǒng)的輸出影響時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)由于工作臺(tái)位移（輸出）經(jīng)檢測(cè)裝置測(cè)出實(shí)際的位移后與給定的位移指令比較，從而產(chǎn)生控制作用，達(dá)到控制工作臺(tái)位移的目的。因此，如果實(shí)際的位移沒(méi)達(dá)到指令要求時(shí)，這種控制作用始終作用于工作臺(tái)，直到工作臺(tái)達(dá)到所要求的位置。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：精度高，不管出現(xiàn)什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值時(shí)，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差。缺點(diǎn)：這類系統(tǒng)是檢測(cè)偏差用以糾正偏差，或者說(shuō)是靠偏差進(jìn)行控制。在工作過(guò)程中系統(tǒng)總會(huì)存在偏差，由于元件的慣性（如負(fù)載的慣性），很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此精度和穩(wěn)定性是閉環(huán)系統(tǒng)存在的一對(duì)矛盾，系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)和分析較復(fù)雜。按輸入量的特征分類恒值系統(tǒng)在外界擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)的輸出能基本保持為常值的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。如恒溫、恒壓及恒速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓、頻率控制等。隨動(dòng)系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如仿形車床的液壓仿形刀架，靠模為給定的系統(tǒng)輸入，刀架仿形運(yùn)動(dòng)為系統(tǒng)的輸出。程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。離散(數(shù)字)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)描述系統(tǒng)微分方程的系數(shù)不隨時(shí)間而變化的系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)描述系統(tǒng)微分方程的系數(shù)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控制系統(tǒng)溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)其它分類方法：自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的一間學(xué)科。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)有不同的類型，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對(duì)于各類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。例如，對(duì)恒值控制系統(tǒng)是研究擾動(dòng)作用引起被控量變化的全過(guò)程，對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)是研究被控量如何克服擾動(dòng)影響并跟隨參據(jù)量的變化過(guò)程。但是，對(duì)每一類系統(tǒng)被控量變化全過(guò)程提出的共同基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性和魯棒性(Robust)，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快、健的要求。3.控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)正常工作的首要條件?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)匹配不妥時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。準(zhǔn)確性：是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差(穩(wěn)態(tài)誤差)，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。例如數(shù)控機(jī)床精度越高，則加工精度也越高。而一般恒溫和恒速系統(tǒng)的精度都可在給定值的1%以內(nèi)?？焖傩裕嚎焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量與給定量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度，表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。魯棒性:是指系統(tǒng)特性抵抗系統(tǒng)內(nèi)外各種擾動(dòng)影響的能力。如抗結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定的能力。由于受控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)則對(duì)穩(wěn)定性提出較嚴(yán)格的要求。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的?？焖傩院?，可能會(huì)有強(qiáng)烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過(guò)程可能又過(guò)于遲緩，精度也可能變壞。分析和解決這些矛盾，也是本學(xué)科討論的重要內(nèi)容。StabilityBecausethereisinertiainsystems,whensomeparametersinasystemarenotproperlyset,oscillationmayoccurandthesystemwillfail.Stabilityistheoscillationtendencyduringtransientandtheabilitytorestorethebalancestate.Iftheoutputdeviatesfromthebalancestate,itshouldconvergencewhentimeelapsesandreturntotheinitialbalancestate.Stabilityisthefirstrequirementforasystemtobefunctional.AccuracyItisreferredtothedeviationbetweentheoutputquantityandthegiveninputquantityaftertheadjustmentprocess.Itisalsocalledstaticaccuracy.Itisanimportantperformancespecificationforasystem.Forexample,machiningaccuracyisanimportantspecificationforanumericalcontrolledmachiningtool.AgilityItisbasedonthepreconditionofstability.Agilityisthespeedtoeliminatethedeviationbetweentheoutputandtheinputquantityinasystem.小結(jié)控制系統(tǒng)工作原理及相關(guān)概念控制系統(tǒng)的類型對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求主要內(nèi)容二、控制理論的發(fā)展史第一章緒論一、控制系統(tǒng)的基本概念控制理論的發(fā)展史自動(dòng)控制理論的組成學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本要求前言自動(dòng)控制是人類在認(rèn)識(shí)世界和發(fā)明創(chuàng)新的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一門(mén)重要的科學(xué)技術(shù)。依靠它，人類可以從笨重，重復(fù)性的勞動(dòng)中解放出來(lái)，從事更富創(chuàng)造性的工作。自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。1.控制理論的發(fā)展史

--自動(dòng)控制技術(shù)與人類進(jìn)步

AutomaticControl&HumanCivilization一、控制理論的發(fā)展史I.前期控制(1400B.C.–1900A.D.)工業(yè)機(jī)器II.經(jīng)典控制前期

(1900年-1935年)III.經(jīng)典控制(1935年-1950年)空間技術(shù)Ⅳ.現(xiàn)代控制

(1950年-)控制理論I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.–1900A.D.)(0)具有反饋控制原理的控制裝置在古代就有了。這方面最有代表性的例子當(dāng)屬古代的計(jì)時(shí)器“水鐘”(在中國(guó)叫作“刻漏”，也叫“漏壺”)。據(jù)古代鍥形文字記載和從埃及古墓出土的實(shí)物可以看到，巴比倫和埃及在公元前1500年以前便已有很長(zhǎng)的水鐘使用歷史了。西漢漏壺都江堰(2)公元132年中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。(1)公元100年亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門(mén)和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置，把硬幣投入儲(chǔ)錢箱，大門(mén)就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。在裝置中投入一個(gè)硬幣，就會(huì)有圣水從洞中噴出。(3)公元235年中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(4)1637年中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖指南車模型圖指南車結(jié)構(gòu)圖(5)英國(guó)瓦特（J.Watt）1765年發(fā)明了蒸汽機(jī)，1788年發(fā)明了離心式飛球調(diào)速器，通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)蒸汽量，從而保證蒸汽機(jī)在不同的工作負(fù)荷時(shí)，保持一定的轉(zhuǎn)速(起源)II.經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900年-1935年)(1)1913年美國(guó)福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(2)1922年美國(guó)米羅斯基(N.Minorsky)研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法汽車裝配流水線(3)1928年美國(guó)MIT的萬(wàn)尼瓦爾.布什(VannevarBush)研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(DifferentialAnalyzer)V.Bush大型模擬計(jì)算機(jī)(4)1927年美國(guó)布雷克(H.S.Black)提出放大器性能的負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)H.S.Black(5)閉環(huán)控制(反饋）--自動(dòng)控制的基礎(chǔ)?？刂普摰牡旎司S納(N.Wiener)1948年對(duì)此給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”“反饋是一種控制系統(tǒng)的方法，該方法將系統(tǒng)的輸出作用于系統(tǒng)的輸入。”閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：III.經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935年-1950年)N.B.NicholsN.Wiener(1)1938年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的波德（H.Bode）、1940年奈奎斯特（Nyquist）提出頻率響應(yīng)法(2)1942年美國(guó)泰勒（Taylor）儀器公司的齊格勒（J.G.Ziegler）和尼科爾斯（N.B.Nichols）提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(3)美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的維納（N.Wiener）研究隨機(jī)過(guò)程的預(yù)測(cè)，1942年提出Wiener濾波理論，1948年發(fā)表《控制論》（《Cybernetics》）一書(shū)，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成(4)1934年美國(guó)的哈仁（H.L.Hazen）發(fā)表了“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)，并于1939年在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)H.Hazen伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(5)MIT輻射實(shí)驗(yàn)室（RadiationLaboratory）在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，創(chuàng)立了尼科爾斯圖解設(shè)計(jì)方法（NicholsChartDesignMethod），菲利普（R.S.Philips）的噪音伺服系統(tǒng)（OnNoiseinServomechanisms），以及霍爾維茲（Hurewicz

）(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)(6)1948年美國(guó)尹文思（W.Evans）提出根軌跡法(RootLocusMethod)，完成了以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作。(7)多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括1942年史密斯（Ed.S.Smith）的《自動(dòng)控制工程學(xué)》（《AutomaticControlEngineering》），1945年H.Bode的《回路分析和反饋放大器》（《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier》），1945年麥科爾（L.A.MacColl）的《伺服系統(tǒng)基本原理》（《FundamentalTheoryofServomechanisms》），以及1954年錢學(xué)森的《工程控制論》(《EngineeringCybernetics》)“工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決具體問(wèn)題，不善于上升到理論高度；數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)于理論分析，卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問(wèn)題。錢學(xué)森則集中兩者優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑?！雹衄F(xiàn)代控制(ModernControl)(1950年-)二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)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(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)代控制理論發(fā)展很快。導(dǎo)彈衛(wèi)星航天器(2)1957年美國(guó)貝爾曼（R.Bellman）發(fā)表著名的動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DynamicProgramming），建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(3)1957年國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)成立，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于1960年在莫斯科召開(kāi)(1)1956年蘇聯(lián)龐特里亞金（L.S.Pontryagin）發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)L.S.Pontryagin地對(duì)空導(dǎo)彈F4幻影飛機(jī)(4)1954年美國(guó)德沃（GeorgeDevol）研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的恩格爾伯格（JosephEngelberger）創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司－通用機(jī)器人（Unimation）(5)1960年美籍匈牙利人卡爾曼（R.E.Kalman）發(fā)表“控制系統(tǒng)全面理論”（“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(cè)性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)R.E.Kalman(6)1963年,美國(guó)的扎德（Lofti

Zadeh）與戴森（C.Desoer）發(fā)表“線性系統(tǒng)－狀態(tài)矢量空間方法”（LinearSystems-AStateSpaceApproach）。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念(7)1958年美國(guó)的朱利（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(hào)處理的基礎(chǔ)

C.DesoerZadeh(8)1967年瑞典奧斯特隆姆（KarlJ.Astrom）提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題和定階方法，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。Astrom于1993年獲得IEEE榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)拢↖EEEMedalofHonor）。K.J.Astrom(9)1970年英國(guó)羅森布拉克（H.HRosenbrock

）發(fā)表“狀態(tài)矢量空間與多變量理論”（StateSpaceandMultivariableTheory）。1974年加拿大旺納姆（W.MWonham）發(fā)表“線性多變量控制：一種幾何方法”（LinearMultivariableControl:AGeometricApproach）。W.MWonham

(10)1976年美國(guó)布羅克特（R.Brockett）提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)，1985年意大利伊西多爾(A.Isidori)出版“非線性控制系統(tǒng)”(NonlinearControlSystems)。A.IsidoriR.Brockett(11)1981年加拿大詹姆斯G.Zames提出H∞魯棒控制設(shè)計(jì)方法(12)1981年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功GorgeZames(13)1969年美國(guó)布萊森（A.Bryson）和Y.C.Ho發(fā)表“實(shí)用最佳控制”（AppliedOptimalControl）。1983年Y.CHo和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(14)1986年中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題A.BrysonYuC.Ho“作為技術(shù)科學(xué)的控制論，對(duì)工程技術(shù)、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟(jì)科學(xué)，以及對(duì)社會(huì)研究都有深刻的意義，比起相對(duì)論和量子論對(duì)社會(huì)的作用有過(guò)之無(wú)不及．我們可以毫不含糊地說(shuō)從科學(xué)理論的角度來(lái)看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍?！薄X學(xué)森2.自動(dòng)控制理論的組成自動(dòng)控制理論主要由經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制論和智能控制論組成的。經(jīng)典控制理論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為基礎(chǔ)的理論體系。主要研究單輸入、單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代控制理論是在時(shí)間域中以狀態(tài)變量方程概念為基礎(chǔ)的理論體系。主要研究具有高性能、高精度的多輸入—多輸出系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可以是線性的或非線性的、定常的或時(shí)變的、連續(xù)的或離散的、確定型的或隨機(jī)型的。經(jīng)典控制理論是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)，又稱為控制理論基礎(chǔ)。一、控制理論的發(fā)展史3.學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并提出改善性能的途徑。根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，要求組成一個(gè)系統(tǒng)，并確定適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標(biāo)。前者主要是分析系統(tǒng)，后者是綜合與設(shè)計(jì)。一、控制理論的發(fā)展史控制工程研究的對(duì)象與任務(wù)控制工程研究對(duì)象研究工程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。什么是系統(tǒng)(system)？廣義地說(shuō)，系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。在工程領(lǐng)域，系統(tǒng)可以是電的、機(jī)械的、液壓的、氣動(dòng)的、熱力的、生物醫(yī)