自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)課件1緒論

2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系1控制工程基礎(chǔ)

講授劉賀平TEL62334752

2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系2主要參考書1、胡壽松.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程(第一版），北京：科學(xué)出版社，20032、劉豹.現(xiàn)代控制理論（第三版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20063、吳麒.自動(dòng)控制原理—上,下冊(cè)（第二版），北京：清華大學(xué)出版社，20064、田作華.工程控制基礎(chǔ)，北京：清華大學(xué)出版社，20075、BenjaminC.Kuo.自動(dòng)控制系統(tǒng)(第8版-影印版)，北京：高等教育出版社，20032023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系3課時(shí)安排講授48學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)。綜合考核要求期末考試占總成績(jī)70%；平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)30%。平時(shí)成績(jī)包括：期中考試、作業(yè)、出勤率、課堂提問(wèn)和實(shí)驗(yàn)等。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系4答疑時(shí)間：每周四下午5：30—6：30答疑地點(diǎn)：自動(dòng)化系系辦（信息樓726）答疑教師：劉冀偉3月27日5月08日6月12日徐正光4月03日5月15日6月19日張維存4月10日5月22日6月26日董潔4月17日5月29日7月03日夏曉華、付冬梅4月24日6月05日7月10日期末統(tǒng)一答疑：另行安排課程答疑2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系51、緒論1.1課程介紹1.2控制系統(tǒng)的基本概念1.3控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求1.6自動(dòng)控制理論與技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系6本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解自動(dòng)控制的起源和發(fā)展；了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；了解反饋控制的工作原理；掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求；學(xué)會(huì)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系7課程介紹控制工程基礎(chǔ)是一門技術(shù)學(xué)科，研究控制系統(tǒng)的模型建立、運(yùn)動(dòng)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)；是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。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)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系8課程介紹過(guò)程控制電機(jī)與拖動(dòng)線性代數(shù)微積分控制理論自動(dòng)控制原理現(xiàn)代控制理論計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)積分變換復(fù)變函數(shù)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系9控制系統(tǒng)的基本概念和原理系統(tǒng)—能夠完成一定功能的有機(jī)整體?？刂啤鼓承┪锢砹堪粗付ǖ囊?guī)律變化(包括保持恒定)，以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。自動(dòng)控制—無(wú)人直接干預(yù)，利用物理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按一定規(guī)律變化。例如礦井提升機(jī)的速度控制、鋼廠加熱爐溫度控制等。自動(dòng)控制系統(tǒng)—為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。一般由控制器，控制對(duì)象，測(cè)量元件等組成。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系10控制系統(tǒng)的基本概念和原理12擾動(dòng)量給定量輸出量1-控制器(調(diào)壓器)2-被控對(duì)象(電阻爐)圖中：溫度控制系統(tǒng)

性能指標(biāo)工作過(guò)程2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系11適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動(dòng)作用不大。控制系統(tǒng)的基本概念和原理（1）開(kāi)環(huán)控制：只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的反饋控制。（2）開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低、分析簡(jiǎn)單。輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾能力2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系12控制系統(tǒng)的基本概念和原理溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)~220V12uc從受控對(duì)象（電加熱爐）獲取輸出量（實(shí)際爐溫），并回送到輸入端（即反饋），與輸入量（給定爐溫）進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號(hào)（溫度差），利用偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器（手臂）產(chǎn)生控制量（電阻絲兩端的電壓），從而跟蹤輸入量，減小誤差。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系13控制系統(tǒng)的基本概念和原理自動(dòng)閉環(huán)控制：該系統(tǒng)中，爐溫通過(guò)熱電耦測(cè)量，并將溫度值轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓值Uf。給定爐溫通過(guò)一個(gè)電位器的電壓值Ug反映。通過(guò)Ug與Uf的反向串接，就可以實(shí)現(xiàn)人腦中的比較算法Ug－Uf＝U。U的大小反映了實(shí)測(cè)爐溫與給定爐溫的差別，而且它的正負(fù)決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電機(jī)的轉(zhuǎn)向。執(zhí)行電機(jī)代替了人的手臂。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系14控制系統(tǒng)的基本概念和原理閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

1—控制器

2—執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3—控制對(duì)象

4—檢測(cè)裝置

反饋工作原理：發(fā)現(xiàn)偏差→消除偏差。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系15控制系統(tǒng)的基本概念和原理①反饋控制把輸出量的一部分檢測(cè)出來(lái),反饋到輸入端,與給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過(guò)控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化；反饋信號(hào)與給定信號(hào)極性相反為負(fù)反饋,反之為正反饋。②反饋控制特點(diǎn)輸入控制輸出，輸出參與控制檢測(cè)偏差、糾正偏差具有抗干擾能力（為什么？）結(jié)構(gòu)比開(kāi)環(huán)復(fù)雜2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系16控制系統(tǒng)的基本概念和原理閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制或者自動(dòng)調(diào)節(jié)作用是基于輸出信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔枚a(chǎn)生的，所以經(jīng)典控制理論的主要研究對(duì)象是負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究目的是得到它的一般規(guī)律，從而可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的，滿足實(shí)際需要的，性能指標(biāo)優(yōu)良的控制系統(tǒng)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系17控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)

1—給定環(huán)節(jié)；2—比較環(huán)節(jié)；3—校正環(huán)節(jié)；4—放大環(huán)節(jié)；5—執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6—被控對(duì)象；7—檢測(cè)裝置1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置檢測(cè)量與給定量進(jìn)行比較，確定偏差量，多用差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋將控制或調(diào)解作用直接作用于被控對(duì)象的裝置，（如傳動(dòng)裝置等）。使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值要進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程控制系統(tǒng)所控制的物理量（被控量）

檢測(cè)被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量提供控制規(guī)律（調(diào)節(jié)），功率放大（整流），也稱為調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系18控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)(1)被控對(duì)象(2)被控量或輸出量(3)控制量(4)設(shè)定量或輸入量(5)擾動(dòng)量(6)反饋量2.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語(yǔ)(7)偏差量(8)前向通道或正向通道(9)反饋通道或反向通道(10)理想輸出(11)實(shí)際輸出(12)檢測(cè)量2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系19自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按照主要元件的特性方程的輸入輸出特征劃分線性系統(tǒng)：由線性元件組成的系統(tǒng)，主要特征是滿足疊加原理和齊次定理，即當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號(hào)u1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y1(t)，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號(hào)u2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y2(t)。如果系統(tǒng)的輸入信號(hào)為au1(t)+bu2(t)時(shí)，系統(tǒng)的輸出滿足ay1(t)+by2(t)，系數(shù)a,b可以是常數(shù)，也可以是時(shí)變參數(shù)。非線性系統(tǒng)：由非線性元件組成的系統(tǒng)，不滿足疊加原理和齊次定理。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系20自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2.按照信號(hào)傳遞方式劃分連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的一處或幾處信號(hào)是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分恒值系統(tǒng)：給定量是恒定不變的。隨動(dòng)系統(tǒng)：給定量是按照事先未知的時(shí)間函數(shù)變化的。程序控制系統(tǒng)：給定量按照一定的時(shí)間函數(shù)變化。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系21自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類4.按照端口關(guān)系劃分SISO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系22自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求1.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）“穩(wěn)”是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無(wú)關(guān)?！翱臁笔钦f(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)（過(guò)渡過(guò)程）品質(zhì)。系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的原因：系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說(shuō)明系統(tǒng)的靜態(tài)品質(zhì)。表明了系統(tǒng)的精確性和準(zhǔn)確性。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系232.穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差：當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系24自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求有差系統(tǒng)（圖a）：若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。無(wú)差系統(tǒng)（圖b）：若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無(wú)差系統(tǒng)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系25自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：一、萌芽階段：如果要追朔自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國(guó)就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽。2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我國(guó)發(fā)明的水運(yùn)儀象臺(tái)，

就是一種閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系

統(tǒng)。水運(yùn)儀象臺(tái)1.兩千年前我國(guó)發(fā)明的

指南車，就是一種開(kāi)

環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系26自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展二、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(dòng)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。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系27自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）針對(duì)高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng),各自提出了兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—?jiǎng)谒古袚?jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。赫爾維茨（Hurwitz）2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系28自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國(guó)福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)美國(guó)N.Minorsky（米諾爾斯基）研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)美國(guó)MIT（麻省理工學(xué)院，美國(guó)一所私立高等學(xué)校，一譯馬薩諸塞理工學(xué)院。）的VannevarBush（范內(nèi)瓦·布什）研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(DifferentialAnalyzer)(1928)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系29自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國(guó)H.S.Black（布萊克）提出放大器性能的負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系30自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

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(dòng)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。

奈奎斯特三、經(jīng)典控制理論階段2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系31自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1948年伊萬(wàn)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(wàn)斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動(dòng)控制原理）。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系32自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938)。美國(guó)Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過(guò)程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系33自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1947年控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來(lái)，并于1948年出版了《控制論—關(guān)于在動(dòng)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浮f納標(biāo)志性的成果2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系34自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展自動(dòng)控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener

給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系35自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并于1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系36自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展四、現(xiàn)代控制理論階段

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、制導(dǎo)及跟蹤)、衛(wèi)星、航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)(英國(guó)科學(xué)家A.J.G.MacFarlane麥克法蘭

)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系37自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國(guó)R.Bellman（貝爾曼）在RANDCorporation（蘭德公司）數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming（動(dòng)態(tài)規(guī)劃），建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)蘇聯(lián)L.S.Pontryagin（龐特里亞金）發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系38自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美籍匈牙利人R.E.Kalman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(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)(1960)R.E.Kalman國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)成立(1957)，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于莫斯科召開(kāi)(1960)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系391963年,美國(guó)的LoftiZadeh與C.Desoer（戴索爾）發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念美國(guó)的E.I.Jury

（朱利）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)(1958)

自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系40自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展瑞典KarlJ.Astrom（奧斯特隆姆）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(1967)，六年后，提出了自校正調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。英國(guó)H.HRosenbrock（羅森布羅克）發(fā)表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham（旺納姆）發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系41美國(guó)R.Brockett（布洛克特）提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori（伊西多）出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。A.IsidoriR.Brockett自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系42

加拿大G.Zames（詹姆斯）提出H∞魯棒控制設(shè)計(jì)方法(1981年)GorgeZames自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國(guó)A.Bryson

（布萊森）和Y.CHo（何毓琦）發(fā)表AppliedOptimalControl(1969)。Y.CHo

和X.RCao（曹希仁）等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)A.BrysonYuC.Ho2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系43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(1986)自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系44IEEEControlSystemsAward獲得者。自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系45控制技術(shù)的應(yīng)用軍事領(lǐng)域→民用領(lǐng)域控制理論研究問(wèn)題討論控制系統(tǒng)的一般規(guī)律——分析設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)——綜合2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系46數(shù)學(xué)工具：

經(jīng)典控制理論

研究對(duì)象：頻率分析法圖表根軌跡分析法分析時(shí)域分析法（傳遞函數(shù)）SISO系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象：

MIMO系統(tǒng)非線性系統(tǒng)

……數(shù)學(xué)工具：狀態(tài)空間法智能控制理論研究對(duì)象：大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具：推理決策2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系472023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系48自動(dòng)控制的基本概念開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理專用術(shù)語(yǔ)及控制系統(tǒng)的組成小結(jié)2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系491.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開(kāi)環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無(wú)法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系503.自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對(duì)象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和各中間變量。

4.結(jié)構(gòu)圖（又簡(jiǎn)稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和信號(hào)傳遞情況以及它們對(duì)輸出量的影響。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系515.在不同輸入量作用下，對(duì)系統(tǒng)的輸出量的要求，揭示出反饋控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征：輸出跟隨輸入。

6.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求有：

穩(wěn)定性——系統(tǒng)能工作的首要條件；

快速性——用系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的響應(yīng)速度和被控量的波動(dòng)程度描述；

準(zhǔn)確性——用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。

2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系52指南車

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(huì)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再帶動(dòng)大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開(kāi)動(dòng)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(dòng)類似現(xiàn)代汽車用的差動(dòng)齒輪，相當(dāng)于汽車中差動(dòng)齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說(shuō)是世界上最早的自動(dòng)化設(shè)備。

指南車是我國(guó)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(guó)著名科學(xué)史專家李約瑟的話說(shuō)，中國(guó)古代的指南車“可以說(shuō)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)”。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系53指南車傳說(shuō)中的制造者：風(fēng)后考證中的制造者：三國(guó)時(shí)期（曹魏）馬鈞指南車2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系54水運(yùn)儀象臺(tái)

整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)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(tái)渾儀，屋的頂板可以自由開(kāi)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(cè)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(huì)有木人自行出來(lái)打鐘、擊鼓或敲打樂(lè)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(jí)漏刻和一套機(jī)械傳動(dòng)裝置，可以說(shuō)這里是整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)的“心臟”部分，用漏壺的水沖動(dòng)機(jī)輪，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置便會(huì)按部就班地動(dòng)作起來(lái)。這臺(tái)儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國(guó)古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。

水運(yùn)儀象臺(tái)是我國(guó)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。它是集觀測(cè)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(cè)儀器，實(shí)際上是一座小型的天文臺(tái)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系55水運(yùn)儀象臺(tái)水運(yùn)儀象臺(tái)北宋時(shí)代把渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置結(jié)合在一起的大型天文儀器，是蘇頌、韓公廉等人在開(kāi)封設(shè)計(jì)制造的。英國(guó)科學(xué)家李約瑟等人認(rèn)為水運(yùn)儀象臺(tái)“可能是歐洲中世紀(jì)天文鐘的直接祖先”。

2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系56瓦特JamesWatt

到此為止，瓦特完成了對(duì)蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過(guò)程。經(jīng)過(guò)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(lái)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(hào)。

（JamesWatt,1736～1819）英國(guó)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。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，并跟有名的機(jī)械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過(guò)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(guò)程從汽缸中分離出來(lái)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(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī)。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，1782年他發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專利。1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來(lái)自動(dòng)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)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系57瓦特JamesWatt

瓦特(JamesWatt,1736～1819年)蘇格蘭發(fā)明家1768年他制成了一臺(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī)。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，1782年他發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專利。1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來(lái)自動(dòng)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)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系58范內(nèi)瓦·布什（VannevarBush），信息時(shí)代的教父

在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域里，范內(nèi)瓦·布什更是功勛卓著。美國(guó)國(guó)內(nèi)兩個(gè)著名的高科技工業(yè)園區(qū)–加州的“硅谷”和波士頓128號(hào)公路的“高科技走廊”的誕生都凝結(jié)了布什的心血。被人稱為“硅谷之父”的弗雷德里克·特曼在MIT獲得電子學(xué)博士學(xué)位的導(dǎo)師不是別人正是布什。1939年誕生的惠普公司是特曼的勝利，也是布什的勝利。范內(nèi)瓦·布什還被稱為“超文本之父”，早在40年代他就預(yù)見(jiàn)到了PC和Web的出現(xiàn)。1945年，在那篇著名的論文《如我們所想》（AsWeMayThink）中，布什設(shè)想了一種能夠存儲(chǔ)大量信息，并能在相關(guān)信息之間建立聯(lián)系的機(jī)器。這個(gè)想象正是現(xiàn)在的Internet。后來(lái)，在布什發(fā)表的另一篇論文中他又提出這種機(jī)器（媒體）能夠把視頻和聲音集成在一起。而這恰恰是今天為人們獲取信息提供巨大方便的Web的核心思想。正是基于對(duì)范內(nèi)瓦·布什如此深邃的洞察力和預(yù)見(jiàn)力的欽佩，在1974年他逝世以前，計(jì)算技術(shù)前沿的許多科學(xué)家都尊敬地稱他為“信息時(shí)代的教父”。

范內(nèi)瓦·布什（VannevarBush），這位具有6個(gè)不同學(xué)位的科學(xué)家、教育家和政府官員與本世紀(jì)許多著名的事件都有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，其中包括“曼哈頓計(jì)劃”、硅谷、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等。倒轉(zhuǎn)信息時(shí)代的時(shí)鐘，無(wú)論你審視信息技術(shù)發(fā)展史的哪個(gè)領(lǐng)域，范內(nèi)瓦·布什都是在那里留下過(guò)足跡的具有遠(yuǎn)見(jiàn)的先驅(qū)性人物。正如歷史學(xué)家邁克爾·雪利（MichaelSherry）所言，“要理解比爾·蓋茨和比爾·克林頓的世界，你必須首先認(rèn)識(shí)范內(nèi)瓦·布什?！闭且蚱湓谛畔⒓夹g(shù)領(lǐng)域多方面的貢獻(xiàn)和超人遠(yuǎn)見(jiàn)，范內(nèi)瓦·布什獲得了“信息時(shí)代的教父”的美譽(yù)。2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系59

作為貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquistnoise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)。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(lái)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(duì)某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）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(hào)。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號(hào)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，美國(guó)物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對(duì)信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國(guó)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（美國(guó)電話電報(bào)公司）公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。

奈奎斯特2023/1/1016:07北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化系60

維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對(duì)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(wèn)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(wèn)題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡(jiǎn)單的動(dòng)作中發(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(qǐng)來(lái)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(lái)，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽(tīng)取對(duì)方的批評(píng)意見(jiàn)，甚至是“攻擊”意見(jiàn)，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來(lái)，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(kāi)始讀書。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)人大學(xué)學(xué)習(xí)，由于他的數(shù)學(xué)知識(shí)已超過(guò)大學(xué)一年級(jí)學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、物理、電學(xué)。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(lái)又到德國(guó)、英國(guó)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