自控原理第1章 2.28

自動控制原理本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課、考研主要專業(yè)課程任務(wù)：掌握自動控制系統(tǒng)分析和校正設(shè)計的方法特點：研究控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的一般理論，理論性強難理解?？己耍浩綍r30%+考試70%屬于自動化科學(xué)范疇，研究一些共性的、具有普遍規(guī)律的問題。授課內(nèi)容自動控制的一般概念線形系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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)的頻率響應(yīng)法線性系統(tǒng)的校正方法數(shù)字控制系統(tǒng)分析基礎(chǔ)對象：單變量時不變連續(xù)系統(tǒng)目標：穩(wěn)、準、快任務(wù)：分析、設(shè)計課程目標要求學(xué)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(shè)計技術(shù)，了解其應(yīng)用。通過對自動控制基本理論的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使得學(xué)生不僅加深對控制問題本身的理解，而且了解到目前所學(xué)內(nèi)容的某些應(yīng)用方面和進一步研究的方向，為今后的研究與技術(shù)工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。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)遇到問題及時解決多看參考書，多方面理解課程內(nèi)容勤于思考、善于發(fā)現(xiàn)問題注意理論學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用之間的聯(lián)系第一章緒論（自動控制的一般概念）1.1自動控制系統(tǒng)簡介1.2自動控制系統(tǒng)分類1.3自動控制理論的發(fā)展簡史1.4工程控制問題的基本要求機械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制遠洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機自動駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號、“機遇”號的火星登陸控制等等總之，自動控制技術(shù)的應(yīng)用幾乎無所不在。自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域1.1自動控制系統(tǒng)簡介控制使設(shè)備或生產(chǎn)過程的物理量保持恒定或按一定規(guī)律的變化

被控對象被控量輸入量、給定值、希望值（人工控制和自動控制）在許多工業(yè)生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備運行中，為了保證正常的工作條件，往往需要對某些物理量(如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等)進行控制，使其盡量維持在某個數(shù)值附近，或使其按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就應(yīng)該對生產(chǎn)機械或設(shè)備進行及時的操作，以抵消外界干擾的影響。

控制：為了滿足預(yù)期要求所進行的操作

自動控制的概念

在沒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），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律（給定值）運行。下面以水池水位系統(tǒng)的人工控制與自動控制為例說明自動控制的原理思考：被控對象、被控量？如何實現(xiàn)控制？控制目的：避免水過滿或抽空，應(yīng)使水池水位與預(yù)定水位相等控制手段：改變進水閥門的開度人工控制過程：測量（眼）、決策（腦）、執(zhí)行（手）自動控制和人工控制極為相似，自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機地組合在一起，以代替人的職能而已。浮子（眼睛），連桿和電位器（大腦），電動機（手）。這些裝置相互配合，承擔(dān)著控制的職能，通常稱之為控制器（或控制裝置）。任何一個控制系統(tǒng)，都是由被控對象和控制器兩部分所組成的。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)：被控對象和自動控制裝置按照一定方式連接起來，完成一定控制任務(wù)的總體（能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)）控制裝置：對被控對象起控制作用的設(shè)備的總體被控對象：需要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)=控制裝置+被控對象測量元件控制器執(zhí)行元件自動控制系統(tǒng)的方框圖方框圖可直觀的表達控制系統(tǒng)的組成及信號之間的傳遞關(guān)系水位給定值控制器偏差進水調(diào)節(jié)閥進水量水池出水量水位實際值浮子水位測量值＋方框圖中各符號的意義元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點(分支點)表示負反饋自動控制系統(tǒng)的基本控制方式1.開環(huán)控制2.閉環(huán)控制3.復(fù)合控制

開環(huán)控制輸入信號控制裝置被控對象輸出信號輸入端與輸出端只有信號的前向通道,不存在由輸出端到輸入端的反饋通路,即,系統(tǒng)的輸入不受輸出的影響

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好缺點：抗干擾能力差，不能自動修正被控量產(chǎn)生的偏差適用場合：干擾不強或可預(yù)測、元件比較穩(wěn)定、控制精度要求不高的場合，如洗衣機、紅綠燈閉環(huán)控制輸入信號控制裝置被控對象輸出信號反饋裝置輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響,應(yīng)用反饋，減少偏差。偏差信號優(yōu)點：自動修正被控量產(chǎn)生的偏差，控制精度高缺點：穩(wěn)定性差（由于反饋的存在使被控量產(chǎn)生振蕩）適用場合：系統(tǒng)元件參數(shù)發(fā)生變化和擾動無法預(yù)計的情況復(fù)合控制特點：主要擾動進行干擾補償，并結(jié)合偏差控制實現(xiàn)良好的控制效果。比較、計算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量干擾+-計算測量最優(yōu)控制：要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)對某種性能標準最好的控制。自適應(yīng)控制：當(dāng)系統(tǒng)特性或元件參數(shù)變化時，能自動測量這些變化并自動改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的變化并始終保持最優(yōu)的性能。智能控制：具有智能信息處理、智能反饋和智能控制決策的控制方式?；拘g(shù)語自動控制：在無人直接參與的情況下，使被控對象的一個物理量（被控量）按預(yù)定規(guī)律（給定量）運行。自動控制系統(tǒng)：按照一定方式把被控對象和控制器連接起來完成各種控制任務(wù)的有機整體。被控對象：指完成一定技術(shù)要求的工作機器、裝置或生產(chǎn)過程等?？刂破鳎ㄕ{(diào)節(jié)器、控制裝置）：接受指令，輸出控制作用信號給受控對象，起到控制作用的設(shè)備總體。被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量（ex:n、p、T）。給定值或指令信號：即系統(tǒng)的輸入信號，使控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化。干擾信號：是對系統(tǒng)被控量起破壞作用的信號。有內(nèi)擾和外擾之分。反饋信號：指被控量經(jīng)測量元件檢測后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號。偏差信號：指給定值與被控量的差值，或指令信號與反饋信號的差值。[動態(tài)過程]觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。[實質(zhì)]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123控制系統(tǒng)的工作原理溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。[動態(tài)過程]2.恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2系統(tǒng)原理方框圖[實質(zhì)]檢測偏差糾正偏差控制系統(tǒng)的工作原理從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖（職能方框圖）可見：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）。被控量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；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。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計擾動的情況下，自動減少系統(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，根據(jù)偏差值的大小產(chǎn)生控制作用，實現(xiàn)控制任務(wù)，這是反饋控制的基本原理，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“檢測偏差再糾正偏差”。自動控制系統(tǒng)的工作原理—

負反饋

將系統(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。____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉合回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用控制系統(tǒng)的組成

被控對象控制系統(tǒng)

測量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行元件

校正裝置

給定元件控制系統(tǒng)的組成被控對象：在自動化領(lǐng)域，被控制的裝置、物理系統(tǒng)或過程（室內(nèi)空氣）?？刂破鳎簩刂茖ο螽a(chǎn)生控制作用的裝置稱為控制器，有時也稱為控制元件、調(diào)節(jié)器等（放大器）。執(zhí)行元件：直接改變被控變量的元件稱為執(zhí)行元件（空調(diào)器）。測量元件：能夠?qū)⒁环N物理量檢測出來并轉(zhuǎn)化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置稱為傳感器或測量元件。用于檢測被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號。如果測出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量以便處理，（熱敏電阻）。給定元件（參考輸入元件）：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件，主要用于產(chǎn)生給定信號或控制輸入信號，

（電位器）。比較元件用來比較輸入信號和反饋信號之間的偏差。它可以是一個差動電路，也可以是一個物理元件（如電橋電路、差動放大器等）控制系統(tǒng)的組成放大元件用來放大偏差信號的幅值和功率，使之能夠推動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)被控對象。例如功率放大器、電液伺服閥等。校正元件用來改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。例如測速發(fā)電機等。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1給定元件：產(chǎn)生給定信號或輸入信號。2測量元件：測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。3比較元件：對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號。4放大元件：對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。5執(zhí)行元件：直接對受控對象進行操縱的元件，使被控量變化，如電動機、液壓馬達等。電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，需要將這些量轉(zhuǎn)化為電信號。注意：在機械、液壓、氣動、機6校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、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。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動。但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。E.g.液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2Q1H1H2系統(tǒng)職能方框圖的建立[定義]根據(jù)控制系統(tǒng)各部件的職能畫出的方框圖。環(huán)節(jié)輸入量輸出量正/負反饋液位控制系統(tǒng)負反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1室溫控制系統(tǒng)元件框圖圖1-1室溫控制系統(tǒng)元件框圖室溫控制系統(tǒng)的功能框圖室溫控制系統(tǒng)功能框圖控制系統(tǒng)中常用的信號和變量輸入信號：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。輸出信號：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號又稱為被控變量（室內(nèi)的實際溫度）。輸入信號的響應(yīng)：由某一個輸入信號產(chǎn)生的輸出信號又稱為該輸入信號的響應(yīng)?？刂谱兞浚嚎刂破鞯妮敵鲂盘柗Q為控制變量，它作用在控制對象（執(zhí)行元件、功率放大器）上，影響和改變被控變量（放大器（控制器）的輸出信號）。被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。（空氣溫度）反饋信號：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號，一般與被控變量成正比（熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號）。給定值：又稱為指令輸入信號，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值（室內(nèi)溫度的設(shè)定值）。參考輸入信號：代表指令輸入信號與反饋信號進行比較的基準信號稱為參考輸入信號（電位器的輸出電壓）。偏差信號：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號（e=r-y）。擾動信號：是加于系統(tǒng)上的不希望的外來信號，它對被控變量產(chǎn)生不利的影響（周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等）。1.2自動控制系統(tǒng)分類開環(huán)控制和閉環(huán)控制按照控制方式和策略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)1、開環(huán)控制系統(tǒng)控制器和控制對象間只有正向控制作用，系統(tǒng)的輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響；結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但控制精度低；一般適合于干擾不強或可預(yù)測的、控制精度要求不高的場合；如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都比較小，或這些擾動因素可以事先確定并能給予補償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；對擾動沒有抑制能力。按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象給定值（控制裝置）被控量執(zhí)行干擾按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象測量被控量執(zhí)行干擾

k

udn~ug例：直流電動機調(diào)速系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響；實現(xiàn)了按偏差控制；也稱為反饋控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道（控制器和控制對象）和反饋通道（反饋裝置）構(gòu)成（如圖1-4）；反饋控制：正反饋和負反饋；具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞；通常而言，反饋控制就是指負反饋控制。閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性問題按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)比較、計算控制對象測量被控量執(zhí)行干擾給定值－3、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點是檢測偏差、糾正偏差；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道；從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點：由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對元器件要求高精度高、對元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

按照系統(tǒng)是否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類。線性控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；輸入輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)以及狀態(tài)空間表達式來描述；線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理；如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，則稱為線性定常系統(tǒng)；否則稱為線性時變系統(tǒng)

。齊次性若激勵f(t)產(chǎn)生的響應(yīng)為y(t)，則激勵A(yù)f(t)產(chǎn)生的響應(yīng)即為Ay(t)，此性質(zhì)即為齊次性。其中A為任意常數(shù)。指系統(tǒng)輸入改變k倍，輸出也相應(yīng)改變k倍疊加原理如果一個系統(tǒng)在輸入r1(t)作用下產(chǎn)生輸出c1(t)，在輸入r2(t)作用下產(chǎn)生輸出c2(t)；若在r1(t)+r2(t)作用下輸出為c1(t)+c2(t)，則滿足疊加原理若在輸入a1r1(t)+a2r2(t)作用下系統(tǒng)輸出為a1c1(t)+a2c2(t)（其中r1(t)、r2(t)是任意的輸入信號；a1,a2是任意的常數(shù)），則該系統(tǒng)滿足線性疊加原理，是線性系統(tǒng)，否則是非線性系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性；一般不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關(guān)系；也有時變和定常系統(tǒng)之分；嚴格地講，絕對線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的。三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)

按照輸入信號分類，控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)（r(t)=const.）輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對應(yīng)的數(shù)值不變室溫控制系統(tǒng)、直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓伺服系統(tǒng)（r(t)不可預(yù)測）輸入信號是變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù)；系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)；當(dāng)被控量為位置或角度時，伺服系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)（r(t)變化事先已知）輸入信號是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程序）變化；要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變化，誤差不超過規(guī)定值；熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)(按控制系統(tǒng)信號性質(zhì)分)連續(xù)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。其運動規(guī)律可以用微分方程來描述。水位和電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間的離散信號，即信號傳遞過程中只要有一處信號是脈沖序列或數(shù)字編碼時。離散模型是計算機控制的最主要模型。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都為隨時間連續(xù)變化的信號。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為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。特點：系統(tǒng)在特定離散時刻t1、t2……tn中是時間的函數(shù)，而在上述離散時刻之間信號無意義（不傳遞），其運動規(guī)律需要用差分方程描述Y(t)被控量R(t)輸入量定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)按系統(tǒng)元件、部件類型分類電氣控制系統(tǒng)機械控制系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)生物控制系統(tǒng)經(jīng)濟控制系統(tǒng)等。按系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系劃分SISO控制系統(tǒng)MIMO控制系統(tǒng)蘇學(xué)成：放飛世界首只機器人鳥

1.3自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(20世紀初)

以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)

時域法復(fù)域法(根軌跡法)單輸入單輸出頻域法

線形定常系統(tǒng)

現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)

多輸入多輸出線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制

變參數(shù)時變系統(tǒng)

最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論(20世紀70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)工業(yè)機器空間技術(shù)控制理論中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400BC-1100BC)。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)。中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。前期控制（1400BC-1900）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)中國明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年)英國J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)英國E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)美國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(1922)。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)。經(jīng)典控制（1935-1950）自動控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制。控制論的奠基人N.Wiener

給出的定義為：

“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。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(diào)整法(1942)美國的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

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

(1939)。美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預(yù)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(xué)科的誕生。在貝爾實驗室Bode領(lǐng)導(dǎo)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(chǔ)(1948)。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)。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。多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)錢學(xué)森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)……現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，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)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代控制（1950-Now）美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)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)中國批準863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)。日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機械狗(2001)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)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)。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。第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索。美國R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)。蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)。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)。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(chǔ)(1958)。1963年,美國的Lofti

Zadeh與C.Desoer發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。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(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。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)。加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制設(shè)計方法(1981年)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)。1.4工程控制問題的基本要求為實現(xiàn)自動控制，必須對控制系統(tǒng)提出一定的要求；對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動量均不變時，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種狀態(tài)稱為平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)；

當(dāng)輸入量或擾動量發(fā)生變化時，反饋量將與輸入量產(chǎn)生偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即達