机械控制概述

第一章绪论第一章绪论1-1概述1-2基本概念1-3对控制系统的基本要求自动控制技术与人类进步

自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。第一章绪论第一章绪论I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C.~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.)西汉漏壶第一章绪论(3)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)(2)亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)第一章绪论(4)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(5)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)第一章绪论(6)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)(7)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)第一章绪论(8)英国E.J.Routh建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)(9)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)(10)英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)(1866年)第一章绪论(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m,25T,10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。操江号(62mx10m),392匹马力，600T排水，备炮9门第一章绪论II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)(2)美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)(3)美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush第一章绪绪论论(4)美美国H.S.Black提出放大器器性能的负负反馈方法法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black第一章绪绪论论(5)自动控制的的基础为闭闭环控制。。控制论的的奠基人N.Wiener给出的定义义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”闭环控制系系统的结构构框图：第一章绪绪论论(6)美美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮炮控制器(1925)，气压反馈馈控制器(1929)第一章绪绪论论III.经经典控制制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美美国贝尔实实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响响应法(2)美美国Taylor仪仪器公司的的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最最佳调整法法(1942)(3)美美国MIT的N.Wiener研究随机过过程的预测测(1942)，提出Wiener滤波理论论(1942)，发表《控控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标标志志着着控控制制论论学学科科的的诞诞生生。。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory第一一章章绪绪论论(4)美美国国的的H.Hazen发表表““关关于于伺伺服服结结构构理理论论””(TheoryofServome-chanism)(1934)，并并在在MIT建建立立伺伺服服机机构构实实验验室室(ServomechanismLaboratory)(1939)H.Hazen第一一章章绪绪论论(5)英英国国A.M.Turine提出出图图灵灵计计算算机机的的设设想想(1937)(6)在在贝贝尔尔实实验验室室Bode领导导的的火火炮炮控控制制系系统统研研究究小小组组工工作作的的C.Shannon提出出继继电电器器逻逻辑辑自自动动化化理理论论(1938)，随随后后，，发发表表专专著著《《通通信信的的数数字字理理论论》》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，，奠奠定定了了信信息息论论的的基基础础(1948)C.E.Shannon第一一章章绪绪论论(7)MITRadiationLaboratory在在研研究究SCR-584雷雷达达控控制制系系统统的的过过程程中中，，创创立立了了NicholsChartDesignMethod，，R.S.Philips的工工作作OnNoiseinServomechanisms，，以以及及Hurwicz(1947)的数数字字控控制制系系统统(8)美美国国W.Evans提出出根根轨轨迹迹法法(RootLocusMethod)(1948)，以以单单输输入入线线性性系系统统为为对对象象的的经经典典控控制制研研究究工工作作完完成成。。(9)多多本本有有关关经经典典控控制制的的经经典典名名著著相相继继出出版版，，包包括括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，，以以及及钱学森森的《工工程控控制论论》(EngineeringCybernetics)(1954)LanJ.Chu第一章章绪绪论论现代控控制(ModernControl)(1950-)二次世世界大大战中中火炮炮，雷雷达，，飞机机以及及通讯讯系统统的控控制研研究直直接推推动了了经典典控制制的发发展。。五十十年代代后兴兴起的的现代代控制制起源源于冷冷战时时期的的军备备竞赛赛，如如导弹弹(发发射，，操纵纵，指指导及及跟踪踪)，，卫星星，航航天器器和星星球大大战，，以及及计算算机技技术的的出现现(英英国科科学家家A.J.G.MacFarlane)。第一章章绪绪论论(2)美美国R.Bellman在RANDCoporation数数学部部的支支持下下，发发表著著名的的DynamicProgramming，，建立立最优优控制制的基基础(1957)(3)国国际自自动控控制联联合会会(IFAC)成立立(1957)，中国国为发发起国国之一一，第第一届届学术术会议议于莫莫斯科科召开开(1960)(1)苏苏联L.S.Pontryagin发表““最优优过程程数学学理论论”，，提出出极大大值原原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin第一章章绪绪论论(4)美美国MIT的ServomechanismLaboratory研制制出第第一台台数控控机床床(1952)第一章章绪绪论论(5)世世界第第一颗颗人造造地球球卫星星(Sputnik)由由苏联联发射射成功功(1957)1957.Laika.Sputnik2第一章章绪绪论论(6)美美国GeorgeDevol研制出出第一一台工工业机机器人人样机机(1954)，两年年后，，被称称为机机器人人之父父的JosephEngelberger创立了了第一一家机机器人人公司司，Unimation(7)美美籍匈匈牙利利人R.E.Kalman发表““OntheGeneralTheoryofControlSystems”等等论文文，引引入状状态空空间法法分析析系统统，提提出能能控性性，能能观测测性，，最佳佳调节节器和和kalman滤滤波等等概念念，奠奠定了了现代代控制制理论论的基基础(1960)R.E.Kalman第一章章绪绪论论(8)苏联东方-１号号飞船船载着着加加加林进进入人人造地地球卫卫星轨轨道，，人类类宇航航时代代开始始了(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.宇宙哥哥伦布布-加加加林林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.第一章章绪绪论论(9)1963年年,美美国国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年年，Zadeh提出出模糊糊集合合和模模糊控控制概概念C.Desoer第一章绪绪论论(11)苏苏联发射射“月球””9号探测测器，首次次在月面软软着陆成功功(1966)，三年后(1969)，美国“阿阿波罗”11号把宇宇航员N.A.Armstrong送上月月球。N.A.Armstrong第一章绪绪论论(12)瑞瑞典KarlJ.Astrom提出最小二二乘辩识，，解决了线线性定常系系统参数估估计问题和和定阶方法法(1967)，六年后，，提出了自自启调节器器，建立自自适应控制制的基础。。Astrom于1993年获得IEEEMedalofHonor。K.J.AstromW.MWonham(13)英国H.HRosenbrock发表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)加加拿大W.MWonham发表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。第一章绪绪论论(14)美美国的M.E.Merchant提出计算机机集成制造造的概念(1969)第一章绪绪论论(15)美美国ARPA计算算机网络初初步建成(1971)(16)日日本Fanuc公公司研制出出由加工中中心和工业业机器人组组成的柔性性制造单元元(1976)第一章绪绪论论(17)美美国R.Brockett提出用微分分几何研究究非线性控控制系统(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)(1985)。A.IsidoriR.Brockett第一章绪绪论论(18)加加拿大G.Zames提出H鲁棒控制设设计方法(1981年)(19)美美国“哥哥伦比亚””号航天飞飞机首次发发射成功(1981年)GorgeZames第一章绪绪论论(20)美美国A.Bryson和Y.CHo发表AppliedOptimalControl(1969)。Y.CHo和X.RCao等提出离散散事件系统统理论(1983)(21)中中国批准准863高高技术计划划，包括自自动化领域域的计算机机集成制造造系统和智智能机器人人两个主题题(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic第一章绪绪论论(22)IEEEControlSystemsAward获获得者。第一章绪绪论论(23)第第一台火火星探测器器Sojourner在火星星表面软着着陆(1996)(24)旅旅行者Voyager一一号，二号号开始走出出太阳系，，对茫茫茫太空进行行探索第一章绪绪论论自动控制理论经典控制理论(19世纪中叶—20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法时域法波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制第一章绪绪论论以传递函数为基础，研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早,现已臻成熟。经典控制理论以状态空间法为基础,研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。现代控制理论本课程的任务

对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。第一章绪绪论论本课程的特特点与学习习方法*比较抽象象的技术基基础课理论基础研究对象思维方法与与观点与数理基础础课程及专业课程的的联系。38积分变换复变函数力学、电学学*引入计算算机辅助设设计、分析析。MATLAB软件件学习*笔记与习习题，读书书与演算并并重。*需要较多多的数学知知识1-2基本概念

反馈反馈控制系统开环系统闭环系统第一章绪绪论论第一章绪绪论论把一个系统的输出信号不断直接或经过中间变换后全部或部分地返回，再输入到系统中去，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称闭环控制第一章绪绪论论反馈控制

系统完成一定任务的一些元、部件的组合第一章绪绪论论第一章绪绪论论开环系统如果系统的输出量与输入量间不存在反馈通道，即输出量对系统无控制作用。第一章绪绪论论闭环系统

凡是系统输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈的回路，称为闭环系统。第一章绪绪论论闭环与开环环控制系统统的比较闭环控制系系统的特点点偏差控制，，可以抑制制内、外扰扰动对被控控制量产生生的影响。。精度高、、结构复杂杂，设计、、分析麻烦烦。开环控制系系统的特点点顺向作用，，没有反向向的联系，，没有修正