西工大、西交大自动控制原理 第一节课 绪论

1、控制任务控制任务：在用水量随意改变的情况下，保持：在用水量随意改变的情况下，保持水池的水位在要求的高度上不变水池的水位在要求的高度上不变。要求水位要求水位1 1、人工控制（以水池水位控制为例说明、人工控制（以水池水位控制为例说明 ）人的作用：人的作用：（1）不断的检测偏差；）不断的检测偏差；（2）不断的纠正偏差。）不断的纠正偏差。控制：使被控对象按照我们预定的方式工作。控制：使被控对象按照我们预定的方式工作。v水池水位人工控制系统的方块图为：水池水位人工控制系统的方块图为：给定水位给定水位 控制量控制量（输入量（输入量）手手进水阀门进水阀门水池水池眼眼脑脑实际测量值实际测量值（反馈量）（反馈量

2、）执行执行测量测量被控对象被控对象 出水量出水量（干扰）（干扰）实际水位实际水位 被控量被控量（输出量）（输出量） 在整个控制过程中，人直接参与，并起着关键作用，在整个控制过程中，人直接参与，并起着关键作用，所以这样的控制称所以这样的控制称人工控制人工控制，这样的控制系统称为，这样的控制系统称为人人工控制系统工控制系统。利用某种控制装置代替上述人工控制系统中操作人员的作利用某种控制装置代替上述人工控制系统中操作人员的作用，完成控制过程，就是自动控制。相应的控制系统就用，完成控制过程，就是自动控制。相应的控制系统就称为自动控制系统。称为自动控制系统。自动控制的定义：自动控制的定义： 自动控制自动

3、控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置（控制器）使被控对象（或过程）自动的按预定制装置（控制器）使被控对象（或过程）自动的按预定的规律运行。的规律运行。水池水位自动控制系统可以为水池水位自动控制系统可以为放大器放大器实际水位实际水位浮子浮子连杆连杆阀门阀门电位器电位器电动机电动机减速器减速器进水进水出水出水2、自动控制系统、自动控制系统水位自动控制系统的方块图水位自动控制系统的方块图给定电位给定电位Ur电动机电动机减速器减速器水池水池浮子连杆浮子连杆反馈信号反馈信号UfQ2阀门阀门Q1放大器放大器自动控制系统的实例自动控制系统的实例自动控制系统的实例

4、自动控制系统的实例自动控制系统的实例自动控制系统的实例水钟二、课程基本情况二、课程基本情况1、课程性质、地位和任务、课程性质、地位和任务 自动控制理论主要阐述的是有关自动控制理论主要阐述的是有关反馈控反馈控制技术制技术的基础理论，是一门的基础理论，是一门理论性较强理论性较强的工的工程科学，它从方法论的角度来研究系统的建程科学，它从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，是测控工程专业的核心课立、分析与设计，是测控工程专业的核心课程，是机电类、火力指挥与控制等相关专业程，是机电类、火力指挥与控制等相关专业的必选课程，它是与所有工程技术相关的技的必选课程，它是与所有工程技术相关的技术基础课术基础

5、课工程中的数学工程中的数学。本课程的任务包括：本课程的任务包括：v掌握控制系统的基本理论；掌握控制系统的基本理论；v掌握控制系统的分析和设计方法。掌握控制系统的分析和设计方法。被控对象非常多，各式各样的被控对象都有：被控对象非常多，各式各样的被控对象都有：v被控对象都具有一个共同点，那就是被控对象都具有一个共同点，那就是动动；在数学上，怎么来描述在数学上，怎么来描述“动动”呢？显然，呢？显然，用输入与输出之间的用输入与输出之间的微分方程微分方程可以描述可以描述“运动运动”。因此，求解微分方程，是整个。因此，求解微分方程，是整个控制理论的数学基础。控制理论的数学基础。v变化的被控对象多种多样，这

6、导致了控制变化的被控对象多种多样，这导致了控制理论应用的广泛性，甚至出现了具有哲学理论应用的广泛性，甚至出现了具有哲学意义的控制论。意义的控制论。 例如：管理中体现的控制例如：管理中体现的控制论原理等。论原理等。只有恰当地实施了控制，才能得到预期的响应。只有恰当地实施了控制，才能得到预期的响应。这是控制系统的核心和难点，也是本课程的主要内容。这是控制系统的核心和难点，也是本课程的主要内容。2、 课程及教学安排简介课程及教学安排简介(a) 目标目标知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！课程目标：课程目标： 以线性定常系统为对象，学习控制系统的分析、以线性

7、定常系统为对象，学习控制系统的分析、设计与实现，切身体会实施控制的全过程，牢固建设计与实现，切身体会实施控制的全过程，牢固建立反馈控制的理念，培养实施控制的能力。立反馈控制的理念，培养实施控制的能力。主要参考书目：主要参考书目：v自动控制原理自动控制原理 胡寿松胡寿松v反馈控制系统设计与分析反馈控制系统设计与分析-matlab-matlab语言应用语言应用 薛定宇薛定宇 v自动控制原理习题解析自动控制原理习题解析 胡寿松胡寿松b b、学习建议：、学习建议：广泛阅读教材和参考书，深刻理解理论体系。广泛阅读教材和参考书，深刻理解理论体系。其他参考书目：其他参考书目：v(1)、吴麒主编 “自动控制原

8、理”，清华大学出版社。v(2)、Richard C. Dorf，Robert H. Bishop Modern Control System科学出版社2002年6月(影印版)或邹逢兴等译，现代控制系统，高等教育出版社，v(3)、楼顺天等，“基于Matlab的系统分析与设计控制系统”，西安电子科技大学出版社网络资源：v()学院自动控制原理网络课程v()学研论坛自动控制。v()各个大学重点课程建设教学资料。学习建议：学习建议：v完成大量练习，积极讨论问题；完成大量练习，积极讨论问题；v注重体会本课程的方法论；注重体会本课程的方法论；v学完每章要善于总结知识点，演绎与归纳并重；学完每章要善于总结知识

9、点，演绎与归纳并重；v重视实验体验。重视实验体验。 (c)后续课程展望后续课程展望仅在工程控制领域，今后还有：仅在工程控制领域，今后还有：数字控制手段更新数字控制手段更新 自适应控制时变对象自适应控制时变对象 非线性控制非线性对象非线性控制非线性对象 智能控制环境适应等。智能控制环境适应等。课时安排课时安排绪论绪论2 2 学时学时控制系统模型控制系统模型7 7 学时学时时域法时域法1111学时学时根轨迹法根轨迹法6 6 学时学时频域法频域法1414学时学时系统综合与校正系统综合与校正6 6 学时学时非线性系统分析非线性系统分析6 6 学时学时 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念

10、 本章要求：本章要求：v了解开环控制和闭环控制；了解开环控制和闭环控制；v掌握反馈控制原理及组成；掌握反馈控制原理及组成；v能正确确定控制系统的对象、被控量、控制量、能正确确定控制系统的对象、被控量、控制量、 干扰量、反馈量等。干扰量、反馈量等。v了解自动控制系统的分类，理解对控制系统的基本要了解自动控制系统的分类，理解对控制系统的基本要求。求。 1-1节节 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式一、开环控制一、开环控制 1、开环控制指控制装置（控制器）与被控对象之、开环控制指控制装置（控制器）与被控对象之间间只有顺向作用只有顺向作用而而无反向联系无反向联系的控制过程。的控制过程

11、。 开环控制的开环控制的方块图方块图为：为：显然开环控制系统的输出量（被控量）对系统显然开环控制系统的输出量（被控量）对系统的输入量（控制量）是的输入量（控制量）是没有影响没有影响的。的。控制器控制器控制对象控制对象控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用干干扰扰被控量被控量（输出）（输出）* 开环控制系统的特点：开环控制系统的特点： 1、 系统的控制系统的控制精度精度完全取决于完全取决于控制装置控制装置 （控制（控制 器）和被控对象的器）和被控对象的参数稳定性参数稳定性。 2、开环控制系统、开环控制系统结构简单，成本低廉结构简单，成本低廉但但 系统系统抗干扰能力差抗干扰能力差。控制器控制

12、器控制对象控制对象控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用干干扰扰被控量被控量（输出）（输出）闭环控制是指控制装置（控制器）与被控对象闭环控制是指控制装置（控制器）与被控对象之间既有之间既有顺向作用顺向作用，又有，又有反向联系反向联系的控制过程。的控制过程。 其方块图为：其方块图为：控制器控制器对象对象测量元件测量元件干扰干扰控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用被控量被控量（输出）（输出） 显然，闭环控制系统的输出量（被控量）对显然，闭环控制系统的输出量（被控量）对系统的输入量（控制量）是有系统的输入量（控制量）是有直接影响直接影响的。的。二、闭环控制二、闭环控制 由于采用由于采用

13、负反馈负反馈，使系统的被控量对外界干扰，使系统的被控量对外界干扰和系统内和系统内 部部 参数的变化不敏感，故闭环系统具有很参数的变化不敏感，故闭环系统具有很强的抗干扰能力，强的抗干扰能力， 因而具有较高的控制精度。因而具有较高的控制精度。闭环系统的特点：闭环系统的特点：1、由负反馈构成闭环控制方式，完成自动检、由负反馈构成闭环控制方式，完成自动检 测偏测偏 差的任务；差的任务；2、控制作用的产生是由偏差引起的，完成自、控制作用的产生是由偏差引起的，完成自 动消动消 除或减小偏差的任务。除或减小偏差的任务。由于以上特点，闭环控制又称为负反馈控制或由于以上特点，闭环控制又称为负反馈控制或偏差控制偏

14、差控制。反馈控制原理反馈控制原理 取出控制系统的输出量送回到输入端，并与输入信号相取出控制系统的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称之为比较产生偏差信号的过程，称之为反馈反馈。若反馈回来的信号。若反馈回来的信号与输入信号相减，则称之为与输入信号相减，则称之为负（负（negative）反馈）反馈；反之，称；反之，称为为正（正（positive）反馈。）反馈。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，是取自被控量的作用，是取自被控量的反馈信息反馈信息，用来不断，用来不断修正修正被控量被控量与与输入量输入量之间的之间的偏差

15、偏差，从而实现对被控对象进行控制的，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是任务，这就是反馈控制的原理反馈控制的原理。政府政府统计测量统计测量商品生产商品生产国民收入国民收入预期的预期的国民收入国民收入私人商私人商业投资业投资消费者消费者税收税收国民收入反馈控制系统国民收入反馈控制系统政府支出政府支出消费者指出消费者指出维持血糖稳态的装置图维持血糖稳态的装置图反馈控制系统的实例反馈控制系统的实例三、开环控制与闭环控制的比较三、开环控制与闭环控制的比较 1、开环控制系统结构简单，成本低廉，但系、开环控制系统结构简单，成本低廉，但系 统抗干扰能力差；统抗干扰能力差； 2、闭环控制系统抗干扰能力强，

16、控制精度高，、闭环控制系统抗干扰能力强，控制精度高，但系统结构复杂。另外，当参数选择不当时，但系统结构复杂。另外，当参数选择不当时，系统容易产生振荡，所以存在稳定问题。系统容易产生振荡，所以存在稳定问题。四、复合控制四、复合控制 复合控制，就是复合控制，就是开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制相结相结合的一种控制方式。实质是在闭环控制回路的合的一种控制方式。实质是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或干扰作用的顺馈基础上，附加一个输入信号或干扰作用的顺馈通路，来通路，来提高系统的控制精度提高系统的控制精度。 顺馈通路通常是由对输入信号的补偿装置顺馈通路通常是由对输入信号的补偿装置或干扰作用

17、的补偿装置组成，分别称为按输入或干扰作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按干扰补偿的复合控制。信号补偿和按干扰补偿的复合控制。v按输入信号补偿的复合控制系统按输入信号补偿的复合控制系统控制器控制器对象对象输入信号输入信号输出量输出量补偿装置补偿装置按干扰作用补偿的复合控制系统按干扰作用补偿的复合控制系统控制器控制器对象对象输入信号输入信号输出量输出量补偿装置补偿装置经典控制理论的基本特点经典控制理论的基本特点(1)主要用于主要用于线性定常系统线性定常系统的研究，即用于常系数线性的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；微分方程描述的系统的分析与综合；(2)只用于单输入，单

18、输出的只用于单输入，单输出的反馈控制系统反馈控制系统；(3)主要讨论主要讨论系统输入与输出之间系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式。从某种意义上讲，经典控制理论是伴随着反方式。从某种意义上讲，经典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。一、典型控制系统的组成方块图一、典型控制系统的组成方块图串联串联校正装置校正装置放大元件放大元件执行

19、元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量输出量输出量被控量被控量主反馈主反馈局部反馈局部反馈目的：目的：为了清楚的表示控制系统组成部分之间的相互作用关系，为了清楚的表示控制系统组成部分之间的相互作用关系，常常用方块图表示。常常用方块图表示。标识：标识：将将装置（或元件）装置（或元件）画成画成方块方块，将，将信号信号画成画成有向线段有向线段。1-2节 自动控制的基本概念二、自动控制系统的概念和术语二、自动控制系统的概念和术语1、前向通路、前向通路 信号从信号从输入端输入端沿箭头方向沿箭头方向到达到达输出端输出

20、端的传输通路。的传输通路。 2、主反馈通路、主反馈通路 输出量输出量经由测量元件经由测量元件回馈回馈到到输入端输入端的传输通路。的传输通路。 串联串联校正装置校正装置放大元件放大元件执行元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量输出量输出量被控量被控量主反馈主反馈局部反馈局部反馈3、主回路、主回路 前向通路前向通路与与主反馈通路主反馈通路一起构成主回路。一起构成主回路。 4、局部反馈通路、局部反馈通路 5、内回路、内回路 6、单回路系统和多回路系统、单回路系统和多回路系统串联串联校正装置校正装置放大元件放大元

21、件执行元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量输出量输出量被控量被控量主反馈主反馈局部反馈局部反馈放大元件执行元件被控对象输入量控制量偏差量输出量被控量测量元件反馈量主反馈放大元件放大元件执行元件被控对象输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量输出量输出量被控量被控量测量元件反馈量主反馈单回路系统单回路系统7、被控对象、被控对象要求实现自动控制的机器，设备或生产过程要求实现自动控制的机器，设备或生产过程8、控制器（控制装置）、控制器（控制装置） 自动控制系统中，自动控制系统中，除被控对象以外除被控对象以外的所有

22、装置的集合。的所有装置的集合。9、被控量、被控量 要求按要求按预定规律预定规律变化的物理量（一般是系统的输出量）。变化的物理量（一般是系统的输出量）。串联串联校正装置校正装置放大元件放大元件执行元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量输出量输出量被控量被控量主反馈主反馈局部反馈局部反馈10、控制量、控制量 与希望的与希望的预定规律（值）预定规律（值）相对应的物理量。相对应的物理量。11、干扰量（扰动量）、干扰量（扰动量） 影响影响被控量按预定规律变化的物理量。被控量按预定规律变化的物理量。12、外作用（广义

23、输入量）、外作用（广义输入量） 一般控制系统有两种外作用，一般控制系统有两种外作用，控制量（有用信号）控制量（有用信号）和和干扰量干扰量。串联校正装置放大元件执行元件被控对象反馈校正装置测量元件输入量控制量偏差量反馈量干扰量输出量被控量主反馈局部反馈1 1自动控制系统的分类自动控制系统的分类 （1）按系统的）按系统的数学模型数学模型不同分类不同分类 线性系统线性系统与与非线性系统非线性系统；定常定常（时不变）系统与（时不变）系统与时变时变系统。系统。1-3节节 自动控制系统分类及对其的要求自动控制系统分类及对其的要求v可加性和齐次性合称叠加原理可加性和齐次性合称叠加原理 uHuHuHuHuuH

24、 )()()()(2121)()()(22112211uHuHuuH 线性系统如线性系统如)()()(trtcdttdc )()(2trtc 非线性系统如非线性系统如)(1tr)(1tc)(2tr)(2tc)()()(21trtrtr)()()(21tctctc)(tr)(tc)(tKr)(tKc 线性系统具有如下两个重要特性：线性系统具有如下两个重要特性： 可加性可加性 ： 齐次性齐次性 ：注意：系统的线性概念和系统的输入、输出代数注意：系统的线性概念和系统的输入、输出代数式是线性关系不是一个概念，如式是线性关系不是一个概念，如btartc )()(非线性系统非线性系统输入输出输入输出线性关

25、系线性关系)()()()()()(*sin2233trdttdrttcdttdcdttcddttcdt ？非线性方程的特点：非线性方程的特点：系数与变量系数与变量有关，或者方程有关，或者方程中含有中含有变量及其导数变量及其导数的的高次幂高次幂或或乘积项乘积项。线性定常系统和线性时变系统线性定常系统和线性时变系统c(t)为被控量，为被控量，r(t)为系统输入量为系统输入量,系数为系数为常数常数时称为时称为定常系统，系数定常系统，系数随时间变化随时间变化时称为时变系统时称为时变系统。)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatc

26、dtdatcdtdammmmmmnnnnnn )()()()()()(2233trdttdrtcdttdcdttcddttcd )()()()()()(*sin2233trdttdrttcdttdcdttcddttcdt 定常定常时变时变（2）按）按输入信号的变化规律输入信号的变化规律不同分类不同分类 恒值控制恒值控制系统（又称系统（又称调节调节系统，系统，自动镇定自动镇定系统）：系统）：输入信号为不随时间变化的常值输入信号为不随时间变化的常值。 如：恒温、恒压系统如：恒温、恒压系统 随动系统随动系统（或称（或称自动跟踪自动跟踪系统）：系统）： 输入信号为事先输入信号为事先不知变化规律的随时间

27、变化的不知变化规律的随时间变化的随机函数随机函数。如：雷达跟踪如：雷达跟踪 程序控制程序控制系统：输入信号为事先知道变化规律的随系统：输入信号为事先知道变化规律的随时间变化的函数时间变化的函数。 如：数字程序控制机床如：数字程序控制机床（3）按输出的精度分类：）按输出的精度分类：有差有差和和无差系统无差系统按系统在给定输入量或扰动输入量的作用下是否存按系统在给定输入量或扰动输入量的作用下是否存在在稳态误差稳态误差而分为而分为有差系统有差系统和和无差系统无差系统。有差系统有差系统 放大器放大器实际水位实际水位浮子浮子连杆连杆阀门阀门电位器电位器电动机电动机减速减速器器进水进水出水出水无差系统无差

28、系统 （4）按系统的）按系统的信号性质信号性质不同分类不同分类 连续连续系统与系统与离散离散系统系统连续时间控制系统连续时间控制系统系统中的变量可随时变化，系统中的变量可随时变化，连续不间断连续不间断如：转速控制系统如：转速控制系统离散时间控制系统离散时间控制系统系统中存在离散变量，它们系统中存在离散变量，它们只在固定时刻存在和变化只在固定时刻存在和变化如：计算机控制系统如：计算机控制系统（5）按系统的）按系统的元件类型元件类型不同分类不同分类 机电机电系统；系统；液压液压系统；系统；气动气动系统；系统；生物生物系统系统（6）按系统的）按系统的功用功用不同分类不同分类 温度控制温度控制系统；系

29、统；位置控制位置控制系统系统2 2对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 （1）过渡过程和稳态过程）过渡过程和稳态过程处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统输出存在过渡过程。输出存在过渡过程。在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同的响应过程。的响应过程。 对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系统就进入了另一个稳态。统就进入了另一个稳态。 线性控制系统线性控制系统输入信号输入信号时间响应时间响应01234567800.511.5th(t)h()ts（2 2）对控

30、制系统提出的基本要求）对控制系统提出的基本要求稳定性稳定性的要求：系统进行工作最基本、最首要的要求：系统进行工作最基本、最首要的条件就是一定要稳定的条件就是一定要稳定“稳稳”；动态性能动态性能的要求：系统的动态性能表现在快速的要求：系统的动态性能表现在快速性和阻尼性上性和阻尼性上“快快”；稳态性能稳态性能要求：稳态时系统输出要尽可能的复要求：稳态时系统输出要尽可能的复现输入，表现在稳态误差要小现输入，表现在稳态误差要小“准准”。 3 3自动控制系统的研究内容自动控制系统的研究内容（1 1）对系统进行分析）对系统进行分析 已知系统的结构和参数，确定系统的性能已知系统的结构和参数，确定系统的性能指

31、标，并讨论系统的性能指标与系统结构、参指标，并讨论系统的性能指标与系统结构、参数之间的关系。数之间的关系。（2 2）对系统进行设计）对系统进行设计 已知系统要完成的控制任务及应达到的性已知系统要完成的控制任务及应达到的性能指标，确定系统的结构和参数。能指标，确定系统的结构和参数。 系统分析系统分析系统设计（频域）系统设计（频域）线性系统线性系统非线性系统非线性系统时域分析法时域分析法频域分析法频域分析法根轨迹法根轨迹法相平面法相平面法描述函数法描述函数法经经典典理理论论课程总体框架课程总体框架串联校正串联校正反馈校正反馈校正复合校正复合校正参考参考 自动控制发展简史自动控制发展简史 根据自动控

32、制技术发展的不同阶段，根据自动控制技术发展的不同阶段，控制理论可分为控制理论可分为“古典控制理论古典控制理论”和和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。两大部分。 “古典控制理论古典控制理论”的内容是以传的内容是以传递函数为基础，主要研究单输入、单递函数为基础，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分析和设计问题。输出这类控制系统的分析和设计问题。 “现代控制理论现代控制理论”是在是在“古典控制理论古典控制理论”的的基础上，于基础上，于20世纪世纪60年代以后发展起来的。年代以后发展起来的。 主要内容是以状态空间法为基础，研究多输主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、

33、高精度、高效入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域主要的研究课题，特别是近年来由于这一领域主要的研究课题，特别是近年来由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展，由使现代控制理论在大系统理论和模仿人展，由使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等方面有了重大发类智能活动的人工智能控制等方面有了重大发展。展。自动装置的出现和应用自动装置的出现和应用（1818世纪以前）

34、世纪以前）古代自动装置古代自动装置自动计时装置自动计时装置漏壶漏壶( (中国、埃及和巴比伦中国、埃及和巴比伦) )指南车指南车( (中国中国) )教堂庙门自动开启教堂庙门自动开启( (古希腊、古埃及）古希腊、古埃及）铜祭司自动洒圣水铜祭司自动洒圣水( (古希腊、古埃及）古希腊、古埃及）投币式圣水箱投币式圣水箱( (古希腊、古埃及）古希腊、古埃及）教堂自动鸣叫的青铜小鸟教堂自动鸣叫的青铜小鸟( (古希腊、古埃及）古希腊、古埃及）漏水转浑天仪（中国汉张衡）漏水转浑天仪（中国汉张衡）候风地动仪（中国汉张衡）候风地动仪（中国汉张衡）水运仪象台水运仪象台( (结合浑仪结合浑仪( (天文观测天文观测) )

35、、浑象、浑象( (天文天文 表演表演) )和自动计时装置和自动计时装置)()(中国宋苏颂中国宋苏颂) )水钟一、经典控制理论部分的发展一、经典控制理论部分的发展1、瓦特与离心调速器（、瓦特与离心调速器（1769） v2、 James Clerk Maxwell 1868年发年发表表“论调节器论调节器” 目前公认的第一篇理论论文目前公认的第一篇理论论文,导出了导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。方程的根是否具有负的实部。Maxwell对稳定性的分析对比瓦特发明的蒸汽

36、机，对稳定性的分析对比瓦特发明的蒸汽机，给我们的启示是：给我们的启示是：仅有实践是不够的！仅有实践是不够的！.维什聂格拉斯基（维什聂格拉斯基（1831-1895） 1876年发表论文年发表论文“论调整器的一般原理论调整器的一般原理” ，结合汽机的特性，就指出来参数更应该是怎么结合汽机的特性，就指出来参数更应该是怎么选择，才能保证稳定。选择，才能保证稳定。 在苏联被视为自动调整在苏联被视为自动调整理论的奠基人。理论的奠基人。Edward John Routh（ 1831 1907）在剑）在剑桥学习，得到了桥学习，得到了“Senior Wrangler”的荣的荣誉称号。毕业后誉称号。毕业后Rout

37、h开始从事私人数学教开始从事私人数学教师的工作。师的工作。1877年的剑桥年的剑桥 Adams Prize的的主题是主题是“运动的稳定性运动的稳定性”，E.J.Routh在这在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠(Treatise on the Stability of Motion. London, U.K. :Macmillan,1877)。Routh的这一成果被称为劳斯判据。其工作的意义的这一成果被称为劳斯判据。其工作的意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和在于将当时各种有关

38、稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。稳定性的系统理论。3、稳定的判定、稳定的判定v1895年，瑞士数学家年，瑞士数学家A. Hurwitz独立给出了跟据独立给出了跟据多项式的系数决定多项式多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的的根是否都具有负实部的另一中方法另一中方法v1892年，俄罗斯伟大的数年，俄罗斯伟大的数学力学家学力学家A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）发表了其具有深远历史意发表了其具有深远历史意义的博士论文义的博士论文“运动稳定运动稳定性的一般问题性的一般问题”(The

39、 General Problem of the Stability of Motion)。4、负反馈的使用、负反馈的使用 1927年年8月月2日，日，Harold Black(1898-1983)，灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时报（他将其发明记在了一份纽约时报（The New York Times）上，这份早报已成为一件珍贵的）上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在文物诊藏在AT&T的档案馆中。的档案馆中。灵感来自于长期的思考灵

40、感来自于长期的思考 5、频率法的发展、频率法的发展vNyquist1917年在耶鲁大学年在耶鲁大学(Yale)获物理学博士学位，有获物理学博士学位，有着极高的理论造诣。着极高的理论造诣。1932年年Nyquist发表了包含著名的发表了包含著名的“乃奎斯特判据乃奎斯特判据”(Nyquist criterion)的论文，并在的论文，并在1934年年加入了加入了Bell Labs。Black关于关于的负反馈放大器的论文发表在的负反馈放大器的论文发表在1934年，参考了其论文和稳定年，参考了其论文和稳定性判据。性判据。vHendrik Bode(1905-1982)也和一些数学家开始对负反也和一些数学

41、家开始对负反馈放大器的设计问题进行研馈放大器的设计问题进行研究。究。Bode1926年在俄荷俄年在俄荷俄州立大学州立大学(Ohio State)获硕获硕士；士；1935年在哥伦比亚大年在哥伦比亚大学学(ColumbiaUniversity)获获物理学博士学位。物理学博士学位。1940年，年，Bode引入了半对数坐标系，引入了半对数坐标系，使频率特性的绘制工作更加使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。适用于工程设计。 6、 1925年英国电器工程师年英国电器工程师O.亥维赛把拉普拉斯变亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上，提出了运算微积。不久换应用到求解电网络的问题上，提出了运算微积。

42、不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换的基础取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换的基础上引入的。上引入的。 1942年，年，H.Harris引入了传递函数的概念。用方框引入了传递函数的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意义，可

43、以把对具体物理系统，如力学、电学、等的描述，义，可以把对具体物理系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。7、根轨迹法的建立、根轨迹法的建立 美国电信工程师美国电信工程师W.R.Evans的两篇论文的两篇论文“Graphical Analysisof Control System, AIEE Trans. Part II,67(1948),pp.547-551.”和和“Control System Synthesis by Root Locus Method, AIEE Trans. Part II,69(1950),pp.66-69”即已基本上建立起根轨迹法的完整理论。即已基本上建立起根轨迹法的完整理论。 Evans所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系统的稳定问题，因此其已经又回到统的稳定问题，因此其已经又回到70多年前多年前Maxwell和和Routh曾做过的特征方程的研究工作。但曾做过的特征方程的研究工作。但Evans用系统参数变化时特用系统参数变化时特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方法。征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方法。 历史上的三本重