机械控制理论基础绪论历史省公开课一等奖全国示范课微课金奖

第二部分自动控制理论简史什么是自动控制理论？什么是工程控制论？什么是自动控制原理？什么是经典控制理论？什么是当代控制理论？第1页自动控制理论

自动控制理论是研究自动控制共同规律技术科学。它发展早期是以反馈理论为基础自动调整原理，伴随生产和科学进步现已发展为一门独立学科——控制论。控制论包含工程控制论、生物控制论和经济控制论。

工程控制论主要研究自动控制系统中信息变换和传送普通理论及其在工程设计中应用。自动控制原理仅仅是工程控制论一个分支。它只研究控制系统分析和设计普通理论。依据自动控制技术发展不一样阶段，自动控制原理对应分为“经典控制理论”和“当代控制理论”两大部分。

第2页经典控制理论

经典控制理论是指五十年代末期所形成理论体系，它主要是研究单输入—单输出线性定常系统分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入—输出关系传递函数。多年来，经典控制理论在工程实践中得到了成功应用。

第3页当代控制理论

当代控制理论是六十年代早期，为适应宇航技术发展需要而出现新理论。当代应用数学研究和电子计算机应用大大地推进了它发展，当前当代控制理论正向大系统理论和人工智能理论等方面深入发展。

当代控制理论主要是研究含有高性能、高精度多输入—多输出、变参数系统分析和设计问题，如最优控制、最优滤波、自适应控制等。描述系统方法是基于系统状态这一内部特征量状态空间法。第4页第一阶段:经典(自动)控制理论

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段假如要追朔自动控制技术发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术萌芽。控制理论产生和发展要分为以下几个发展阶段：第5页1.两千年前我国创造

指南车，就是一个开

环自动调整系统。指南车2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我国创造水运仪象台，

就是一个闭环自动调整系

统。水运仪象台第6页二起步阶段

伴随科学技术与工业生产发展，到十八世纪，自动控制技术逐步应用到当代工业中。其中最卓越代表是瓦特（J.Watt）创造蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命步伐。瓦特第7页三发展阶段1.1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）处理了蒸汽机调速

系统中出现猛烈振荡不稳定问题，提出了简单稳

定性代数判据。麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）

以反馈控制为其主要研究内容自动控制理论历史，若从当前公认第一篇理论论文,J.C.Maxwell在1868年发表“论调整器”算起，至今不过一百多年。第8页1895年劳斯（Routh）与胡尔维茨（Hurwitz）把麦克斯韦尔思想扩展到高阶微分方程描述更复杂系统中,各自提出了两个著名稳定性判据—劳斯判据和胡尔维茨判据。基本上满足了二十世纪早期控制工程师需要。胡尔维茨（Hurwitz）第9页3.因为第二次世界大战需要控制系统含有准确跟踪与赔偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统频率响应法，为含有高质量动态品质和静态准确度军用控制系统提供了所需分析工具。

奈奎斯特第10页

Bell试验室伟大贡献：

负反馈放大器及频域理论建立

在控制系统稳定性代数理论建立之后，1928年－1945年以美国AT&T企业Bell试验室(BellLabs)科学家们为关键，又建立了控制系统分析与设计频域方法。第11页HaroldBlack

1928年8月2日，HaroldBlack(1898-1983)，在前往Manhattan西街(WestStreet)上班途中，在Hudson河渡船LackawannaFerry上灵光一闪，创造了在当今控制理论中占关键地位负反馈放大器。因为手头没有适当纸张，他将其创造记在了一份纽约时报（TheNewYorkTimes）上，这份早报已成为一件宝贵文物诊藏在AT&T档案馆中。第12页HaroldBlack

当初Black年仅29岁，从WorcesterPolytechnicInstitute取得电子工程学士，毕业刚六年，是西部电子企业工程部（这个部以后成为1925年成立BellLabs关键）工程师，正在从事电子管放大器失真和不稳定问题研究。Black首先提出了基于误差赔偿前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析。同年Black就其创造向专利局提出了长达52页126项专利申请，但直到九年之后，当Black和他在AT&T同事们开发出实用负反馈放大器和负反馈理论之后，Black才得到这项专利。

第13页HarryNyquist

反馈放大器振荡问题给其实用化带来了难以克服麻烦。为此HarryNyquist(1889-1976)和其它一些AT&T通讯工程师介入了这一工作。Nyquist1917年在耶鲁大学(Yale)获物理学博士学位，有着极高理论造诣。1932年Nyquist发表了包含著名“乃奎斯特判据”(Nyquistcriterion)论文，并在1934年加入了BellLabs。Black关于负反馈放大器论文发表在1934年，参考了Nyquist论文和他稳定性判据。

第14页HendrikBode(1905-1982）

这一时期，Bell试验室另一位理论教授，HendrikBode(1905-1982)也和一些数学家开始对负反馈放大器设计问题进行研究。Bode是一位应用数学家，1926年在俄荷俄州立大学(OhioState)获硕士；1935年在哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)获物理学博士学位。1940年，Bode引入了半对数坐标系，使频率特征绘制工作愈加适合用于工程设计。第15页H.Harris

1942年，H.Harris引入了传递函数概念。用方框图、步骤、输入和输出等信息传输概念来描述系统性能和关系。这么就把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来频率法，愈加抽象化了，因而也更有普遍意义，能够把对详细物理系统，如力学、电学、等描述，统一用传递函数、频率响应等抽象概念来研究。1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络问题上，提出了运算微积分。很快拉普拉斯变换就被应用到分析自动调整系统问题上，并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换基础上引入。第16页

至1945年，控制系统设计频域方法，“波德图”(Bodeplots)方法，已基本建立了。Bell试验室第17页4.1948年伊万斯（W.R.Evans）提出了复数域内研究系统根轨迹法。

根轨迹法和时域法，频域法共同组成经典控制理论最关键部分。美国人W.R.Evans是根轨迹法鼻祖。

他两篇论文：

GraphicalAnalysisofControlSystem,AIEETrans.PartII,67(1948),pp.547-551.ControlSystemSynthesisbyRootLocusMethod,AIEETrans.PartII,69(1950),pp.66-69

基本上建立起根轨迹法完整理论。第18页W.R.EvansEvans所从事是飞机导航和控制，其中包括许多动态系统稳定问题，所以其已经又回到70多年前Maxwell和Routh曾做过特征方程研究工作。但Evans用系统参数改变时特征方程根改变轨迹来研究，开创了新思维和研究方法。第19页四标志阶段1.1947年控制论奠基人美国数学家维纳（N.Weiner）把控制论引发自动化同第二次产业革命联络起来，并于1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯科学》，书中叙述了控制理论普通方法，推广了反馈概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父—维纳第20页2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森第21页

从四十年代到五十年代末，经典控制理论发展与应用使整个世界科学水平出现了巨大飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设各个领域都广泛采取了自动化控制技术。（能够说工业革命和战争促使了经典控制理论发展）。第22页第二阶段当代控制理论

科学技术发展不但需要快速地发展控制理论，而且也给当代控制理论发展准备了两个主要条件—当代数学和数字计算机。当代数学，比如泛函分析、当代代数等，为当代控制理论提供了各种多样分析工具；而数字计算机为当代控制理论发展提供了应用平台。在二十世纪五十年代末开始，伴随计算机飞速发展，推进了核能技术、空间技术发展，从而推进了对出现多输入多输出系统、非线性系统和时变系统研究。

第23页1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观察性新概念。卡尔曼第24页4.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计当代频域法理论，将经典控制理论传递函数概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间等价转换关系，为深入建立统一线性系统理论奠定了基础。3.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin第25页5.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。

与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制发展大大丰富了当代控制理论内容。

朗道L.D.Landau第26页第三阶段鲁棒控制理论阶段1.因为当代数学发展，结合着H2和H

等范数而

出现了H2和H

控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、

“智能控制理论”和“复杂系统理论”方向发展。第27页大系统理论：用控制和信息观点，研究各种大系统结

构方案、总体设计中分解方法和协调等

问题技术基础理论。复杂大系统控制第28页智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

息传递过程规律，研制含有一些拟人

智能工程控制与信息处理系统理论。洗衣机智能含糊控制机器人神经网络控制第29页复杂系统理论：把系统研究拓广到开放复杂巨系统范

筹，以处理复杂系统控制为目标。

回顾控制理论发展历程能够看出，它发展过程反应了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制第30页当代控制理论与经典控制理论差异

经典控制理论当代控制理论研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程

多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程

研究方法传递函数法(外部描述)

状态空间法(内部描述)

研究工具拉普拉斯变换

线性代数矩阵

分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法

复域、实域，可控和可观察设计方法PID控制和校正网络

状态反馈和输出反馈

其它频率法物理意义直观、实用，难于实现最优控制易于实现实时控制和最优控制第31页当代控制理论应用

比起经典控制理论,当代控制理论考虑问题更全方面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间耦合,系统外部干扰,但符合从简单到复杂规律。当代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。第32页倒立摆稳定控制单级倒立摆稳定控制二级倒立摆稳定控制第33页导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制第34页航天器控制月球车控制卫星控制第35页机器人控制空间机器人控制足球机器人控制第36页第二部分结束第37页

指南车与司南、指南针等相比在指南原理上截然不一样。它车箱里装着非常巧妙而复杂机械。是一个双轮独辕车。它中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。假如车子向左转，右边车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。假如车子向右转，一样地，大平轮则向左转。所以，只要指南车开动以前，先让木头人右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮原理造成。这种齿轮传动类似当代汽车用差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮逆向使用原理。这种指南车，能够说是世界上最早自动化设备。

指南车

指南车是我国古代伟大创造之一，也是世界上最早控制论机械之一。用英国著名科学史教授李约瑟话说，中国古代指南车“能够说是人类历史上迈向控制论机器第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。

第38页

整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼建筑物。最上层板屋内放置着1台浑仪，屋顶板能够自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经含有当代天文观察室雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、汇报时刻、指示时辰等。在木阁后面放置着精度很高两级漏刻和一套机械传动装置，能够说这里是整个水运仪象台“心脏”部分，用漏壶水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。

这台仪器制造水平堪称一绝，充分表达了我国古代人民聪明才智和富于创造精神。水运仪象台

水运仪象台是我国古代一个大型天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观察天象浑仪、演示天象浑象、计量时间漏刻和汇报时刻机械装置于一体综合性观察仪器，实际上是一座小型天文台。第39页

到此为止，瓦特完成了对蒸汽机整套创造过程。经过他一系列重大创造和改进，使蒸汽机效率提升到原来纽科门机3倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部当代蒸汽机——高效率瓦特蒸汽机创造者称号。瓦特JamesWatt

（JamesWatt,1736～1819）英国创造家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰一个小镇格里诺克。1753年他在家钟表店学手艺。15岁学完了《物理学原理》并取得了丰富木工、金属冶炼和加工等工艺技术。1753年他在一家钟表店学手艺。1753年又跟有名机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造难度较高象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。1765年创造了把冷凝过程从汽缸中分离出来分离式冷凝器。冷凝器创造在蒸汽机发展中起了关键性作用。1768年他制成了一台单动作蒸汽机。1781年，他创造了行星式齿轮，将蒸汽机活塞往运动变为旋转运动1782年他创造了大动力“双动作蒸汽机”并取得专利。1784年他创造了平行运动连杆机构，处理了双动作蒸汽机结构问题。1788年他创造了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机运转速度。1790年创造了蒸汽机配套用压力计。第40页

为贝尔电话试验室工程师，在热噪声(Johnson-Nyquistnoise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大贡献。他早期理论性工作：关于确定传输信息需满足带宽要求，在《贝尔系统技术》期刊上发表了《影响电报速度传输速度原因》文章，为以后香农信息论奠定了基础。

1927年，奈奎斯特确定了假如对某一带宽有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率到达一定数值时，依据这些抽样值能够在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率最少应为信号最高频率两倍，这就是著名奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了《电报传输理论一定论题》。

1954年，他从贝尔试验室退休。奈奎斯特

奈奎斯特，美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大贡献。奈奎斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年在耶鲁大学取得物理学博士学位。1917年～1934年在AT&T企业工作，后转入贝尔电话试验室工作。

第41页物理、电学了。他19岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，以后又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，深入深造。

维纳已是一个很有名数学家了，但他对其它学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题尤其引发了他兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单动作中发觉，人是采取了一个叫“反馈”控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经教授进行共同研究，发觉机器和人控制机能有相同之处。以后，维纳又和许多有名科学家进行讨论，听取对方批评意见，甚至是“攻击”意见，终于于1948年把自己研究结果发表了出来，叫《控制论》。维纳

维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4岁开始读书。9岁时读中学，12岁进入大学学习．他数学知识已超出大学一年级学生水平，所以转而热衷于研究化学、信息时代之父控制论之父第42页维纳：控制学科鼻祖1894年11月26日维纳出生在美国密苏里州哥伦比亚市一个犹太人家庭中。他父亲是哈佛大学语言教授。维纳自幼聪慧，1906年（12岁）便进入塔夫兹学院（TuftsUniversity)学习，1909年（15岁）时获数学学士学位。1913年（19岁）以关于数理逻辑论文获哈佛大学博士学位。

第43页维纳：控制学科鼻祖1933年任美国国家科学院院士（39岁），1948年发表了划时代著作《控制论》。

控制论基本含义是：当代自动机器和人都是由感觉装置(器官)、动作装置(器官)、传递信息系统(神经系统)所组成一个系统。自动机器和人都是在接收、处理、传递和存贮信息，并利用信息去完成动作，实现与外界联络。在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测出来，并反馈回去与给定信号相比较。假如比较有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作，直到偏差信号消失为止。第44页维纳：控制学科鼻祖更简单地说：控制论指是感觉和机器方面控制和通讯。控制论就是研究动物（包含人类）、自动机器和有机体控制和通讯理论。

维纳曾在1935年受邀在清华大学担任数学系和电机系教授，他将在清华任客座教授1935年作为创建控制论起点，正是在清华与李郁荣合作研制滤波器时，开始了对控制论研究，实现了从纯数学领域向机电工程和技术科学转变。第45页1955年回国。1955年至1964年任中国科学院力学研究所所长、研究员，国防部第五研究院院长。1965年至1970年任第七机械工业部副部长。1970年至1982年任国防科工委科学技术委员会副主任，中国科协副主席。还历任中国自动化学会第一、二届理事长，中国宇航学会、中国力学学会、中国系统工程学会声誉会长，中科院主席团执行主任、数学物理学部委员。1986年至1991年5月任中国科协第三届全委会主席。1991年5月在中国科协第四次全国代表大会上当选为科协声誉主席。1992年4月被聘为中科院学部主席团声誉主席。1994年6月当选为中国工程院院士。钱学森

钱学森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中国共产党，博士学位。

1929年至1934年在交通大学机械工程系学习。1935年至1939年在美国麻省理工学院航空工程系学习，获硕士学位。1936年至1939年在美国加州理工学院航空与数学系学习，获博士学位。1939年至1943年任美国加州理工学院航空系研究员。1943年至1945年任美国加州理工学院航空系助理教授（其间：1940年至1945年为四川成都航空研究所通信研究员）。1945年至1946年任美国加州理工学院航空系副教授。1946年至1949年任美国麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授。1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。第46页1957年于哥伦比亚大学取得博士学位。在当代控制理论中卡尔曼滤波器，正是源于他博士论文和1960年发表论文《ANewApproachtoLinearFilt