工程基础及控制 9

第一章绪论Lecture1什么是控制？开环与闭环控制系统控制系统的分类为何要进行控制？自动控制简史现代控制系统实例身边的控制系统设计实例04August2026Whatwewilllearntoday?20f40系统:

由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体自动控制:

在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能自动控制系统:

在控制过程中不需要人的直接参与，由控制器实现控制的系统04August2026什么是控制?30f40经典控制理论:

以传递函数为基础，研究单输入－单输出控制系统的分析与设计现代控制理论:

以状态空间法为基础，研究多输入－多输出、时变、非线性等控制系统的分析和设计智能控制理论:

以人工智能理论为基础，研究具有模糊性、不确定性、不完全性、偶然性的系统04August2026什么是控制?40f40开环控制系统

系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）没有影响，即被控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用。04August202650f40闭环控制系统输出量通过适当的测量装置将测量信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。04August2026“检测误差，用以纠正误差”60f40按信号传递路径分类开环控制系统闭环控制系统按给定量的变化规律分类恒值控制系统随动系统程序控制系统04August2026控制系统的分类70f40按系统内部的信号类型连续系统离散系统按系统的元部件特性分类线性系统非线性系统04August2026控制系统的分类80f40按输入和输出的数目分类单输入－单输出系统多输入－多输出系统按参数的性质分类集中参数系统分布参数系统04August2026控制系统的分类90f40为了高效、有效地实现系统目标提高生产力提高设备或系统的性能04August2026为何要进行控制?100f40自动控制简史最早的反馈控制出现在公元前300-1年的古希腊，运用在一种改进的浮球调节器装置上。04August2026110f40现代欧洲的第一个反馈系统是荷兰人康奈利斯·德雷布尔(Cornelis

Drebbel，1572-1633)发明的温度调节器。04August2026自动控制简史120f401681年，丹尼斯·帕平(DennisPapin,1647-1712)发明了第一台用于蒸汽锅炉的压力调节器，这是一种与压力锅安全阀相似的调节器。04August2026自动控制简史130f4018世纪，瓦特(JamesWatt)的蒸汽机离心调速器被公认是第一台应用在工业生产中的自动反馈控制器，这是将自动控制技术应用到工业中的最早代表。它是在1769年为了控制蒸汽机速度改良而来的。04August2026自动控制简史140f401765年,俄国声称发明了历史上第一套反馈系统，即波尔祖诺夫(I.Polzunov)发明的浮球水位控制器。浮球探测到水面的高度值，并用来控制锅炉内进水阀门的开度。04August2026自动控制简史150f401868年麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879）利用调节器的微分方程模型建立了与控制理论相关的数学理论，重点研究了系统参数对系统性能的影响，麦克斯韦的工作开创了控制理论研究的先河1877年E.J.Routh给出了分析系统稳定性的准则

1893年Lyapunov研究了运动的稳定性04August2026自动控制简史160f401903年，莱特(Wright)兄弟实现了控制飞行04August2026自动控制简史170f401910年，斯佩里(Sperry)研究了陀螺仪和自动驾驶仪1927年，布莱克(Black)提出了反馈式电子放大器1932年，奈奎斯特(Nyquist)提出了一种频域稳定性判据1938年，Bode提出了频率响应方法Ziegler-Nichols开发了一种PID整定方法，Wiener在1942年开发了最优滤波器设计04August2026自动控制简史180f401948年，埃文斯(Evans)提出了根轨迹法1954年，美国人乔治·德沃尔(GeorgeDevol)制造出世界上第一台可编程的机器人1956年，庞特里亚金(Pontryagin)提出了最大值原理1957年，贝尔曼(Bellman)提出了动态规划1960年，Kalman提出了最优估计04August2026自动控制简史190f40第一个Unimate机器人于1960年问世。Unimate安装于1961年，用于维护压铸机。04August2026自动控制简史200f40状态变量法和最优控制在1970-1980年得到了进一步的发展1980-1990年出现了鲁棒与非线性控制1990-2000年出现了切换控制、混合控制和凸优化控制自1994年开始，反馈控制在汽车上得到了广泛的应用，制造业对可靠、鲁棒的系统提出了更高的要求04August2026自动控制简史210f40有史以来第一辆自主漫游车，被称为旅居者，在1997年成功探索火星表面。第二次登陆于2004年1月3日。04August2026探路者飞船于1996年12月4日发射升空旅居者自动控制简史220f40现代控制系统实例汽车转向控制系统04August2026230f40调节罐内液体的液位04August2026操作员将实际液位与所需液位进行比较，然后打开或关闭阀门，调整液体流出量，以保持所需液位。现代控制系统实例240f40三轴控制系统04August2026该系统使用特定的电机分别将每个轴驱动到x-y-z轴上的所需位置。目标是在每个轴上实现平滑、精确的运动。现代控制系统实例250f40锅炉-发电机协调控制系统04August2026现代控制系统实例260f4004August2026身边的控制系统热轧带钢轧机270f4004August2026装配机器人身边的控制系统280f4004August2026喷漆机器人机械手在盒子里摆放巧克力身边的控制系统290f4004August2026微型机器人工具缝合病人机械除草身边的控制系统300f4004August2026自主轮椅导航系统世界上第一个仿生手臂身边的控制系统310f4004August2026足球机器人：索尼腿机器人联盟索尼爱宝机器狗身边的控制系统320f4004August2026本田仿人机器人机器狗身边的控制系统330f40Step1：目标是设计一个转台转速控制系统Step2：希望控制的变量是转台的转速Step3：性能指标是确保实际转速在所期望转速的指定百分比内04August2026设计实例：转台转速控制340f40Step4a：开环系统配置04August2026设计实例：转台转速控制350f40Step4b：反馈系统配置04August2026设计实例：转台转速控制360f4004August2026设计实例：磁盘驱动器读取系统370f40Step1：目标是定位读写磁头，以便读取存储在磁盘磁道上的数据Step2：要求控制的变量是读写磁头的