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1、自动控制原理,上海交通大学电信学院自动化系 Email: xpguan,2012年9月,2019/9/22,2,第一章 导 论,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。,自动控制技术与人类进步 Automatic Control & Human Civilization,2019/9/22,3,本章简介,自动控制的发展历史 自动控制的基本概念 自动控制系统的分类 自动控制
2、系统的基本要求,2019/9/22,4,一 自动控制的发展历史,1.前期控制 (Early Control) (1400B.C. - 1900) 2.经典控制前期 (The Pre-classical Period) (1900-1935) 3.经典控制 (Classical Control) (1935-1950) 4.现代控制 (Modern Control) (1950-),2019/9/22,5,1.前期控制(Early Control)(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.)
3、,(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,2019/9/22,6,(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),2019/9/22,7,(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),2019/9/22,8,(6) 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),(7) 法国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On G
4、overnors)论文(1868年),成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的EJRouth与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断,2019/9/22,9,(8) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(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(Great Eastern)(1866年),2019/9/22,10,(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m
5、, 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,2019/9/22,11,2.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935),(1) 美国福特(Ford Motor)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Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analy
6、zer)(1928),V. Bush,2019/9/22,12,(4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927),H. S. Black,2019/9/22,13,(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为： “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”,简单地说：控制论指的是感觉和机器方面的控制和通讯。控制论就是研究动
7、物 （包括人类）、自动机器和有机体的控制和通讯的理论。,2019/9/22,14,维纳：控制科学的鼻祖,1894年，维纳出生在美国密苏里州哥伦比亚市的一个犹太人的家庭中 1906年，进入土夫兹学院学习(12岁) 1909年，获数学学士学位(15岁) 1913年, 关于数理逻辑的论文获哈佛大学博土学位(19岁) 1933年任美国国家科学院院士 1948年，发表了划时代的著作控制论。控制论指的是感觉和机器方面的控制和通讯。控制论就是研究动物 （包括人类）、自动机器和有机体的控制和通讯的理论。 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
8、给定信号相比较。如果比较有偏差，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。,2019/9/22,15,李郁荣（YWLee，1904-1989），广东人，NWiener的首位博士生（1930年），曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为NWiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969），与Shannon一起成为该系最著名的两位学科带头人。其主要工作包括随机通讯（Statistical Communication Theory）和电路理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为MIT最伟大的教育家之一,20
9、19/9/22,16,(6) 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929),2019/9/22,17,3. 经典控制(Classical Control)(1935-1950),(1) 美国贝尔实验室的H. Bode 1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法,(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics
10、)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,N.B. Nichols,N. Wiener,N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory,2019/9/22,18,(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939),
11、H. Hazen,2019/9/22,19,(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937),(7) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948),C. E. Shannon,(6) JVonNeuman（1903-1957）发明首台数字计算机(1946) ，创立Game Theory (1944),2019/9/22,20,(8) MIT Radiation Lab
12、oratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled Data System),(9) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,(10) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bod
13、e的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954),Lan J. Chu,2019/9/22,21,4.现代控制(Modern Control) (1950- ),二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以
14、及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。,2019/9/22,22,(2) 美国R. Bellman在RAND Cooperation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),(1) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),L.S. Pontryagin,2019/9/22,23,(4) 美国MIT的Servome
15、chanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),2019/9/22,24,(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957),Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space,1957. Laika. Sputnik 2,2019/9/22,25,Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not
16、initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.,K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,2019/9/22,26,(6) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation,(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960),R.E. Kalman,2019/9/22,27,(8) 苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星
