第一章自动控制概论

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1、,自动控制原理,河南农业大学 理学院 电子信息科学系 主讲：滕红丽,课时：64学时56学时理论学习，8学时实验 学分：4.0 教材：自动控制原理简明教程(第2版）主编：胡寿松 出版社：科学出版社 授课时间：1-14周,课程安排,第一章 控制系统导论,1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本要求 1.5 自动控制系统的分析与设计工具,理解和掌握负反馈控制原理了解控制系统的组成和分类 能确定控制系统的被控对象、被控量和给定量，掌握根据工作原理图绘制系统方框图的方法 掌握对控制系统的基本要求,自动控制：,1. 自动控制技术及应用,在

2、无人直接参与的情况下，利用外加的控制装置，使机械、设备或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,自动控制系统： 将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。,1.1 自动控制的基本原理,动画1,动画2,在无人直接参与的情况下，利用外加的控制装置，使机械、设备或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,谈到自动控制，同学们能想起那些控制应用的实例呢？,日本Honda公司推出经过改进的机器人“ASIM”。这种能用双腿直立的机器人相当聪明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的时候会主动向人打招呼，

3、并能和主人流利地对话。,世界最先进的梦幻机器人组合来自日本SONY公司的7位双足娱乐型机器人“QRIO”。这7位机器人身高60厘米，体重7公斤。虽然身材不那么高大，但却举世闻名。其中四位歌舞表演堪称一绝。 下面是其中四个“舞者”来北京演出时的场面：,伺服机器人，是一种以机械位置或角度作为控制对象的机器人。,2003年9月16日，Sony公司在日本东京推出最新型的爱宝机器狗。 生产厂商称，这款型号为ERS7的爱宝机器狗体现了智能宠物发展的先进水平。,水下机器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机

4、械手，进行水下作业。,自动控制技术还体现在交通运输中，大量的飞机地铁等交通工具中都大量采用。,2003年6月10日，勇气号发射成功；同月25日，机遇号发射成功。2004年美国东部标准时间1月3日和24日火星车分别登上火星。上面采用了大量先进的智能控制技术。,2. 自动控制理论发展简史,经典控制理论 ( 19世纪初 )时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,2.自动控制理论的发展史,

5、起源,相对论、量子力学以及控制论被认为是20世纪的三项伟大科学成就。 1948年美国科学家维纳发表专著提出了控制论（Cybernetics）。 1954年，钱学森在美国出版工程控制论（Engineering cybernetics），把控制论发展为一门技术科学工程控制论，成为推动控制论科学思想的代表人物之一。,发展三阶段,30年代， 波德和奈奎斯特， 频率特性法，经典控制理论， 研究单因素控制系统， 反馈控制，自动调节器 60年代，贝尔曼和卡尔曼，状态空间法为代表，现代控制理论，研究多因素控制系统，重点是最有控制，核心是电子计算机 大系统理论，研究对象众多因素的大系统，重点是递解控制，核心智能

6、化机器 控制理论的研究对象是“控制系统”， 以数学方法为工具，以工程技术为支持（背景），控制理论是一门专业性，工程性的技术科学。,自动控制的起源于病人,在二十世纪三十年代，美国的哈佛医学院，有位教授若荪布鲁斯(Rosen blueth)每月召集一个谈话会。 地点：在万德柏厅(Vanderbilt Hall)，先聚餐，随后是聚谈。 出席人：以医生为最多，可是并不限于医生。饭后，由其中的一个人，或邀请一个人，讲一段心得。思想可以是半生不熟，体裁可以是未经裁剪，也许有时是过分自信， 也许有时是过分夸张，当然最谈不到的是谨严。 有些参加的人，不能忍受，来一回就不再来了。不过大多数的人，以为这个会很有价

7、值。因为参加的人并不是仅仅是医生或医学家，还有物理学家、生物学家。麻省理工学院距离很近，那里的教授也来了好多人。其中一个人是温纳(Nobert Wiener)。,自动控制的起源（续）,这个由各个方面专门学问中走来的科学家们，是没有共同语言可谈的。 但为什么越谈越有兴趣呢？ 他们究竟谈些什么大家全能欣赏的题目呢？ 又有什么题目可以引出个人有价值的言论，可以提起团体的兴趣呢？ 他们所根据的是每个人专门的学问。而所谈的，是使大家能领悟的，是根据个人的观点所了解的科学方法。,生物学家的术语，数学家不会理解，但生物学家所用的方法，数学家可能领悟；物理学家的语言，医生不会明了， 可是物理学家所用的方法，医

8、生却有了然的可能。这个谈话会是三十六行，但话题却集中在科学方法上， 所以可以说是科学方法谈话会。,自动控制的起源（续）,自从莱布尼兹(Leibniz)而后，世界上再没有统摄整个科学领域的通才。 到了十九世纪，几位大的科学家，也只是称雄一面。十九世纪没有出莱布尼兹，而只有出高斯(Gauss)，法拉第(Faraday)，达尔文(Darwin)这类大人物，我们把他们名为数学家、 物理学家、生物学家等。 可是到了二十世纪，配称数学家的也不见了，对于一位专门的大家，在称呼时必加以限制，如拓扑学的数学家；或光学的物理学家等。,自动控制的起源（续）,Leibniz(1646-1716)最主要的貢獻則是把微分

9、與積分的技巧整理得很清楚，包括微分的四則定理亦即函數的四則運算與微分運算的交換法則；也包括了積分的分部積分技巧它是經由微積分基本定理導得的。 微積分經過一段時期的醞釀，終於在 Newton 與 Leibniz 兩人的手中，成為有系統的學門，所以簡單的說法就認定他們兩人是微積分的發明者。,自动控制的起源（续）,这种过度的分工，是不得不然的，是越演越烈的。由一行分成三十六行，由三十六行分成三百六十行，由三百六十行，分成三千六百行，二十世纪的科学家，不下三万六千行了。这种局面的形成，产生了两个副作用， 第一、是行与行间形成了许多无人管的地带； 第二、甲行所研究出的程序、方法、 或设备，可能对乙行有极

10、大的效用，但乙行常无从利用起，依然是从头开始。 哈佛医学院的谈话会，正是在这种气候下产生的。 而就由这个会中产生了自动控制的基本观念。,医生作了报告：有一种病人，坐在椅子上，与健康的人毫无差别。但你如果给他一支香烟， 他伸手接烟时，总对不准香烟的位置，不是左摇就是右偏，他的手变成摇来摇去的运动，而始终接不到香烟。 这位病人的肌肉是强壮的，身体是健康的。但是却不能有系统的组织他的动作。,第一道源泉反馈的观念,谈论的启发,这个现象很像一个舵手把舵时，把船身形成了左右摆动一样。人所以不能接一支香烟，是因为人的动作是受制于一种信号， 而这个信号的大小却为正在进行中的反应所左右。换句话说，一个原因产生一

11、个相应的结果， 而这个结果又成为一个新的原因刺激到原来的系统上。把随时所产生的效果变成了原因的一部分。 如果把原因结果的相互关系图解出来，如左图,比如福特(Ford)当年以独特的眼光，给工人加薪，那时，他曾辩论说，给工人加薪似乎是成本高，但工人又买汽车坐， 汽车销路就大了，汽车的销路一大，成本就减低了。他这套理论很像反馈的观念的利用,谈论的启发,美国数学家诺伯特.维纳(Norbert Wiener, 1894-1964), 1948年,把这门学问铸了一个备用的字Cybernetics.确这个字是源于希腊，意思是舵手。 安培曾把这个字当作政府管理学。 马克士威尔有一篇文章专说控速器，这个字Gov

12、ernor是源于拉丁。不论是希腊字，还是拉丁字。 有人用在操纵的意义上，有人用在舵向的意义上，有人用在管理的意义上，有人用在限制的意义上。 于是这个意义贯穿了物理、数学、生物、 经济以及政治等。我们把这门学问模糊的译出意义来，是控制论。,自动控制的起源（续）,控制论发源是否起清华园,国内学界存在一种观点，即控制论思想的酝酿始于清华园，其论据是，控制论的创始人维纳在其自传中说过 “宁愿选择1935年中国之行作为创立控制论的起点”.,出版发行,美国数学家诺伯特.维纳(Norbert Wiener, 1984-1964), 1948年, 出版控制论 此书的副标题是“动物和机器中的控制和通信”。,控制

13、论的创立是多学科和多位学者共同推进的结果，与二战的背景，美国当时的技术条件、各门相关的科学理论的成熟与交融密切相关.,扭转一个学科的命运,但维纳的控制论发表后，在哲学界曾引起轩然大波。此书的副标题是“动物和机器中的控制和通信”。人也是动物，把人和机器并列，甚至等同起来，有亵渎人类尊严之嫌，所以惹怒了不少哲学家。 前苏联的哲学界首先发起攻击，称控制论是一种反动的伪科学，是现代机械论的一种新形式。还有更严重的批评说，控制论是为帝国主义服务的战争工具等。这位科学家在前苏联和东欧被视为反动的伪科学家和帝国主义的帮凶。,钱学森-扭转一个学科的命运,1954年，钱学森在美国出版工程控制论（Engineer

14、ing cybernetics），把控制论发展为一门技术科学工程控制论，成为推动控制论科学思想的代表人物之一。 工程控制论第一版是英文版，于1954年在美国出版。当时钱学森在加州理工学院担任教授，也是喷气推进实验室（JPL，如书中扉页所写，当时称为“Jet Propulsion Center”）的负责人。那段时期钱学森在美国受到迫害，被迫离开了国防尖端技术的研究，受困达5年之久。在困境中，他转向了工程控制论的研究，并出版了此书。中文版是在1958 年出版的.,工程控制论出版,1954 年工程控制论出版，并迅速地被译成德、俄、中文版。书中系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子、通信等科学技

15、术的意义和深远影响，写的全是技术科学，并未触及到人类这种动物的尊严。包括前苏联在内的世界各国科学界立即接受了这一新学科，从而吸引了大批数学家、工程技术学家从事控制论的研究，推动了五六十年代该学科发展的高潮。 在这种形势下，原持批判态度的哲学家们只好放下武器，悄悄修改了各辞书中的词条，肯定控制论是一门“研究信息和控制一般规律的新兴科学”。,影响许多人改变专业,戴汝为院士便是其中之一。戴院士是在1951 年考入清华大学的数学系，经过1952年的院系调整，于1955年在北大的数学力学系毕业，毕业之后被分配到了力学所。所里给每个大学生安排一个导师，由于戴院士要整理工程控制论的笔记，所以就跟着钱老。正因

16、为当时做的一系列与工程控制论相关的工作，戴院士后来就进了自动化所，直到现在。许多人认识戴院士，也是因为工程控制论中文译本的出版。西北工业大学校长戴冠中教授和总装部科学技术委员会主任、前国防科技大学校长郭桂蓉中将，也都是受了工程控制论的影响，改变了他们最初的专业。,控制论与自动控制理论,控制论是20世纪中期的科学进步、技术进步和社会进步的结果，它是在哲学，数学，生物科学，技术科学，社会科学基础上产生 控制论是一般的控制理论，控制论的原理和方法被运用于工程技术领域形成的工程控制论，通常被理解为自动控制理论。 控制理论通常指自动控制理论，控制理论既可以指控制论以前的伺服机构理论，也可以指控制论以后的工程控制论。,