1、控制工程基礎第一章9/19/2022北京科技大學信息工程學院自動化系1第1頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四主要參考書1、胡壽松.自動控制原理簡明教程(第一版），北京：科學出版社，20032、劉豹.現代控制理論（第三版），北京：機械工業出版社，20063、吳麒.自動控制原理上,下冊（第二版），北京：清華大學出版社，20064、田作華.工程控制基礎，北京：清華大學出版社，20075、Benjamin C.Kuo.自動控制系統(第8版-影印版)，北京：高等教育出版社，2003第2頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四課時安排講授 48學時；實驗 6學時。綜合

2、考核要求考試試卷占總成績70%；平時成績占總成績30%。 平時成績包括：作業、出勤率和實驗、期中考試。第3頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四答疑時間：第四周開始每周三下午 4：006：00答疑地點：自動化系系辦（信息樓726）課程答疑第4頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四1、緒論引子-信息論、控制論與系統論1.1 課程介紹1.2 控制系統的基本概念1.3 控制系統的組成和基本環節1.4 自動控制系統的分類1.5 自動控制系統基本要求1.6 自動控制理論與技術的產生與發展小結第5頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四本章學習要點了解“

3、三論”在信息學科的地位；了解自動控制的起源和發展；了解閉環控制系統的組成和基本環節；了解反饋控制的工作原理；掌握反饋控制系統的基本要求；學會分析自動控制系統的類型及本質特征。第6頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四物質、能量、信息人類社會生存和發展的三大要素物質（質量、結構）物質守恒：物質不會創生，也不會消失，只會從一個種形態轉換成另一種形態（釋放能量）。 能量（能源、轉換）危機？信息（機制）無限復制與傳播？沒有物質，什么也不存在；沒有能源，什么也不會發生；沒有信息，任何事物都沒有意義。（美國哈佛大學）農業社會（手工）工業社會（機械，能量轉換）信息社會（獲取、處理、利用知識

4、、智能）第7頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四科學技術發展歷程第8頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四人類社會進步農業社會工業社會信息社會人力工具 - 鐮刀 - 鋤頭 動力工具 - 機車 - 機床信息工具-計算機-網絡 第9頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四信息學科解決問題的框架第10頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四信息論控制論系統論信息科學與技術信息科學（Information Science）一門新興的跨多學科的科學，信息時代的必然產物。以信息為主要研究對象：認識信息（信息論）為基礎，以利用信息（控制論

5、和系統論）為目的。信息科學的研究內容闡明信息的概念和本質(哲學信息論)；探討信息的度量和變換(基本信息論)；研究信息的提取方法(識別信息論)；澄清信息的傳遞規律(通信理論)；探明信息的處理機制(智能理論)；探究信息的再生理論(決策理論)；闡明信息的調節原則(控制理論)；完善信息的組織理論(系統理論)。擴展人類的信息器官功能，提高人類對信息的接收和處理的能力，實質上就是擴展和增強人們認識世界和改造世界的能力。這既是信息科學的出發點，也是它的最終歸宿。 第11頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四信息信息作為科學概念被確定下來，是信息論的主要創始人C.E.香農的貢獻。香農認為，信

6、息是“用來消除未來的某種不定性的東西”。信息是通信的內容。通信的直接目的就是要消除接受端（信宿）對于發出端（信源）可能會發出那些消息的不確定性。控制論的創始人N.維納認為，信息是人們在適應客觀世界的過程中與客觀世界進行交換的內容的名稱。在這里，維納把人與外界環境交換信息的過程看成是一種廣義的通信過程。信息是人與外部世界的中介。信息并非指事物本身，而是指用來表現事物特征的一種普遍形式。我國著名的信息學專家鐘義信教授認為：信息是事物存在方式或運動狀態，以及這種方式或狀態直接或間接的表述。根據近年來人們對信息的研究成果，科學的信息的概念應該概括如下：信息是客觀世界中各種事物的運動和變化的反映，是客觀

7、事物之間相互聯系和相互作用的表征，表現的是客觀事物運動和變化的實質內容。第12頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四信息論 information theory信息科學是在信息論基礎上發展起來的。20世紀40年代，香農Shannon（貝爾實驗室、MIT）完成了“通訊的數學理論”的研究，奠定了信息論的基礎。信息熵-度量信息。香農提出通訊系統的模型，定義了信源（信息的源泉、發信者）、信道（信息傳輸通道）和信宿（信息的歸宿、收信者）。該模型科學地模擬了通訊系統的結構和功能。 噪聲干擾信源信宿譯碼信道編碼通信系統的模型第13頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四系統

8、論 Systematology 系統論的主要創立者是貝特郎菲（美籍奧地利生物學家），他于1945年發表了關于一般系統論的論文，宣告了這門學科的誕生。由生物學逐步擴大到工程、社會各方面, 形成“ 一般系統論” 。要素結構系統功能環境構成了系統五位一體的關系。系統諸要素相互聯系相互作用的內在組織形式或內部秩序叫做系統的結構；與此相對應，關于系統與環境相互聯系相互作用的外在活動形式或外部秩序，則稱之為系統的功能。而信息是系統秩序的保證。系統是由兩個或兩個以上相互區別并相互聯系的要素，為了達到一定目的，以一定方式結合起來而形成的整體。第14頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四系統論

9、系統論認為世界上一切事物、現象和過程幾乎都是有機整體，且又都自成系統、互為系統每個系統都是在與環境發生物質、能量、信息的交換中變化發展，并能保持動態穩定的開放系統系統內部及系統之間保持一種有序狀態系統具有三個基本的組成部分：輸入；加工；輸出。任何一個系統都是為了完成某一特定目標而構造的。第15頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四系統的分類錢學森分類第16頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四系統科學的核心內容系統的6大特性。一個系統同時具備6個特性：組成性、層次性、邊界性、相關性、目的性、整體性。系統論的5個基本規律。即結構功能相關規律、信息反饋規律、競爭

10、協同規律、漲落有序規律和優化演化規律。系統論的8個原理。這八大原理分別用來說明系統的整體性、層次性、開放性、目的性、突變性、穩定性、組織性和相似性的特點。系統論的重要觀念。系統論的觀念體現在系統的特性、系統論的基本規律和原理之中。第17頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制論 Cybernetics維納發表了控制論，用統一的觀點討論了人、動物和機器的通訊和控制活動，標志著控制論學科的誕生。所謂控制，是指施控主體對受控客體的一種能動作用?？刂谱鳛橐环N作用，至少要有作用者與被作用者以及作用的傳遞者這樣三個因素。這三個組成部分組成一個整體，相對于某種環境而言，具有控制的功能，這

11、就被稱為控制系統。錢學森于1954年出版了工程控制論，是控制論進入了應用領域。 第18頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制論控制論是在信息反饋理論的基礎上建立起來的?？刂频暮诵母拍钍欠答? 反饋的內涵是指信息從授者到受者經過處理返回給授者的過程。控制機制正是依靠信息，具體地說是依靠信息反饋來達到控制目的。反饋閉環控制是自動控制最基本、最常用的形式,而系統是指相互關聯、互相制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。系統的性能主要取決于系統中各部分或各子系統間的配合與協調。對整個系統的控制不能簡單地看作各部分或各子系統的控制,而必須是在綜合考慮部分或子系統的控制

12、及相互間的作用以及整個系統的更高層次的控制,這便是系統的觀念和方法。第19頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四反饋控制原理一個例子淋浴水溫控制過程：開水試溫調節試溫合適停止調節比較控制動作閥門期望溫度出水溫度第20頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四反饋控制原理第21頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四反饋控制原理第22頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四課程介紹控制工程基礎是一門技術學科，研究控制系統的建立、分析與設計； 是本學科的技術基礎課。自動控制是人類在認識世界和發明創新的過程中發展起來的一門重要的科學技術

13、。依靠它，人類可以從笨重、重復性的勞動中解放出來，從事更富創造性的工作。自動化技術是當代發展迅速，應用廣泛，最引人矚目的高技術之一，是推動新的技術革命和新的產業革命的關鍵技術。第23頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四課程介紹過程控制電機與拖動線性代數微積分控制理論自動控制原理現代控制理論計算機技術通訊技術積分變換復變函數第24頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理系統由內部互相聯系的部件按照一定規律組成，能夠完成一定功能的有機整體?？刂剖鼓承┪锢砹堪粗付ǖ囊幝勺兓?包括保持恒定)，以保證生產的安全性，經濟性及產品質量等要求的技術手

14、段。自動控制在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規律變化。例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制。自動控制系統為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。一般由控制器，控制對象，測量元件等組成。第25頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理12擾動量給定量輸出量 1 - 控制器(調壓器) 2 - 被控對象(電阻爐)圖中：溫度控制系統 性能指標 工作過程第26頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動作用不大

15、?？刂葡到y的基本概念和原理開環控制：只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。開環控制特點結構簡單、維護容易、成本低、不存在穩定性問題輸入控制輸出輸出不參與控制系統沒有抗干擾能力第27頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理溫度閉環控制系統220V12uc從受控對象（電加熱爐）獲取輸出量（實際爐溫），并回送到輸入端（即反饋），與輸入量（給定爐溫）進行比較產生偏差信號（溫度差），利用偏差信號經過控制器（手臂）產生控制量（電阻絲兩端的電壓），從而跟蹤輸入量，減小誤差。第28頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本

16、概念和原理自動閉環控制：該系統中，爐溫通過熱電耦測量，并將溫度值轉換為一個電壓值Uf。給定爐溫通過一個電位器的電壓值Ug反映。通過Ug與Uf的反向串接，就可以實現人腦中的比較算法UgUf U。U的大小反映了實測爐溫與給定爐溫的差別，而且它的正負決定了執行機構電機的轉向。執行電機代替了人的手臂。第29頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理閉環控制結構圖 1控制器 2執行機構 3控制對象 4檢測裝置 反饋工作原理：發現偏差消除偏差。第30頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理 反饋控制把輸出量的一部分檢測出來,反饋

17、到輸入端,與給定信號進行比較，產生偏差,此偏差經過控制器產生控制作用,使輸出量按照要求的規律變化；反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為正反饋。 反饋控制特點輸入控制輸出，輸出參與控制檢測偏差、糾正偏差具有抗干擾能力結構復雜第31頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的基本概念和原理閉環控制系統的自動控制或者自動調節作用是基于輸出信號的負反饋作用而產生的，所以經典控制理論的主要研究對象是負反饋的閉環控制系統，研究目的是得到它的一般規律，從而可以設計出符合設計要求的，滿足實際需要的，性能指標優良的控制系統。第32頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期

18、四控制系統的組成和基本環節 1給定環節；2比較環節；3校正環節；4放大環節；5執行機構；6被控對象；7檢測裝置1.閉環控制系統的結構及基本環節設定被控制量的給定值的裝置將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量，多用差動放大器實現負反饋一般由傳動裝置和調節機構組成。執行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值要進行控制的設備或過程控制系統所控制的物理量（被控量） 檢測被控制量，并將其轉換為與給定量相同的物理量用來實現調節作用，如放大、整流，也稱為調節器或調節環節第33頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四220V12uc開環控制閉環控制第34頁，共83

19、頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四(1) 被控對象(2) 被控量或輸出量(3) 控制量(4) 設定量或輸入量(5) 擾動量(6) 反饋量(7) 偏差量(8) 前向通道或正向通道(9) 反饋通道或反向通道(10) 理想輸出(11) 實際輸出(12)檢測量第35頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制系統的組成和基本環節(1) 被控對象(2) 被控量或輸出量(3) 控制量(4) 設定量或輸入量(5) 擾動量(6) 反饋量2.閉環控制系統中的基本術語(7) 偏差量(8) 前向通道或正向通道(9) 反饋通道或反向通道(10) 理想輸出(11) 實際輸出(12)檢測量第3

20、6頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制系統的分類1.按照主要元件的特性方程的輸入輸出特征劃分線性系統：由線性元件組成的系統，主要特征是滿足疊加原理和齊次定理，即當系統在輸入信號u1(t)的作用下產生系統的輸出y1(t)，當系統在輸入信號u2(t)的作用下產生系統的輸出y2(t)。如果系統的輸入信號為au1(t)+bu2(t)時，系統的輸出滿足ay1(t)+by2(t)，系數a,b可以是常數，也可以是時變參數。非線性系統：由非線性元件組成的系統，不滿足疊加原理和齊次定理。第37頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制系統的分類2.按照信號傳遞方

21、式劃分連續控制系統：系統各部分的信號都是時間的連續函數。 離散控制系統：系統的一處或幾處信號是以脈沖系列或數碼的形式傳遞。 3.按照輸入量的變化規律劃分恒值系統：給定量是恒定不變的。隨動系統：給定量是按照事先未知的時間函數變化的。 程序控制系統：給定量按照一定的時間函數變化。第38頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制系統的分類4. 按照端口關系劃分SISO系統MIMO系統第39頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制系統基本要求1. 對自動控制系統基本要求穩定性（穩）、快速性（快）、準確性（準）“穩”是指系統的穩定性。 穩定性 是保證控制系統

22、正常工作的先決條件。線性控制系統的穩定性由系統本身的結構與參數所決定的，與外部條件和初始狀態無關?！翱臁笔钦f明系統動態（過渡過程）品質。 系統的過渡過程產生的原因 ： 系統中儲能元件的能量不可能突變?！皽省笔钦f明系統的靜態品質。 表明了系統的精確性和準確性。第40頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四2. 穩態性能指標穩態誤差：當系統從一個穩態過渡到新的穩態，或系統受擾動作用又重新平衡后，系統可能會出現偏差，這種偏差稱為穩態誤差。系統穩態誤差的大小反映了系統的穩態精度，它表明了系統控制的準確程度。穩態誤差越小，則系統的穩態精度越高。 自動控制系統基本要求第41頁，共83頁，2

23、022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制系統基本要求有差系統（圖a）：若穩態誤差不為零，則系統稱為有差系統。 無差系統（圖b）：若穩態誤差為零，則系統稱為無差系統。第42頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展自動控制理論的發展大致經歷了以下幾個過程：一、 萌芽階段：如果要追朔自動控制技術的發展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽。2.公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我國發明的水運儀象臺， 就是一種閉環自動調節系 統。水運儀象臺1. 兩千年前我國發明的 指南車，就是一種開 環自動調節系 統。指南車第43頁，共83頁，20

24、22年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展二、 起步階段 隨著科學技術與工業生產的發展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現代工業中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發明的蒸汽機離心調速器，加速了第一次工業革命的步伐。第44頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展 1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）針對高階微分方程描述的更復雜的系統,各自提出了兩個著名的穩定性判據勞斯判據和赫爾維茨判據?；旧蠞M足了二十世紀初期控制工程師的需要。 赫爾維茨（Hurwitz）第45頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40

25、分，星期四自動控制技術的產生與發展美國福特(Ford Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)美國N. Minorsky（米諾爾斯基）研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)美國MIT（麻省理工學院 ，美國一所私立高等學校，一譯馬薩諸塞理工學院。）的Vannevar Bush（范內瓦布什）研制成第一臺大型模擬計算機(Differential Analyzer)(1928)第46頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展美國H.S. Black（布萊克）提出放大器性能的負反饋方法(Negative Feedback Amp

26、lifier) (1927)H. S. Black第47頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展 由于第二次世界大戰需要控制系統具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內研究系統的頻率響應法，為具有高質量的動態品質和靜態準確度的軍用控制系統提供了所需的分析工具。 奈奎斯特三、 經典控制理論階段第48頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展 1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復數域內研究系統的根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應法和伊萬斯的根軌跡法基礎上的理論，稱為經典（古

27、典）控制理論（或自動控制原理）。第49頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展美國貝爾實驗室的H. Bode(1938)。美國Taylor儀器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID參數的最佳調整法(1942)美國MIT的N. Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。N.B. NicholsN. WienerN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (l

28、eft) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory第50頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展 1947年控制論的奠基人美國數學家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產業革命聯系起來，并于1948年出版了控制論關于在動物和機器中控制與通訊的科學，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學科奠定了基礎?？刂普撝疙f納標志性的成果第51頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發

29、展自動控制的基礎為閉環控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener 給出的定義為：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 閉環控制系統的結構框圖：第52頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展我國著名科學家錢學森將控制理論應用于工程實踐，并于1954年出版了工程控制論。錢學森第53頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展四、現代控制理論階段 二次世界大戰中火炮

30、、雷達、飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。五十年代后興起的現代控制起源于冷戰時期的軍備競賽，如導彈(發射、操縱、制導及跟蹤)、衛星、航天器和星球大戰，以及計算機技術的出現(英國科學家A.J.G. MacFarlane麥克法蘭 )。第54頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展美國R. Bellman（貝爾曼）在RAND Corporation（蘭德公司）數學部的支持下，發表著名的Dynamic Programming（動態規劃），建立最優控制的基礎(1957)蘇聯L.S. Pontryagin（龐特里亞金）發表“最優過程數學理論”，提出

31、極大值原理(Maximum Principle) (1956)L.S. Pontryagin第55頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展美籍匈牙利人R. E. Kalman發表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態空間法分析系統，提出能控性、能觀測性、最佳調節器和kalman 濾波等概念，奠定了現代控制理論的基礎(1960)R.E. Kalman國際自動控制聯合會(IFAC)成立(1957)，中國為發起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開(1960)第56頁，共83頁，2022年，5月20日，

32、0點40分，星期四1963年, 美國的Lofti Zadeh與C. Desoer（戴索爾）發表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念美國的E.I. Jury （朱利）發表“數字控制系統” (Sampled-Data Control System) ，建立了數字控制及數字信號處理的基礎(1958) 自動控制技術的產生與發展第57頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制技術的產生與發展瑞典Karl J. Astrom（奧斯特隆姆）提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統參數估計問題和定階方

33、法(1967)，六年后，提出了自啟調節器，建立自適應控制的基礎。Astrom于1993年獲得IEEE Medal of Honor。英國H.H Rosenbrock（羅森布羅克） 發表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham（旺納姆） 發表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach(1974) 。第58頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四美國R. Brockett（布洛克特）提出用微分幾何研究非線性控制系統(1976)，意大利A. Isidori

34、（伊西多）出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。A. IsidoriR. Brockett自動控制技術的產生與發展第59頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四 加拿大G. Zames（詹姆斯）提出H魯棒控制設計方法(1981年)Gorge Zames自動控制技術的產生與發展美國A. Bryson （布萊森）和Y.C Ho（何毓琦） 發表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao（曹希仁）等提出離散事件系統理論(1983)A. BrysonYu C. Ho第60頁，共83頁，2022年，5月20

35、日，0點40分，星期四中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題(1986)自動控制技術的產生與發展第61頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四IEEE Control Systems Award 獲得者。自動控制技術的產生與發展第62頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四控制技術的應用軍事領域 民用領域控制理論研究問題討論控制系統的一般規律分析設計合理的自動控制系統綜合第63頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四數學工具： 經典控制理論 研究對象： 頻率分析法 圖表根軌跡分析法 分析時域分析法（傳遞函

36、數） SISO系統現代控制理論研究對象： MIMO系統 非線性系統 數學工具： 狀態空間法智能控制理論研究對象： 大系統 復雜系統數學工具： 推理決策第64頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四課程主要內容-古典部分第65頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四自動控制的基本概念開環控制與閉環控制負反饋的閉環控制系統的工作原理專用術語及控制系統的組成小 結自動控制系統的性能指標要求第66頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四1. 開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大

37、時，采用開環控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則應采用閉環控制。2. 閉環控制系統具有反饋環節，它能依靠反饋環節進行自動調節，以克服擾動對系統的影響。閉環控制極大地提高了系統的精度。但是閉環使系統的穩定性變差，需要重視并加以解決。第67頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四3.自動控制系統通常由給定環節、檢測環節、比較環節、放大元件、被控對象、和反饋環節等部件組成。系統的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。 4.結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統各環節（或各部件）間因果關系，可以表達各種作用量和中間變量的作用點和信號傳

38、遞情況以及它們對輸出量的影響。第68頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四5.在不同輸入量作用下，對系統的輸出量的要求，揭示出反饋控制系統的本質特征：輸出跟隨輸入。 6.對自動控制系統的性能指標要求有： 穩定性系統能工作的首要條件； 快速性用系統在暫態過程中的響應速度和被控量的波動程度描述； 準確性用穩態誤差來衡量。 第69頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四指南車 指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復雜的機械。是一種雙輪獨轅車。它的中央有一個大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉，

39、右邊的車輪就會帶動小齒輪，小齒輪再帶動大平輪，使大平輪相反地向右轉。如果車子向右轉，同樣地，大平輪則向左轉。因此，只要指南車開動以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉還是向右轉，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動類似現代汽車用的差動齒輪，相當于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動化設備。 指南車是我國古代偉大的發明之一，也是世界上最早的控制論機械之一。用英國著名科學史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機器的第一步”，是人類“第一架體內穩定機”。第70頁，共83頁，2022年，5月20日

40、，0點40分，星期四指南車傳說中的制造者：風后 考證中的制造者：三國時期（曹魏）馬鈞指南車第71頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四水運儀象臺 整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內放置著1臺渾儀， 屋的頂板可以自由開啟，平時關閉屋頂，以防雨淋，這已經具有現代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內均安排了若干個木人，5層共有162個木人，它們各司其職：每到一定的時刻，就會有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報告時刻、指示時辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機械傳動裝置，可以說這里

41、是整個水運儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機輪，驅動傳動裝置，渾儀、渾象和報時裝置便會按部就班地動作起來。 這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現了我國古代人民的聰明才智和富于創造的精神。 水運儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學家蘇頌等人創建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。 第72頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四水運儀象臺水運儀象臺北宋時代把渾儀、渾象和報時裝置結合在一起的大型天文儀器，是蘇頌、韓公廉等人在開封設計制造的。英國科學家李約瑟等人認為水運儀象臺“可能是

42、歐洲中世紀天文鐘的直接祖先”。 第73頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四瓦特JamesWatt 到此為止，瓦特完成了對蒸汽機的整套發明過程。經過他的一系列重大的發明和改進，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，而且配套齊全、性能優良、切合實用。瓦特由此博得了第一部現代蒸汽機高效率瓦特蒸汽機的發明者稱號。 （JamesWatt,17361819）英國發明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個小鎮格里諾克。 15歲學完了物理學原理并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術。 1753年他在一家鐘表店學手藝，并跟有名的機械師摩爾根當學徒。經過刻苦學習，努力實踐，

43、他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經緯儀等。1756年在格拉斯哥大學當了儀器修理員。1765年發明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。冷凝器的發明在蒸汽機的發展中起了關鍵性的作用。1768年他制成了一臺單動作蒸汽機 。1781年，他發明了行星式齒輪，將蒸汽機活塞的往復運動變為旋轉運動， 1782年他發明了大動力的“雙動作蒸汽機”并獲得專利 。1784年他發明了平行運動連桿機構，解決了雙動作蒸汽機的結構問題。1788年他發明了離心式調速器和節氣閥，用來自動控制蒸汽機的運轉速度。1790年發明了蒸汽機配套用壓力計。 第74頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四瓦特Jame

44、sWatt 瓦特(James Watt,17361819年)蘇格蘭發明家1768年他制成了一臺單動作蒸汽機 。1781年，他發明了行星式齒輪，將蒸汽機活塞的往復運動變為旋轉運動， 1782年他發明了大動力的“雙動作蒸汽機”并獲得專利 。1784年他發明了平行運動連桿機構，解決了雙動作蒸汽機的結構問題。1788年他發明了離心式調速器和節氣閥，用來自動控制蒸汽機的運轉速度。1790年發明了蒸汽機配套用壓力計。第75頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四范內瓦布什（Vannevar Bush），信息時代的教父 在信息產業領域里，范內瓦布什更是功勛卓著。美國國內兩個著名的高科技工業園

45、區加州的“硅谷”和波士頓128號公路的“高科技走廊”的誕生都凝結了布什的心血。被人稱為“硅谷之父”的弗雷德里克特曼在MIT獲得電子學博士學位的導師不是別人正是布什。1939年誕生的惠普公司是特曼的勝利，也是布什的勝利。范內瓦布什還被稱為“超文本之父”，早在40年代他就預見到了PC和Web的出現。1945年，在那篇著名的論文如我們所想（As We May Think）中，布什設想了一種能夠存儲大量信息，并能在相關信息之間建立聯系的機器。這個想象正是現在的Internet。后來，在布什發表的另一篇論文中他又提出這種機器（媒體）能夠把視頻和聲音集成在一起。而這恰恰是今天為人們獲取信息提供巨大方便的W

46、eb的核心思想。正是基于對范內瓦布什如此深邃的洞察力和預見力的欽佩，在1974年他逝世以前，計算技術前沿的許多科學家都尊敬地稱他為“信息時代的教父”。 范內瓦布什（Vannevar Bush），這位具有6個不同學位的科學家、教育家和政府官員與本世紀許多著名的事件都有著千絲萬縷的聯系，其中包括“曼哈頓計劃”、硅谷、國際互聯網等。倒轉信息時代的時鐘，無論你審視信息技術發展史的哪個領域，范內瓦布什都是在那里留下過足跡的具有遠見的先驅性人物。正如歷史學家邁克爾雪利（Michael Sherry）所言，“要理解比爾蓋茨和比爾克林頓的世界，你必須首先認識范內瓦布什。”正是因其在信息技術領域多方面的貢獻和超

47、人遠見，范內瓦布什獲得了“信息時代的教父”的美譽。第76頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四 作為貝爾電話實驗室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquist noise)和反饋放大器穩定性方面做出了很大的貢獻。早期的理論性工作關于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在貝爾系統技術期刊上發表了影響電報速度傳輸速度的因素文章，為后來香農的信息論奠定了基礎。 1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續信號（模擬信號）進行抽樣，且在抽樣率達到一定數值時，根據這些抽樣值可以在接收端準確地恢復原信號。為不使原波形產生“半波損失”，采樣率至少應為信號最高頻率的兩倍，這就是著

48、名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發表了電報傳輸理論的一定論題。 1954年，他從貝爾實驗室退休。 奈奎斯特，美國物理學家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻。奈奎斯特1907年移民到美國并于1912年進入北達克塔大學學習。1917年在耶魯大學獲得物理學博士學位。1917年1934年在AT&T（美國電話電報公司）公司工作，后轉入貝爾電話實驗室工作。 奈奎斯特第77頁，共83頁，2022年，5月20日，0點40分，星期四 維納已是一個很有名的數學家了，但他對其他學科也很有興趣。在第二次世界大戰末期，有兩個大問題特別引起了他的興趣，一個是電子計算機，另一個是火炮命中率問題。 維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中發現，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經專家進行共同