第1章绪论

1.2
自动控制的定义和历史回顾
1．自动控制的定义 所谓的自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置﹝称控制 器 Controller﹞，使机器﹑设备或生产过程﹙统称被控对象 Plant 或被控过程 Process﹚的某 个工作状态或参数﹙即被控量﹚自动地按照预定的规律运行． 2．自动控制的发展历史 1）1769 年瓦特（James Watt）的蒸汽机及他的离心式飞锤调速器﹙Fly-ball governor﹚ 建了蒸汽机转速自动控制系统， 出现了反馈的概念， “调节器”或“飞球调节器”用于调节 蒸汽流，以便确保引擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节器最成功的应用，它的出现 标志着英国工业革命的开始， 但也发现了闭环系统可能出现振荡的现象． 瓦特是一位实干家， 他没有对调节器进行理论分析． 2）大约 100 年后即 1868 年著名物理学家﹑电磁场理论发明人麦克斯韦（J.C.Maxwell） 建立了蒸汽机飞球控制的微分方程数学模型， 从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的 不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究，提出了稳定的概念．他是第一 个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表“论调节器”论文的人，并将系统在平衡点
温度控制系统
在冶金、电力、石油化工以及生物制药等行业中的许多工艺设备中的温度控制是相当 普遍的，图 1.3 表示了电加热炉温度控制系统的原理图，电炉内的温度由温度传感器获得， 常用的温度传感器有各种类型的热电偶、 铂电阻和半导体温度传感器等， 将温度这个模拟量 经温度变送器（放大器）再通过带有 A/D 转换器的数据采集接口板变为数字量温度，传送 到计算机作为数字信号，与期望的温度值比较，根据误差情况，计算机数字控制器就会通过 接口板和继电器（或固态继电器、调节器）等执行元件向加热器发送控制信号，从而使炉温 达到期望的温度．
扰动 水 被控液位 锅炉
比较器 设定值 偏差值 调节器
调节器输出 调节阀
测量值 测量变送器 图 1.2 锅炉液位控制系统结构图
图 1.2 中的符号 信号流动方向．符号 方框或相加点．
代表相加点，负号表示减法运算，正号表示加法运算，箭头表示 代表分支点，表示在该点上来自方框的信号将同时流向其他
1.3.2
17）1997 年 7 月 4 日，美国研制的探路者小车胜利完成了火星表面的实地探测，这个 由地球上控制的小车仅重 23 磅，使得综合信息自动化技术达到了一个空前的高度．
1.3 自动控制系统举例及术语定义
自动控制在各个工业领域应用相当广泛，这里仅举两例进行说明．
1.3.1
液位控制系统
发电厂、 石油化工等生产企业中的锅炉和反应器是常见的生产过程设备， 如图 1.1 所示， 其中的液位控制是很重要的．
第1章
绪论
电气信息t，1736 ～1819） 瓦特是英国著名的发明家， 工业革命时期的重要人物． 英 国皇家学会会员和法兰西科学院外籍院士． 1760 年～1800 年， 詹姆斯· 瓦特对蒸汽机进行了彻底的改造， 终于使其得到广泛 的应用．在瓦特的改良工作中，1788 年，他给蒸汽机添加了 一“节流”控制器，即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵， 类似于磨房机工早已用来控制风力面分机磨石松紧的装 置．“调节器”或“飞球调节器”用于调节蒸汽流，以便确保引擎工作时速度大致均匀，这 是当时反馈调节器最成功的应用．后人为了纪念他，将功率的单位称为瓦特，瓦特是国际单 位制中功率和辐射通量的计量单位，常用符号“W”表示． 瓦特 1736 年 1 月 19 日生于英国格拉斯哥．童年时代的瓦特曾在文法学校念过书，然 而没有受过系统教育． 瓦特在父亲做工的工厂里学到许多机械制造知识， 后来他到伦敦的一 家钟表店当学徒．1763 年瓦特到格拉斯哥大学工作，修理教学仪器，在大学里他经常和教 授讨论理论和技术问题．1781 年瓦特制造了从两边推动活塞的双动蒸汽机，1785 年，他也 因蒸汽机改进的重大贡献，被选为皇家学会会员．1819 年 8 月 25 日瓦特在靠近伯明翰的 希斯菲德逝世． 在瓦特的讣告中，对他发明的蒸汽机有这样的赞颂： “它武装了人类，使虚弱无力的双 手变得力大无穷， 健全了人类的大脑以处理一切难题． 它为机械动力在未来创造奇迹打下了 坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动” ．
1.1
引言
时至今日， 随着信息技术的飞速发展， 自动控制在现代文明和技术的发展与进步中扮演 着越来越重要的角色． 现在自动控制技术已广泛应用于石油化工﹑冶金﹑机械制造﹑汽车﹑ 造纸﹑航空航天﹑军事、 电力系统﹑交通﹑市政﹙供水调度﹑污水处理﹚等领域， 它极大地 提高了劳动生产率， 使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来． 在今天 的社会生活中， 自动化技术无处不在． 自动控制除在各工程领域广泛应用外， 还被用于社会、 经济和人文管理系统等各个领域，它为人类文明进步做出了重要贡献。因此，大多数工程技 术人员和科学工作者现在都必须具备一定的自动控制知识． 本章主要介绍自动控制的基本概念及其发展历史， 随后举例讲述自动控制系统的几种典 型控制方式及其分类， 对控制系统设计的基本要求和对自动控制原理课程性质、 学习内容等 方面进行了说明． 最后， 对信息自动化学科专业的学生在学习本学科专业知识时应注意的问 题给予了阐述．
动态特性．在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位．它同时域法、频域法可称是 三分天下．伊文思所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系统的稳定问题，因此其 又回到许多年前麦克斯韦和劳斯曾做过的特征方程的研究工作． 但伊文思用系统参数变化时 特征方程的根变化轨迹来研究， 开创了新的思维和研究方法． 伊文思方法一提出即受到人们 的广泛重视，1954 年，钱学森即在他的名著“工程控制论”中介绍这一方法，并将其称为 伊文思方法． 第二次世界大战后， 线性系统的稳定性﹑准确度﹑动态特性分析与设计就已经定型， 频 率响应法和根轨迹法成为经典控制理论的核心，从此经典控制理论（Classical Control）发展 基本成熟． 尽管经典控制方法设计使得控制系统在工业过程系统中应用还是令人满意的， 但 经典控制理论只涉及单输入﹑单输出线性定常系统， 控制器的设计需要控制工程师一定的经 验或重复多次试凑才能完成，它不是某种意义上的最佳控制系统． 10） 从 1950s 年代末期开始，由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂， 所以需要大量方程来描述现代控制系统． 经典控制理论对于多输入、 多输出系统就无能为力 了．大约从 1960 年开始，数字计算机的出现为复杂的时域分析提供了可能性．因此，基于 状态空间表达式的时域分析的现代控制理论应运而生， 从而适应了现代设备日益增加的复杂 性，同时也满足了军事﹑空间技术和工业应用领域对精确度﹑成本性能等方面的严格要求． 11）1956 年，俄罗斯的庞特利亚金（Pontryagin）提出了极大值原理（Max-Principle） ， 为最优控制系统分析设计提供了强有力的方法． 12）1957 年，美国贝尔曼（R.Bellman）提出动态规划法（Dynamic Programming） ，解 决了路径优化问题． 13）1960 年，美国著名学卡尔曼（R.E.Kalman）提出能控性和能观性以及最优滤波理 论（Controllability，Observability，Optimal Estimation） ，使得基于状态空间法的现代控制理 论得到的很大发展， 它不仅能够研究基于单输入单输出外部描述的系统， 也能够用于多输入 多输出内部描述的系统． 14）1970s～1980s 瑞典隆德理工大学 K. J. Astrom 促进了自适应控制（Adaptive Control）技术的发展． 15）1980s～1990s 智能控制（模糊控制 Fuzzy﹑神经网络 NN﹑人工智能 AI）的出现， 使得控制理论为复杂系统的研究与应用提供了一条路径． 16）1980s～2000s 鲁棒控制系统(Robust Control System) 设计出现，使得控制系统的 适应能力大大加强．
附近进行线性化处理，指出线性定常系统的稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部， 麦克斯韦的工作开创了控制理论研究的先河． 3） 1884 年英国数学家劳斯（E.J. Routh）﹑1895 年瑞士数学家赫尔维茨（A. Hurwize） 提出了不解微分方程或无需计算系统特征方程的根，只需考察线性定常系统特征方程的系 数，就能确定动态系统的稳定性，得出了相应的稳定性判据． 4）1892 年俄罗斯伟大的数学家李雅普诺夫（Liapunov）发表了其具有深远历史意义的 博士论文 “运动稳定性的一般问题” （ The General Problem of the Stability of Motion ， 1892） ．用严格的数学分析方法，全面论述了稳定性问题，为控制理论打下坚实的基础，提 出了为当今学术界广为应用且影响巨大的李亚普诺夫方法， 也即李雅普诺夫第二方法或李雅 普诺夫直接方法．这一方法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设 计．已成为当今自动控制理论课程讲授的主要内容之一． 5）1913 年福特（Henry Ford）的机械化装配机器用于汽车生产线，标志着现代工业生 产自动化技术的开始． 6）1920s～1930s 美国贝尔（Bell）实验室为铺设一条长距离电缆线，需配置高质量的 高增益放大器，振荡成了一个技术难题，它与蒸汽机飞球控制器不同，不仅高增益时出现振 荡，而当增益减少到某一程度后也会出现振荡，用时域法分析很困难．反馈放大器的振荡问 题给其实用化带来了难以克服的麻烦．为此奈奎斯特（Harry Nyquist）和其他一些 AT&T 的 通讯工程师介入了这一工作．1917 年奈奎斯特在耶鲁大学获物理学博士学位，有着极高的 理论造诣．1932 年奈奎斯特发表了包含著名的奈奎斯特判据（Nyquist Criterion）的论文， 他在 1934 年加入了 Bell 实验室． 7）1930s～1940s 这一时期，贝尔实验室的另一位理论专家波特（Hendrik Bode）也和 一些数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究．波特是一位应用数学家，1926 年在 俄荷俄州立大学（Ohio State）获硕士学位；1935 年在哥伦比亚大学（Columbia Universi ty）获物理学博士学位．1940 年，波特引入了半对数坐标系，使频率特性方法更加适用于 工程设计． 8）1942 年齐格勒（J.G. Ziegler）和尼科尔斯（N. B.Nichols ）提出了控制器的优化整 定问题，得到了 PID 调节器参数的两种工程整定方法，从此自动控制技术开始在工业过程 中普遍应用． 9）1948 年美国电信工程师伊文思（W. R . Evans）提出了自动控制系统的根轨迹（Root Locus）方法，以传递函数这种数学模型为工具，在复数域内分析线性定常系统的稳定性和