控制理论的发展及应用

的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定
性代来了困难。
经典控制理论的发展
稳定性的早期Βιβλιοθήκη Baidu展-2
• 两年一次的Adams Prize奖授予在该委员会所选科学主题方
面竞争的最佳论文。1877年的主题是“运动的稳定性”。
• Routh E J.《A Treatise on the Stability of Motion》
著： 《Cybernetics or Control and
Communication in the animal and the machines》
• 工程控制论：1954年钱学森(Tsien H S)的著作《
Engineering Cybernetics》
二 自动控制技术的早期发展
数千年的历史
（London:Macmillan,1877）获1877年Adams Prize
• 提出根据多项式的系数确定多项式在右半平面的根的数目。
其意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统
的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。
经典控制理论的发展
稳定性的早期发展-3
• 1895年，瑞士数学家A. Hurwitz在不了解Routh工作的情 况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否 都具有负实部的另一种方法(Hurwitz A. On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。 • Hurwitz的条件同Routh的条件在本质上是一致的。因此 这一稳定性判据现在也被称为Routh-Hurwitz稳定性判据。
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负反馈放大器及频域理论的建立-1
• 在控制系统稳定性的代数理论建立之后，1928年－ 1945年以美国AT&T公司Bell Labs的科学家们为核心，
又建立了控制系统分析与设计的频域方法。
III：上世纪70年代后：大系统理论时期。
控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控 制论发展。
三部经典著作
• 信息论开端：1948年香农(C.E.Shannon)的发表在 《贝尔系统技术杂志》上的论文 《A Mathematical Theory of Communication》 • 控制论创立: 1948年维纳（N. Wienner）的经典论
控制论创始人维纳
• Cybernetics，希腊语，原意为 掌舵术，包含了调节、操纵、 管理、指挥、监督等多方面的 涵义 • 1943年底在纽约召开了关于信 息、反馈问题的讨论会，参加
者中有生物学家、数学家、社
会学家、经济学家，从各自角 度对信息反馈问题发表意见。
陆续举行的讨论会，对控制论
的产生起了推动作用。 • 1948年维纳发表《控制论》， 控制科学诞生。
• “控制”：本身反映人们对征服自然与外在的渴望，“控制 理论与技术”也自然地在人类认识自然与改造自然的历史 中发展；
• 具有反馈控制原理的控制装臵：古代的计时器 “水钟”( “刻 漏”，也叫“漏壶” )； • 公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的Ctesibius首先在受水 壶中使用了浮子，具有负反馈的思想； • 北宋时期，苏颂等于1086年-1090年在开封建成“水运仪象台 ”，相当准确地跟踪天体的运行； • 1765年俄国的波尔祖诺夫（ Polzunov ）发明了蒸汽机锅炉 的水位自动调节器（在俄国被认为是世界上的第一个自动 调节器）。
《On Governors》（Proc. Royal Society of London,
1868），目前公认的以反馈控制为其主要研究内容的第一 篇理论论文 • 导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处 理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。 • 开创了控制理论研究的先河, 文中还催促数学家们尽快地 解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上
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• 1892年，俄罗斯伟大的数学力学家A.M.Lyapunov （1857-1918）发表了其具有深远历史意义的博士论 文《The General Problem of the Stability of Motion》 • 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，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接 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。
内容
• 控制论简介 • 自动控制理论与技术的早期发展 • 控制理论各阶段的特点 • 控制理论的进一步发展
• 历史的思考
• 新世纪自动化学科的挑战和发展
一
控制论简介
研究各类系统的调节和控制规律的科学
• 它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经
生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形 成的一门综合性学科。 • 它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制 的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组 织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机 制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原 理和方法。
控制论的三个发展时期
I：上世纪50年代，经典控制论时期。
代表作：1948年维纳发表《控制论》 1954年钱学森发表的《工程控制论》。
II：上世纪60年代，现代控制论时期。
控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向 最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提 出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态 规划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适 应系统等现代控制理论。
中国、古埃及和巴比伦人发明的 自动计时装臵(公元前11世纪)
具有过程控制思想的提 花织布机（明代）
James wat发明的飞球调节器， 控制蒸汽机的转速（1769年）
Polzunov发明的浮球调节器， 用于水位控制（1765年）
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• J. C. Maxwell是最早对反馈控制系统稳定性进行系统分析，