自动控制理论简介讲解

1.1 自动控制理论的形成与发展
具有“自动”功能的装置的历史可追溯到公元前 14~11 世 纪 在 中 国 、 埃 及 和 巴 比 伦 出 现 的 自 动 计 时 器——水钟，又称漏刻、漏滴或漏壶等。
1.1 自动控制理论的形成与发展
公 元 4 世 纪 ， 希 腊 柏 拉 图 (Platon) 首 先 使 用 了 “控制论”一词。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
1868年，英-麦克斯韦(J.C.Maxwell)发表了“论调速器” 一文，对它的稳定性进行了分析，指出控制系统的品质可用 微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形 式来研究。当属最早的理论工作。
1877年英-劳斯(E.J.Routh)和德-胡尔维茨(A.Hurwitz)先后 提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。
1.1 自动控制理论的形成与发展 控制理论的发展阶段：
经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
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1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
经典控制理论是20世纪50年代之前发展起来的， 前后经历了较长时间，成熟于50年代中期。
经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于 较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论 的出现，故改称为经典控制理论。
1954年我国-钱学森在美出版了《工程控制论》 一书，书中所阐述的基本理论和观点，奠定了工程控 制论的基础。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
做出杰出贡献的人物主要有： ➢ Bell实验室工程师布莱克（H. S. Black） ➢ 美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist，1889-1976） ➢ 前苏联学者米哈依洛夫 ➢ Bell实验室的数学家伯德（Hendrik Bode, 1905-1982） ➢ 美国数学家维纳（Norbert Wiener, 1894-1964）
1.1 自动控制理论的形成与发展
自动控制的应用 ：
❖ 开始多用于工农业生产：如压力、张力、温度、流量、 位移、湿度、粘度等自动控制；
❖ 后来进入军事领域：如飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、 导弹、卫星、宇宙飞船等自动控制；
❖ 目前已涉及到更多领域：如社会经济（模拟经济管理 过程、经济控制论、大系统、交通管理、图书管理 等） ，生物工程（如生物控制论、波斯顿假肢、人造 器官等）。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根 据频率响应判别反馈系统暂态特性的准则。
1948年美-伊文思(W.R. Evans)根据反馈系统开环 和闭环传递函数之间的关系，提出了一种由开环传递 函数求闭环特征根的简便方法，在工程中得到了广泛 的应用。这种方法称为根轨迹法。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
➢ 苏联自动调整理论的奠基人 И.А.维什聂格拉斯基（18311895）
➢ 英国数学家劳斯(E. J. Routh, 1831-1907) ➢ 德国数学家胡尔维茨（A. Hurwitz, 1859-1919） ➢ 俄国数学力学家李亚普诺夫（A. M. Lyapunov，1857-1918）
自动控制理论简介
主要内容：
1. 自动控制理论的形成与发展 2. 自动控制系统的基本概念 3. 自动控制系统的基本构成 4. 自动控制系统的分类 5. 对自动控制系统的基本要求
1.1 自动控制理论的形成与发展
自动控制——是指在没有人的直接干预下，利 用物理装置对工艺过程或生产设备进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律 变化。
1892年俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般 问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定 性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳 定性理论。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
做出杰出贡献的人物主要有：
➢ 英国物理学家牛顿（Isaac Newton，1642-1727） ➢ 法国数学家拉格朗日（Joseph Louis Lagrange，1736-1813） ➢ 法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827） ➢ 英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879）
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。 例如：
军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需要 自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，控 制系统的准确跟踪是最重要的。
因此促进了经典控制理论的巨大发展。先后出现 了奈奎斯特、伯德的频率法和依文思的根轨迹法。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
1948 年 美 国 维 纳 (N.Wiener) 出 版 了 专 著 《 控 制 论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》，系统 地论述了控制理论的一般原理和方法，推广了反馈的 概念，为控制理论学科的发展奠定了基础。该书的出 版标志控制学科的诞生。
1765年，俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 浮子阀门式水位调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动 控制。
1788年，瓦特(James Watt, 1736-1819)由蒸气冲 动水壶盖得到启发发明了蒸气机，此后他给蒸气机 添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离 心“调节器”操纵，用于调节蒸气流，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。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
对于早期的控制系统，其目的多用于恒值控制， 主要的设计原则是静态准确度和防止不稳定，而暂态 响应的性能是次要的。
这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳 态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是 在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论 的时间域方法，简称时域法。