第一章 自动控制的一般概念 (第一讲)

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维纳
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自动控制原理经典部分
1954年，钱学森在《工程控制论》 中把设计稳定与制导系统这类工程技 术实践作为主要研究对象，系统地阐 述了控制论与工程结合的理论和应用， 标志着控制论的第一个分支学科“工 程控制论”诞生。 钱学森
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至此，形成了以传递函数为基础的完整的经典控 制理论体系。主要研究单输入单输出、线性定常 系统的分析和设计问题。
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1807年，美国机械师R. Fulton设 计出世界上第一艘蒸汽机带动车轮 拨水的“克莱蒙特”号蒸汽轮船， 故其被称为“轮船之父”。
罗伯特· 富尔顿
克莱蒙特号下水
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1865年，在安庆内军械所由徐寿、 华蘅芳设计建造了我国第一艘明轮 推进的蒸汽机轮船“黄鹄”号。
自动控制原理 —经典部分
张 婧
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所需课程基础



高等数学 大学物理 线性代数 复变函数与积分变换 信号与系统 电路 数字/模拟电子技术基础 Matlab教程(计算机仿真技术)
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1938年，美国数学家C. E. Shannon 在硕士论文《继电器与开关电路的 符号分析》中将布尔代数的“真” 与“假”和电路的“开”与“关” 对应起来，用布尔代数分析并优化 开关电路，奠定了数字电路的基础。 1948年，在发表的《通信的数学原 理》中提出“信息熵”的概念，解 决了对信息量化的度量问题，为信 息论和数学通信奠定了基础。
伊万斯
至此，以时域法、根轨迹法、频率特性法 为核心的经典控制理论的框架已构建完毕。
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3.9 控制论的建立
1932~1934年， 美籍奥地利理论生物学家 和哲学家L.V. Bertalanffy提出用数学模 型来研究生物学的方法和机体系统论的概 念；
1945年，发表《关于一般系统论》，并 指出不论系统的具体种类、组成部分的性 质和它们之间的关系如何，存在着适用于 综合系统或子系统的一般模式、原则和规 律；
—如何判断系统是否稳定？
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布莱克
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3.6 奈氏判据——第五章 1932年，贝尔实验室的美国物 理学家H. Nyquist在傅氏变换的基 础上提出以频率特性为基础的稳 定性判据。此判据不仅可以判断 系统的稳定性，而且可以用来分 析系统的稳定裕量。 奈氏判据是频率响应法的基 础，为具有高质量的动态品质和 静态准确度的军用控制系统提供 了所需的分析工具。
总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递 函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计， 比求解微分方程简便。 优点:可通过实验法建立数学模型，物理概念清晰， 得到广泛的工程应用。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态 缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精 确的结果。
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自动控制的一般概念 控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法 线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法 线性离散系统的分析与校正 非线性控制系统分析
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第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式
1-2 自动控制系统示例
1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求
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3.5 负反馈理论的发展与应用
1927年，贝尔实验室的美国电气 工程师H.S. Black首先提出基于误 差补偿的前馈放大器，在此基础上 最终提出负反馈放大器并对其进行 数学分析。
负反馈可以通过降低增益来改善器 件的线性性能。但如果放大器没有正确 地设计为负反馈，那么放大器会产生振 荡现象，从而使工作变得不稳定。
贝塔朗斐
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1942年，美国数学家N. Wiener提出 著名的维纳滤波理论。
1943年，在《行为、目的和目的论 》中首先提出“控制论”这一概念， 第一次把只属于生物的有目的的行为 赋予机器，阐明了控制论的基本思想 。 1948年，发表《控制论：或关于在 动物和机器中控制和通讯的科学》， 为控制论奠定了理论基础，标志着控 制论的诞生。
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学时安排：90学时 -72学时理论课 -18学时实验课(自动化) 48学时-理论课(建环必修)
40学时-理论课(电子信息选修)
考试：考试成绩*70% 实验成绩*10% 平时成绩*20%(考勤+作业)
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主要内容
第一章 第二章 重 第三章 点 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
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后续课程

微机原理/单片机 电机与拖动 过程控制 运动控制 计算机控制
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参考书目
教材：
胡寿松主编. 自动控制原理(第五版). 高等教育出版社.
主要参考书：
1.吴麒主编. 自动控制原理(第二版). 清华大学出版社. 2.黄家英主编. 自动控制原理. 高等教育出版社. 3. R.C. Dorf and R.H. Bishop. 现代控制系统(第十版). 清华大学出版社. 4. Morris Driels. 线性控制系统工程. 清华大学出版社.
1943年，A.C. Hall利用传递函数和方框图，将 通信工程的频率响应法与机械工程的时域分析法 相统一，被称为复域法。
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3.8 根轨迹的建立——第四章
1948年，美国的W.R. Evans利用 闭环特征方程的根在开环参数变化 时的轨迹来研究系统的稳定性及系 统参数与时域性能指标变化间的关 系，提出完整的根轨迹法。
稳定性
麦克斯韦
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1872年，俄国维什聂格拉斯基对蒸汽机 的稳定性问题进行研究，在论文《论调整 器的一般原理》中将线性微分方程简化成 由调整对象和调整器组成的系统，同时结 合直接作用于蒸汽机的调速器的特性，指 出如何选择参数才能保证系统稳定。 1878年，他还对非线性继电器型调整器 进行了研究。 维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理 论的奠基人。
1-5 自动控制系统的分析与设计工具
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1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
(一) 经典控制理论 (二) 现代控制理论
(三) 智能控制理论
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(一) 经典控制理论
1. 最早： 中国：产生“控制”的思想，而非理论
指南车
候风地动仪
漏水转浑天仪
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铜壶滴漏
整件滴漏由四个铜壶组成， 分别是日壶、月壶、星壶、 受水壶。保持星壶的水位恒 定是滴漏计时准确的关键。 星壶上部有一个小洞，如果 月壶滴下的水多了，便从这 里流出，使星壶的水量保持 恒定，以便均匀地滴水给受 水壶。受水壶中水逐渐增加， 浮舟托起木箭上升。将木箭 的顶端与铜表尺刻度对照， 10 得到时间。
伯德
至此经典控制理论的频域分析法建立，其主要 用于描述反馈放大器的带宽和其它频域指标。
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3.7 传递函数——第二章
1942年，美国H. Harris在拉普拉斯变换的基础 上引入传递函数的概念，用方框图、环节、输入 和输出等信息的概念描述系统的性能和关系，使 频域法更具普遍意义。
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国外：出现反馈控制装置
希腊人凯特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300 年在油灯中使用浮子调节器以保持油面高度稳 定。 现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒 贝尔，使用了温度反馈控制。 邓尼斯· 帕平最先发明了蒸汽阀的压力控制 器。 1765年，普尔佐诺夫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。
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乃奎斯特
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1938年，贝尔实验室的美国应用数 学家H.W. Bode进一步研究通信系 统频域的方法，提出频域响应的半 对数坐标图描述法(Bode图)，使频 率特性的绘制更适于工程设计。 1940年，N.B. Nichols进一步将频 率响应法加以发展，提出对数幅相 曲线(尼柯尔斯图)。
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2. 闭环自动控制系统的出现与应用
欧洲工业革命的标志：James Watt于 1765年在萨维利发明的蒸汽机的基础 上改进的现代意义上的蒸汽机。 1770年，他利用离心式飞锤调速器构 建了蒸汽机的转速自动控制系统，此 系统在锅炉压力和负荷变化的条件下， 通过离心式调速器自动调节进气阀门 詹姆斯· 瓦特 的开度，使蒸汽机转速维持在一定的 范围内。
李雅普诺夫
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3.4 PID控制理论—第六章 1922年，美国N. Minorsky基于 船舶驾驶的伺服结构提出位置控 制系统的分析，并对PID三作用 控制给出控制规律的公式。 1942年，美国Tatlor仪器公司的 J.G. Ziegler和N.B. Nichols给出 PID控制器的最优参数整定法。
尼柯尔斯
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这一时期讨论的问题主要是系统的稳定性和 稳态偏差，所用的数学工具是微分方程解析法。 这些是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法 为控制理论的时域分析法。
由于电子元器件的非线性特性不便用代数判 据来分析其稳定性；而有些系统不仅对稳定性和 稳态精度有要求，且对过渡过程的快速性和平稳 性亦做出一定的要求，特别是第二次世界大战期 间，需要控制系统具有准确的跟踪与补偿能力， 促使反馈控制系统的研制与理论研究有了很大的 发展。
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3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 1892年，俄国A.M.Lyapunov在 其天才般的博士论文《运动稳定性 的一般问题》中提出了李亚普诺夫 方法，即李亚普诺夫第一法(间接法 )和李亚普诺夫第二法(直接法)。其 中李雅普诺夫第二法不仅可用于线 性系统而且可用于非线性时变系统 的分析与设计。
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转速自动控制原理
缺点：调速系统会出 现振荡问题，当振荡 过大时会造成系统的 不稳定。(稳态性能及 动态性能差，存在稳 态误差——第三章) 如何解决？
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3. 经典控制理论的发展阶段
3.1 稳定性代数判据—第三章 1868年，英国J.C. Maxwell以 离心式调速器为背景，在论文 《论调节器》中指出速度反馈 控制系统中出现的不稳定问题， 可通过线性常微分方程从理论 上给出四阶以下的稳定条件-取 决于特征方程的根是否具有负 实部
劳斯
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1895年，瑞士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。 这两种判据实质是一样的，都是根 据特征方程的系数来判断高阶系统 的稳定性。
赫尔维茨
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徐寿
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黄鹄号复原图
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华蘅芳
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1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱 动的全自动蒸汽轮船“东方”号
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3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 1877年，英国E.J. Routh提出根 据多项式的系数决定多项式在右 半平面的根的数目，从而将当时 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。
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4. 脉冲控制理论的建立与发展—第七章
4.1 脉冲理论的建立与发展
1928年， H. Nyquist首先证明把正弦信 号从它的采样值复现出来，每周期至少必 须进行两次采样。
1933年，苏联工程师科捷利尼科夫首次 用公式严格地表述这一定理，故在苏联文 献中称为科捷利尼科夫采样定理。