自動(dòng)控制原理第一講

1、課程內(nèi)容第1章 緒論第2章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第3章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第4章 時(shí)域分析第5章 根軌跡法第6章 頻域分析法第7章 控制系統(tǒng)的校正第8章 狀態(tài)空間分析法,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,1,自動(dòng)控制理論,,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,2,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,3,課程內(nèi)容第1章 緒論第2章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第3章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第4章 時(shí)域分析第5章 根軌跡法第6章 頻域分析法第7

2、章 控制系統(tǒng)的校正第8章 狀態(tài)空間分析法,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,4,第一章 緒論,1.1 引言 1.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類和組成 1.4 控制系統(tǒng)的基本要求 1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例 1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,1.1 引言,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,5,一、基本概念,人工水位調(diào)節(jié)過程 觀測水位--大腦確定如何開閥門-- 調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門

3、(觀測偏差) (決策，控制規(guī)律)方框圖,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,6,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,7,1 被控對象：要求實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。2 被控量：要求實(shí)現(xiàn)控制的物理量。3 設(shè)定值：被控量的希望值。4 擾動(dòng)：使被控量偏離希望值的因素。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,8,5 控制(Control)：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過程。

4、6 人工控制(Manual Control)：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。7 自動(dòng)控制(Automatic Control)：無需人去直接或間接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用控制裝置來控制被控量，使其自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化的過程。8 控制系統(tǒng)(Control System)：就是通過執(zhí)行規(guī)定的功能來實(shí)現(xiàn)某一給定目標(biāo)的一些相互關(guān)聯(lián)單元的組合。由控制裝置和被控對象組成。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,9,液面高度自動(dòng)控制系統(tǒng)：,2

5、024年3月18日,自動(dòng)控制原理,10,液面高度自動(dòng)控制系統(tǒng)圖：,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,11,1.2開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)信息傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)（同時(shí)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)）,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,12,一、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-Loop Control System）：控制裝置與對象之間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系的控

6、制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)可用下圖表示：只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用。,輸入量,開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低.開環(huán)控制的缺點(diǎn) 抗擾動(dòng)能力差,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,13,二、閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)(Close-Loop Control System)：控制裝置與對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。 又稱反饋控制系統(tǒng)(Fe

7、edback Control System),2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,14,閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。 閉環(huán)控制的缺點(diǎn)引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,15,自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng),三、復(fù)合控制系統(tǒng) 在系統(tǒng)中同時(shí)引進(jìn)開環(huán)控制和

8、閉環(huán)控制，這種系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。 復(fù)合控制系統(tǒng)原理圖：,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,16,1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類和組成,一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分線性系統(tǒng)：可以用線性方程式描述的系統(tǒng)。 特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程(或差分方程)來描述。非線性系統(tǒng)：必須用非線性方程式描述的系統(tǒng).特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性環(huán)節(jié)。,2024年3月18日,

9、自動(dòng)控制原理,17,2.按給定值的特點(diǎn)分恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：設(shè)定值為常數(shù)的控制系統(tǒng)。 如水位控制系統(tǒng)，擾動(dòng)使被控量偏離設(shè)定值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到設(shè)定值或接近設(shè)定值。隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：設(shè)定值是時(shí)間的不確定函數(shù)的控制系統(tǒng)。即，設(shè)定值取決于某些外來因素而不是預(yù)先擬定的。 如鍋爐送風(fēng)量調(diào)節(jié)，是根據(jù)燃料量的變化而變化，而燃料量則隨負(fù)荷需要而變化，其變化規(guī)律不能預(yù)定。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,18,程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)：給

10、定值是預(yù)定的時(shí)間函數(shù)的控制系統(tǒng)。 如，汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中，希望轉(zhuǎn)速隨時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,19,3.按信號的傳遞是否連續(xù)分連續(xù)系統(tǒng)：各部分信號都是連續(xù)形式的模擬量的系統(tǒng)。 其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,20,離散系統(tǒng)：至少有一處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼的控制系統(tǒng)。 數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,21,4

11、.系統(tǒng)按其參數(shù)是否隨時(shí)間變化分 定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)。5.按輸入輸出信號數(shù)目分 SISO和MIMO.,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,22,,,,,,6.按參數(shù)分集中參數(shù)系統(tǒng)：如果在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中，可以把一個(gè)系統(tǒng)看作有限多個(gè)理想的分立部件的總體。 集中參數(shù)系統(tǒng)由常微分方程描述。分布參數(shù)系統(tǒng)：系統(tǒng)只能看作由無窮多個(gè)無窮小的分立部件組成。 由偏微分方程描述。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,23,二、基

12、本組成誤差敏感元件：將系統(tǒng)的輸出量與輸入量進(jìn)行比較得到偏差信號；放大元件：實(shí)現(xiàn)對前級微弱信號的偏差信號的放大和變換，輸出具有足夠功率和滿足要求的物理量，用來推動(dòng)后級的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,24,執(zhí)行機(jī)構(gòu)：在前級送來的信號控制下，完成對被控對象的控制任務(wù)；校正裝置：用來改善個(gè)別元件或裝置的工作性能，也可以用于改善系統(tǒng)的性能。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,25,1.4 控制系統(tǒng)的基本要求,一、穩(wěn)

13、定性1 穩(wěn)定性：指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后所有時(shí)間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增加趨于無窮，或者進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,26,穩(wěn)定性,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,27,二、動(dòng)態(tài)特性,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,28,對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，雖然理論

14、上能夠到達(dá)平衡狀態(tài)，但還要求能夠快速到達(dá)，而且，在調(diào)節(jié)過程中，要求系統(tǒng)輸出超過給定的穩(wěn)態(tài)值的最大偏差，即所謂的超調(diào)量不要太大，要求調(diào)節(jié)的時(shí)間比較短。 這些性能稱為動(dòng)態(tài)性能。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,29,三、穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)給定值與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的誤差。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能常常是矛盾的。由于控制系統(tǒng)的功能要求不同，所以對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求往往有所側(cè)重。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,30,1.

15、5自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例,鍋爐汽包水位控制系統(tǒng),2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,31,,,,,調(diào)節(jié)器,,,汽包,變送器,,,,,主蒸汽,過熱器,省煤器,執(zhí)行器,給水調(diào)節(jié)閥,給水泵,,水位控制系統(tǒng)方框圖,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,32,設(shè)定水位SV,測量水位PV,偏差量DV,控制量,調(diào)節(jié)位移MV,給水量,實(shí)際水位,導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng),2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,33,導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方

16、塊圖,,放大器,減速器,導(dǎo) 彈發(fā)射架,,,,,,,,－,ua,,,,,,,直 流電動(dòng)機(jī),電位器Ⅰ、Ⅱ,,,,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,一、早期發(fā)展負(fù)反饋的起源,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,34,具有反饋控制原理的控制裝置在古代就有了。這方面最有代表性的例子當(dāng)屬古代的計(jì)時(shí)器 “水鐘”( 在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”)。據(jù)古代鍥形文字記載和從埃及古墓出土的實(shí)物可以看到，巴比倫和埃及在公元前1500年以前便已有很

17、長的水鐘使用歷史了。 刻漏，主要由幾個(gè)銅水壺組成，又叫“漏壺”。除了最底下的那個(gè)，每個(gè)壺的底部都有一個(gè)小眼。水從最高的壺里，經(jīng)過下面的各個(gè)壺滴到最低的壺里，滴得又細(xì)又均勻。最低的壺里有一個(gè)銅人，手里捧著一支能夠浮動(dòng)的木箭，壺里水多了，木箭浮起來，根據(jù)它上面的刻度，就可以知道時(shí)間。,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,約在公元前三世紀(jì)中葉，亞歷山大里亞城的斯提西比烏斯首先在受水壺中使用了浮子(phellossive tymp

18、anum)。按迪爾斯(Diels)本世紀(jì)初復(fù)原的樣品，注入的水是由圓錐形的浮子節(jié)制的。而這種節(jié)制方式即已含有負(fù)反饋的思想 (盡管當(dāng)時(shí)并不明確)。 約在公元前500年，中國軍隊(duì)中即已用漏壺作為計(jì)時(shí)的裝置。約在公元120年，著名的科學(xué)家張衡 (78-139，東漢)又提出了用補(bǔ)償壺解決隨水頭降低計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確問題的巧妙方法。在他的“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”中，不僅有浮子，漏箭，還有虹吸管和至少一個(gè)補(bǔ)償壺。最有名的中國水鐘“銅壺滴漏”由銅匠

19、杜子盛和洗運(yùn)行建造于公元1316年(元代延祐三年)，并一直連續(xù)使用到1900年?，F(xiàn)保存在廣州市博物館中，且仍能使用。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,35,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,開環(huán)控制 公元235(三國時(shí)期)的馬均及公元477年祖沖之等還曾制造過具有開環(huán)控制特點(diǎn)的指南車。并發(fā)明了齒輪及差動(dòng)齒輪機(jī)。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,36,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,二、萌芽時(shí)期 十八世

20、紀(jì)也是蒸氣機(jī)取得突破發(fā)展的時(shí)期，并成為機(jī)械工程最矚目的成就。 1765年俄國的波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)器（這在俄國被認(rèn)為是世界上的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器）。瓦特 1760年－1800年，詹姆斯.瓦特對蒸氣機(jī)進(jìn)行了徹底地改造，終于使其得到廣泛的應(yīng)用。在瓦特的改良工作中，1788年，他給蒸氣機(jī)添加了一個(gè)“節(jié)流”控制器即節(jié)流閥，它由一個(gè)離心“調(diào)節(jié)器”操縱?！罢{(diào)節(jié)器”或“飛球調(diào)節(jié)器”用于調(diào)節(jié)蒸氣流，

21、以便確保引擎工作時(shí)速度大致均勻。這是當(dāng)時(shí)反饋調(diào)節(jié)器最成功的應(yīng)用。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,37,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,38,,開關(guān),1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,James Clerk Maxwell 麥克思維是19世紀(jì)偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡，自幼聰穎，父親是個(gè)知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育。10歲時(shí)進(jìn)入愛丁堡中學(xué)學(xué)

22、習(xí)14歲就在愛丁堡皇家學(xué)會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。1847年進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，1854年以第二名的成績獲史密斯獎(jiǎng)學(xué)金，畢業(yè)留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學(xué)教授。1860年到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。1861年選為倫敦皇家學(xué)會會員。1865年春辭去教職回到家鄉(xiāng)系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場理論

23、的經(jīng)典巨著《論電和磁》，并于1873年出版?！　←溈怂鬼f主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,39,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,James Clerk Maxwell 是第一個(gè)對反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析并發(fā)表論文的人。在他1868年的

24、論文“論調(diào)節(jié)器”中，導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。麥?zhǔn)显谡撐闹袑θA微分方程描述的Thomson’s governor, Jenkin’s governor 以及具有五階微分方程的Maxwell’s governor進(jìn)行了研究，并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。Maxwell的工作開創(chuàng)了控制理論研究的先河。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,40,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)

25、展簡史,維什聶格拉斯基 同一時(shí)期在俄國，1872年維什聶格拉斯基（1831-1895）也對蒸汽機(jī)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。維什聶格拉斯基的論文“論調(diào)整器的一般原理”1876年發(fā)表在法國科學(xué)院院報(bào)上。維什聶格拉斯基同樣利用線性化方法簡化問題，用線性微分方程描述由調(diào)整對象和調(diào)整器組成的系統(tǒng)。這使問題大大簡化。1878年維什聶格拉斯基還對非線性繼電器型調(diào)整器進(jìn)行了研究。維什聶格拉斯基在蘇聯(lián)被視為自動(dòng)調(diào)整理論的奠基人。,2024年3月18日,自

26、動(dòng)控制原理,41,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,Edward John RouthEdward John Routh 1831年1月20日出生在加拿大的魁北克。他父親是一位在Waterloo服役的英國軍官。Routh 11歲那年回到英國，在De Morgan指導(dǎo)下學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。在劍橋?qū)W習(xí)的畢業(yè)考試中，他獲得第一名(Clerk Maxwell排在了第二位，盡管Clerk Maxwell當(dāng)時(shí)被稱為最聰明的人)。畢業(yè)后Routh開始從事私人數(shù)

27、學(xué)教師的工作。 Routh于1907年6月7日去世，享年76歲。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,42,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,HurwitzRouth之后大約二十年，1895年，瑞士數(shù)學(xué)家A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨(dú)立給出了根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一種方法(Hurwitz A. On the conditions under which an equation h

28、as only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的條件同Routh的條件在本質(zhì)上是一致的。因此這一穩(wěn)定性判據(jù)現(xiàn)在也被稱為Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,43,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,A.M. Lyapunov1892年，俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Ly

29、apunov(1857-1918)發(fā)表了其具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文“運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”(The General Problem of the Stability of Motion,1892)。在這一論文中，他提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的李亞普諾夫方法，也即李亞普諾夫第二方法或李亞普諾夫直接方法。這一方法不僅可用于線性系統(tǒng)而且可用于非線性時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。已成為當(dāng)今自動(dòng)控制理論課程講授的主要內(nèi)容之一。,2024年3月

30、18日,自動(dòng)控制原理,44,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,Lyapunov是一位天才的數(shù)學(xué)家。他是一位天文學(xué)家的兒子。曾從師于大數(shù)學(xué)家P.L.Chebyshev(車比曉夫)，和A.A.Markov(馬爾可夫)是同校同學(xué)（李比馬低兩級），并同他們始終保持著良好的關(guān)系。他們共同在概率論方面做出過杰出的成績。在概率論中我們可以看到關(guān)于矩的馬爾可夫不等式、車比曉夫不等式和李亞普諾夫不等式。李還在相當(dāng)一般的條件下證明了中心極限定理。在數(shù)學(xué)中以

31、他的姓氏命名的有：李雅普諾夫第一方法，李雅普諾夫第二方法，李雅普諾夫定理，李雅普諾夫函數(shù)，李雅普諾夫變換，李雅普諾夫曲線，李雅普諾夫曲面，李雅普諾夫球面，李雅普諾夫數(shù)，李雅普諾夫隨機(jī)函數(shù)，李雅普諾夫隨機(jī)算子，李雅普諾夫特征指數(shù)，李雅普諾夫維數(shù)，李雅普諾夫系統(tǒng)，李雅普諾夫分式，李雅普諾夫穩(wěn)定性等等，而其中以他的姓氏命名的定理、條件有多種。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,45,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,三、奠定基礎(chǔ)Harry

32、Nyquist 反饋放大器的振蕩問題給其實(shí)用化帶來了難以克服的麻煩。為此Harry Nyquist(1889-1976)和其他一些AT&T的通訊工程師介入了這一工作。Nyquist1917年在耶魯大學(xué)(Yale)獲物理學(xué)博士學(xué)位，有著極高的理論造詣。1932年Nyquist發(fā)表了包含著名的“乃奎斯特判據(jù)”(Nyquist criterion)的論文，并在1934年加入了Bell Labs。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,

33、46,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,Hendrik Bode這一時(shí)期，Bell實(shí)驗(yàn)室的另一位理論專家，Hendrik Bode(1905-1982)也和一些數(shù)學(xué)家開始對負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究。Bode是一位應(yīng)用數(shù)學(xué)家，1926年在俄荷俄州立大學(xué)(Ohio State)獲碩士；1935年在哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)獲物理學(xué)博士學(xué)位。1940年，Bode引入了半對數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用

34、于工程設(shè)計(jì)。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,47,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,H. Harris 1942年，H. Harris引入了傳遞函數(shù)的概念。用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息傳輸?shù)母拍顏砻枋鱿到y(tǒng)的性能和關(guān)系。這樣就把原來由研究反饋放大器穩(wěn)定性而建立起來的頻率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意義，可以把對具體物理系統(tǒng)，如力學(xué)、電學(xué)、等的描述，統(tǒng)一用傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)等抽象的概念來研究。1925年英國電器工程師O.亥

35、維賽把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問題上，提出了運(yùn)算微積。不久拉普拉斯變換就被應(yīng)用到分析自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)問題上，并取得了顯著成效。傳遞函數(shù)就是在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入的。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,48,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,米哈依洛夫在這同一時(shí)期，蘇聯(lián)科學(xué)家也在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域分析方面取得了進(jìn)展。1938年和1939年，全蘇電工研究所的米哈依洛夫以柯西幅角原理為基礎(chǔ)，發(fā)表論文給出了閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域判別

36、法。米哈依洛夫還提出了把自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)環(huán)節(jié)按動(dòng)態(tài)特性加以典型化來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的問題。 米哈依洛夫有關(guān)穩(wěn)定性頻域判據(jù)的論文雖然正式發(fā)表較晚。他的方法現(xiàn)被稱為“米哈依洛夫穩(wěn)定判據(jù)”。有些學(xué)者又將“乃奎斯特判據(jù)”稱為“乃奎斯特-米哈依洛夫判據(jù)” 客觀地講，在頻域穩(wěn)定性判別研究中，乃奎斯特不僅在時(shí)間上領(lǐng)先，其工作也更完備?，F(xiàn)在我們所使用的也主要是乃奎斯特的開環(huán)穩(wěn)定判據(jù)。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,49,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,

37、W.R. Evans美國人W.R.Evans是根軌跡法的鼻祖。他的兩篇論文：Graphical Analysis of Control System, AIEE Trans. Part II,67(1948),pp.547-551. Control System Synthesis by Root Locus Method, AIEE Trans. Part II,69(1950),pp.66-69基本上建立起根軌跡法的完整理

38、論。根軌跡法和時(shí)域法，頻域法共同組成經(jīng)典控制理論的最核心部分。,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,50,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,維納 1894年維納出生在美國密蘇里州哥倫比亞市的一個(gè)猶太人的家庭中。他的父親是哈佛大學(xué)的語言教授。維納自幼聰慧，1906年(12歲)便進(jìn)入土夫茲學(xué)院學(xué)習(xí)，1909年(15歲)時(shí)獲數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。1913年(19歲)以關(guān)于數(shù)理邏輯的論文獲哈佛大學(xué)博土學(xué)位。 1933年任美國國家科學(xué)院院士，194

39、8年他發(fā)表了劃時(shí)代的著作《控制論》。控制論的基本含義是：現(xiàn)代的自動(dòng)機(jī)器和人都是由感覺裝置(器官)、動(dòng)作裝置(器官)、傳遞信息的系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))所組成的一種系統(tǒng)。自動(dòng)機(jī)器和人都是在接收、處理、傳遞和存貯信息，并利用信息去完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與外界的聯(lián)系。在系統(tǒng)工作中，反饋控制給定控制信號使動(dòng)作裝置動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果由感覺裝置檢測出來，并反饋回去與給定信號相比較。如果比較有偏差，偏差信號會繼續(xù)控制動(dòng)作裝置動(dòng)作，直到偏差信號消失為止。,2024年3月1

40、8日,自動(dòng)控制原理,51,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,2024年3月18日,自動(dòng)控制原理,52,四、發(fā)展迅速滲透到許多學(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、 冶金，自動(dòng)化技術(shù)錢學(xué)森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推廣到其它領(lǐng)域生物控制論：生命系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制論：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與發(fā)展問題社會控制論：社會管理與社會服務(wù)問題隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制論無論在三要素內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會進(jìn)

41、步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。,1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡史,五、分類 1. 經(jīng)典控制理論 40~50年代，高階常微分方程 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、但輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，針對線性定常系統(tǒng)，主要研究方法有時(shí)域分析法、根軌跡法和頻率特性法。 2. 現(xiàn)代控制理論 60~70年代 以矩陣?yán)碚摰冉鷶?shù)學(xué)方法作為工具，主要研究方法是狀態(tài)空間法，把高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階常微分方程組