工业控制基础课件ppt

1、工业控制基础主讲：蒋栋年I.I.早期控制早期控制(Early Control)(Early Control)(1400B.C. - 1900(1400B.C. - 1900) )(0) 中国，埃及和巴比伦出现中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶自动计时漏壶(1400B.C. 1100B.C.)。孙武著。孙武著孙子兵法孙子兵法(600B.C.)(1) 秦昭王时，秦昭王时，李冰李冰主持修筑主持修筑都江堰都江堰体现的系体现的系统观念和实践统观念和实践(300B.C.)西汉漏壶2、自动控制技术的发展与人类文明进步、自动控制技术的发展与人类文明进步(3) 中国中国张衡张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的

2、发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风候风地动仪地动仪(132年年)(2) 亚历山大的亚历山大的希罗希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年年)(4) 中国中国马钧马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车指南车(235年年)(5) 中国明代中国明代宋应星宋应星所著所著天工开物天工开物记载有程序控制思想记载有程序控制思想(CNC)的的提花提花织机织机结构图结构图(1637年年)(6) 英国英国J. Watt基于机械式调节原理用离心式调速器实现基于机械式调节原理用离心式调速器实现了蒸汽机的速度控制了蒸汽机的速度控制(1788年

3、年)荷 兰 科 学 家荷 兰 科 学 家 C . Hugens (1629-1695)利用反馈控利用反馈控制原理发明了高性制原理发明了高性能的钟摆与天文望能的钟摆与天文望远镜。远镜。(7) 英国英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题首次提出反馈系统的稳定性问题研究，研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。(8) J.C. Maxwell (1831-

4、 1879), 法国科学家，于法国科学家，于1868年发年发表文章表文章“On Governors（论调节器）（论调节器）, 成功解决了二阶成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞与瑞典的典的Hurwitz解决了多阶解决了多阶系统的稳定性系统的稳定性判断。判断。 032213asasas03222133xadtdxadtxdadtxd(9) 俄国俄国A.M. Lyapunov博士论文博士论文“论运论运动动稳定性稳定性的一般问题的一般问题” (1892年年)(10) 英国英国J. M. Gray设计出第一艘全自动设计出第一艘全自

5、动蒸汽轮船蒸汽轮船 “东方东方”号号(Great Eastern)(1866年年)(11)由由徐寿徐寿设计的中国第一设计的中国第一艘 蒸 汽 轮 船艘 蒸 汽 轮 船 “ 黄 鹄黄 鹄 ” 号号(L20m, 25T, 10km/hr)在安在安庆内军械所下水庆内军械所下水(1866)。次。次年，中国第一艘木质明轮年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船蒸汽舰船“恬古恬古”号在江号在江南造船厂下水。南造船厂下水。操江号操江号(62mx10m), 392匹马匹马力，力，600T排水，备炮排水，备炮9门门II.II.经典控制前期经典控制前期(The Pre-classical Period)(The Pre-c

6、lassical Period)(1900-1935)(1900-1935)(1) 美国福特美国福特(Ford Motor)汽车公司汽车公司建成建成最早的汽车装配流水线最早的汽车装配流水线(1913)(2) E. Sperry (1860-1930), 创立创立Sperry公司。由他们设计和制造的公司。由他们设计和制造的陀螺仪陀螺仪和各和各种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼雷、火炮、雷达和飞机种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼雷、火炮、雷达和飞机上。上。L.Sperry(1892-1923), 在在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺仪全自年的巴黎航展中，成功地演示

7、了陀螺仪全自动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做出了重要的贡献。动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做出了重要的贡献。(3) 美国美国N. Minorsky研制出用研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提于船舶驾驶的伺服结构，提出出PID控制方法控制方法(1922)，并成，并成功应用于美国军舰控制。功应用于美国军舰控制。(4) 美国美国MIT的的V. Bush研制成第一台大型模拟计算机研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)美国现代工程之父，美国现代工程之父，1964年获美国总统科学奖（年获美国总统科学奖（National Medal of Science

8、）。）。(5) 美国美国H. S. Black发明了电子放大器发明了电子放大器负反馈方法负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) ,为现代通讯技术奠定了基础。为现代通讯技术奠定了基础。(1927) 1957年获年获IEEE Medal。“毫不夸张地说，没有毫不夸张地说，没有Black的的发明，就没有今天的长距离电话和电视网络发明，就没有今天的长距离电话和电视网络”H. S. Black（AT&T）贝尔实验室研究员(6) 美国美国E. Sperry以及以及C. Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器，气压反馈控制器(1929)I

9、II. III. 经典控制经典控制(Classical Control)(Classical Control)(1935-1950)(1935-1950)(1) 美国贝尔实验室的美国贝尔实验室的H. Bode (1938)，以及以及H.Nyquist(1940)提出提出频率响应法频率响应法H. NyquistH. Bode(2) 美国美国Taylor仪器公司的仪器公司的J. G. Ziegler和和N. B. Nichols提出提出PID参数的最佳调参数的最佳调整法整法(1942)(3) 美国美国MIT的的N. Wiener研究随机过程的预测研究随机过程的预测(1942)，提，提出出Wiene

10、r滤波理论滤波理论(1942)，发表，发表控制论控制论(Cybernetics)一书一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。，标志着控制论学科的诞生。1964年获年获总统科学奖。总统科学奖。N.B. NicholsN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing a n a s p e c t o f s t a t i s t i c a l communication theory(4) 美国的美国的H. Hazen发表发表“关于伺服结构理论关于伺服结构理论”(Theor

11、y of Servome-chanism) (1934)，并在并在MIT建立伺服机构实验室建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939)H. Hazen(5) 英国英国A. M. Turine提出提出图灵计算机图灵计算机的设想。的设想。(1937)(6) J. Von Neuman (1903-1957)发明首台发明首台数字计算机数字计算机，创立，创立Game theory。(7) 在贝尔实验室在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论提出继电器逻辑自动化理论(1938

12、)，随后，发表专著，随后，发表专著通信的数字理论通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础奠定了信息论的基础(1948)信息论之信息论之父父C. E. Shannon （8）李郁荣李郁荣（Y.W. Lee, 1904-1989), 广东人，广东人，N. Wiener的首位博士生的首位博士生(1930年年)，曾任职于清华大学电机系（，曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为），早期为Wiener理论理论的工程应用与推广作了大量的工作。的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到年回到MIT电机系（电机系（1

13、946-1969），与），与Shannon一起成为该系最知名的两个学科带头人。主要工作包一起成为该系最知名的两个学科带头人。主要工作包括随机通讯（括随机通讯（statistical communication theory）和电路理论，培养了大）和电路理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为MIT的最伟大的教育家的最伟大的教育家之一。之一。L.J. Chu(1913-1973)，毕业于上海交大，MIT电机系教授，Radiation Lab 雷达研究最重要的奠基者。Y.W. Lee(9) MIT Radiation Laboratory在

14、研究在研究SCR-584雷达控制系统的过雷达控制系统的过程中，创立了程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作的工作On Noise in Servomechanisms，以及，以及Hurwicz (1947)的数字控制的数字控制系统系统(Sampled Data System)(10) 美国美国W. Evans提出提出根轨迹法根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。(11) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括多本有关

15、经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及，以及钱学森钱学森的的工程控制论工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954)IV IV 现代控制现代控制(Modern Control)(Modern Control) (1950- )(1950- )

16、二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，发射，操纵，指导及跟踪指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现的出现(英国科学家英国科学家A.J.G. MacFarlane)。( 2 ) 美 国美 国 R . B e l l m a n（ U C L ） 在在 R A N D Coporation数学部的支

17、持数学部的支持下，发表著名下，发表著名Dynamic Programming，建立最优，建立最优控制的基础控制的基础(1957)(3) 国际自动控制联合会国际自动控制联合会(IFAC)成立成立(1957)，中国为发起国之一，第，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开一届学术会议于莫斯科召开(1960)(1) 苏联苏联L.S. Pontryagin发发表表“最优过程数学理论最优过程数学理论”，提出提出极大值原理极大值原理(Maximum Principle)(1956)L.S. Pontryagin(4) 美国美国MIT的的Servomechanism Laboratory研制出第一台研制

18、出第一台数控机床数控机床(1952)(5) 世界第一颗人造地球卫星世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功由苏联发射成功(1957)Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957. Laika. Sputnik 2Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This ph

19、oto is a still from a 1967 Soviet documentary film. K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects. (6) 美国美国G. Devol研制出第一台工业机器人样机研制出第一台工业机器人样机(1954)，1959年，被称年，被称为机器人之父的为机器人之父的J. Engelberger创立了第一家机器人公司，创立了第一家机器人公司，Unimation Inc PUMA(8) 美籍匈牙利人美籍匈牙

20、利人R. E. Kalman（1930）发发表表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，等论文，引入状态空间法分析系统，提出能 控 性 ， 能 观 测 性 ， 最 佳 调 节 器 和提出能 控 性 ， 能 观 测 性 ， 最 佳 调 节 器 和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础基础(1960)(7) 1968年，日本年，日本Kawasaki（川崎）（川崎）公司从公司从Unimation买进技术。目买进技术。目前，前，Yaskawa（安川）（安川）公司已成为世界最大机器人公

21、司。机器人技公司已成为世界最大机器人公司。机器人技术体现了电子控制和驱动，传感器以及运动机构一体化的新思想。术体现了电子控制和驱动，传感器以及运动机构一体化的新思想。日本日本Yaskawa公司的工程师把这叫做公司的工程师把这叫做Mechatronics(机电一体化技机电一体化技术术)(1972)R. E. Kalman(9) 苏联苏联东方东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了时代开始了(1961)1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the

22、12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was calculated by electronic computers). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.

23、 宇宙哥伦布-加加林A stamp issued by Russia to memorize Y. GagarinCapsule used in first manned orbit of earth In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.(10) 1963年年, 美国的美国的Lofti Zadeh与与C. Desoer（UCB）发表发表Linear Systems - A State Space Approac

24、h。1965年，年，Zadeh提出模糊集合和提出模糊集合和模糊控制概念。模糊控制概念。(11) 美国的美国的E.I. Jury 发表发表“数字控制系统数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958) C. Desoer(12) 苏联发射苏联发射“月球月球”9号探测器，首次在月面软着陆成号探测器，首次在月面软着陆成功功(1966)，三年后，三年后(1969)，美国，美国“阿波罗阿波罗”11号把宇航员号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。送上月球。N.A. Armstrong

25、(13) 瑞典瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立，六年后，提出了自启调节器，建立自适应自适应控制控制的基础。的基础。Astrom于于1993年获得年获得IEEE Medal of Honor。K. J. Astrom(14) 英国英国H.H Rosenbrock 发表发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大。加拿大W.M Wonham发表发表Linear Multivariable

26、Control: A Geometric Approach(1974) 。(15) 美国的美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念提出计算机集成制造的概念(1969)(16) 美国美国ARPA计算机网络初步建成计算机网络初步建成(1971)(17) 日本日本Fanuc公司研制出由公司研制出由加工中心和工业机器人组成加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元的柔性制造单元(1976)(18) 美国美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系提出用微分几何研究非线性控制系统统(1976)，意大利，意大利A. Isidori出版出版(Nonlinear Control Sy

27、stems) (1985)。R. Brockett(19) 加拿大加拿大G. Zames提出提出H 鲁棒鲁棒控制控制设计方法设计方法(1981年年)(20) 美国美国“哥伦比哥伦比亚亚”号航天飞机首号航天飞机首次发射成功次发射成功(1981年年)Gorge Zames(21) 美国美国A. Bryson 和和Y.C Ho 发表发表Applied Optimal Control (1969)。Y.C Ho 和和X.R Cao等提出等提出离散事件系统理论离散事件系统理论(1983)(22) 中国批准中国批准863高高技术计划，包括自动技术计划，包括自动化领域的计算机集成化领域的计算机集成制造系统和

28、智能机器制造系统和智能机器人两个主题人两个主题(1986)A. BrysonYu C. HoP. Kokotovic(23) 第一台火星探测器第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆在火星表面软着陆(1996)(24) 旅行者旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索对茫茫太空进行探索(26) IEEE Control Systems Award 获得者。(27)二十世纪自动控制领域中最有影响的25篇经典论文（25 seminal papers in control）1.NYQUIST, H., Regeneration theor

29、y, Bell Syst. Tech. J., vol. 11, 1932, pp.126-147 2.BLACK, H.S., Stabilized feedback amplifiers, Bell Syst. Tech. J., vol. 14, 1934, pp.1-18 3.BODE, H.W., Relations between attenuation and phase in feedback amplifier design, Bell Syst. Tech. J., vol. 19, pp. 421-454, 1940 4.WIENER, N., The linear fi

30、lter for a single time series - Chapter III, from: Extrapolation, Interpolation, and Smoothing of Stationary Time Series, pp. 81-103, 1949 5.EVANS, W. R., Control system synthesis by root locus method, Trans. Amer. Institute of Electrical Engineers, 69, pp. 66-69, 1950 6.BELLMAN, R., The structure o

31、f dynamic programming processes, Chapter 3 of Dynamic Programming,“ Princeton University Press, Princeton NJ 1957, pp. 81-89 7.PONTRYAGIN, L.S., Optimal control processes, Uspekhi Mat. Nauk, USSR, Vol. 14, 1959, pp. 3-20. (English translation: Amer. Math. Society Trans., Series 2, vol. 18, 1961, pp.

32、 321-329.) 8.KALMAN, R.E. Contributions to the theory of optimal control, Bol. Soc. Mat. Mexicana, vol. 5, 1960, pp. 102-119 9.KALMAN, R.E. A new approach to linear filtering and prediction problems, Trans. ASME (J. Basic Engineering), vol. 82D, no.1, March 1960, pp. 35-45 10.FELDBAUM, A.A., Dual co

33、ntrol theory, Parts I and II, Automation and Remote Control, Vol. 21, No. 9, April 1961, pp. 874-880 and Vol. 21, No. 11, May 1961, pp. 1033-1039. (Russian originals dated September 1960, 1240-1249 and November 1960, pp. 1453-1464) 11.POPOV, V.M., Absolute stability of nonlinear systems of automatic

34、 control, Auto. Remote Control, vol. 22, No. 8, February 1962, pp. 857-875. (Russian original dated August 1961, pp. 961-979) 12.BRYSON, A.E. and DENHAM, W.F., A steepest-ascent method for solving optimum programming problems, Trans. ASME. J. Appl. Mechanics, June 1962, pp. 247-257 13.YAKUBOVICH, V.

35、A., Solution of certain matrix equations appearing in automatic control, DAN (Doklady Akademii Nauk SSSR), vol.143, No.6, 1962, pp. 1304-1307 14.KALMAN, R.E., Mathematical description of linear dynamical systems, SIAM J. Control, vol. 1, 1963, pp. 152-192 15.ZAMES, G., On the input-output stability

36、of time-varying nonlinear feedback systems-Part I: Conditions derived using concepts of loop gain, conicity, and positivity; Part II: Conditions involving circles in the frequency plane and sector nonlinearities, IEEE Trans. Aut. Control, AC-11, April 1966 pp. 228-238, July 1966, pp. 465-476 16.LaSALLE, J.P., An invariance principle in the theory of stability, in Differential Equations and Dynamical Systems, J. Hale & J.P. LaSalle, Eds., Academic Press, 1967, pp. 277-286 17.WONH