控制工程基础第一章

1、控制工程基础第一章9/19/2022北京科技大学信息工程学院自动化系1第1页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四主要参考书1、胡寿松.自动控制原理简明教程(第一版），北京：科学出版社，20032、刘豹.现代控制理论（第三版），北京：机械工业出版社，20063、吴麒.自动控制原理上,下册（第二版），北京：清华大学出版社，20064、田作华.工程控制基础，北京：清华大学出版社，20075、Benjamin C.Kuo.自动控制系统(第8版-影印版)，北京：高等教育出版社，2003第2页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四课时安排讲授 48学时；实验 6学时。综合

2、考核要求考试试卷占总成绩70%；平时成绩占总成绩30%。 平时成绩包括：作业、出勤率和实验、期中考试。第3页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四答疑时间：第四周开始每周三下午 4：006：00答疑地点：自动化系系办（信息楼726）课程答疑第4页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四1、绪论引子-信息论、控制论与系统论1.1 课程介绍1.2 控制系统的基本概念1.3 控制系统的组成和基本环节1.4 自动控制系统的分类1.5 自动控制系统基本要求1.6 自动控制理论与技术的产生与发展小结第5页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四本章学习要点了解“

3、三论”在信息学科的地位；了解自动控制的起源和发展；了解闭环控制系统的组成和基本环节；了解反馈控制的工作原理；掌握反馈控制系统的基本要求；学会分析自动控制系统的类型及本质特征。第6页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四物质、能量、信息人类社会生存和发展的三大要素物质（质量、结构）物质守恒：物质不会创生，也不会消失，只会从一个种形态转换成另一种形态（释放能量）。 能量（能源、转换）危机？信息（机制）无限复制与传播？没有物质，什么也不存在；没有能源，什么也不会发生；没有信息，任何事物都没有意义。（美国哈佛大学）农业社会（手工）工业社会（机械，能量转换）信息社会（获取、处理、利用知识

4、、智能）第7页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四科学技术发展历程第8页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四人类社会进步农业社会工业社会信息社会人力工具 - 镰刀 - 锄头 动力工具 - 机车 - 机床信息工具-计算机-网络 第9页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四信息学科解决问题的框架第10页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四信息论控制论系统论信息科学与技术信息科学（Information Science）一门新兴的跨多学科的科学，信息时代的必然产物。以信息为主要研究对象：认识信息（信息论）为基础，以利用信息（控制论

5、和系统论）为目的。信息科学的研究内容阐明信息的概念和本质(哲学信息论)；探讨信息的度量和变换(基本信息论)；研究信息的提取方法(识别信息论)；澄清信息的传递规律(通信理论)；探明信息的处理机制(智能理论)；探究信息的再生理论(决策理论)；阐明信息的调节原则(控制理论)；完善信息的组织理论(系统理论)。扩展人类的信息器官功能，提高人类对信息的接收和处理的能力，实质上就是扩展和增强人们认识世界和改造世界的能力。这既是信息科学的出发点，也是它的最终归宿。 第11页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四信息信息作为科学概念被确定下来，是信息论的主要创始人C.E.香农的贡献。香农认为，信

6、息是“用来消除未来的某种不定性的东西”。信息是通信的内容。通信的直接目的就是要消除接受端（信宿）对于发出端（信源）可能会发出那些消息的不确定性。控制论的创始人N.维纳认为，信息是人们在适应客观世界的过程中与客观世界进行交换的内容的名称。在这里，维纳把人与外界环境交换信息的过程看成是一种广义的通信过程。信息是人与外部世界的中介。信息并非指事物本身，而是指用来表现事物特征的一种普遍形式。我国著名的信息学专家钟义信教授认为：信息是事物存在方式或运动状态，以及这种方式或状态直接或间接的表述。根据近年来人们对信息的研究成果，科学的信息的概念应该概括如下：信息是客观世界中各种事物的运动和变化的反映，是客观

7、事物之间相互联系和相互作用的表征，表现的是客观事物运动和变化的实质内容。第12页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四信息论 information theory信息科学是在信息论基础上发展起来的。20世纪40年代，香农Shannon（贝尔实验室、MIT）完成了“通讯的数学理论”的研究，奠定了信息论的基础。信息熵-度量信息。香农提出通讯系统的模型，定义了信源（信息的源泉、发信者）、信道（信息传输通道）和信宿（信息的归宿、收信者）。该模型科学地模拟了通讯系统的结构和功能。 噪声干扰信源信宿译码信道编码通信系统的模型第13页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四系统

8、论 Systematology 系统论的主要创立者是贝特郎菲（美籍奥地利生物学家），他于1945年发表了关于一般系统论的论文，宣告了这门学科的诞生。由生物学逐步扩大到工程、社会各方面, 形成“ 一般系统论” 。要素结构系统功能环境构成了系统五位一体的关系。系统诸要素相互联系相互作用的内在组织形式或内部秩序叫做系统的结构；与此相对应，关于系统与环境相互联系相互作用的外在活动形式或外部秩序，则称之为系统的功能。而信息是系统秩序的保证。系统是由两个或两个以上相互区别并相互联系的要素，为了达到一定目的，以一定方式结合起来而形成的整体。第14页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四系统论

9、系统论认为世界上一切事物、现象和过程几乎都是有机整体，且又都自成系统、互为系统每个系统都是在与环境发生物质、能量、信息的交换中变化发展，并能保持动态稳定的开放系统系统内部及系统之间保持一种有序状态系统具有三个基本的组成部分：输入；加工；输出。任何一个系统都是为了完成某一特定目标而构造的。第15页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四系统的分类钱学森分类第16页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四系统科学的核心内容系统的6大特性。一个系统同时具备6个特性：组成性、层次性、边界性、相关性、目的性、整体性。系统论的5个基本规律。即结构功能相关规律、信息反馈规律、竞争

10、协同规律、涨落有序规律和优化演化规律。系统论的8个原理。这八大原理分别用来说明系统的整体性、层次性、开放性、目的性、突变性、稳定性、组织性和相似性的特点。系统论的重要观念。系统论的观念体现在系统的特性、系统论的基本规律和原理之中。第17页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制论 Cybernetics维纳发表了控制论，用统一的观点讨论了人、动物和机器的通讯和控制活动，标志着控制论学科的诞生。所谓控制，是指施控主体对受控客体的一种能动作用。控制作为一种作用，至少要有作用者与被作用者以及作用的传递者这样三个因素。这三个组成部分组成一个整体，相对于某种环境而言，具有控制的功能，这

11、就被称为控制系统。钱学森于1954年出版了工程控制论，是控制论进入了应用领域。 第18页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制论控制论是在信息反馈理论的基础上建立起来的。控制的核心概念是反馈, 反馈的内涵是指信息从授者到受者经过处理返回给授者的过程。控制机制正是依靠信息，具体地说是依靠信息反馈来达到控制目的。反馈闭环控制是自动控制最基本、最常用的形式,而系统是指相互关联、互相制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。系统的性能主要取决于系统中各部分或各子系统间的配合与协调。对整个系统的控制不能简单地看作各部分或各子系统的控制,而必须是在综合考虑部分或子系统的控制

12、及相互间的作用以及整个系统的更高层次的控制,这便是系统的观念和方法。第19页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四反馈控制原理一个例子淋浴水温控制过程：开水试温调节试温合适停止调节比较控制动作阀门期望温度出水温度第20页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四反馈控制原理第21页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四反馈控制原理第22页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四课程介绍控制工程基础是一门技术学科，研究控制系统的建立、分析与设计； 是本学科的技术基础课。自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术

13、。依靠它，人类可以从笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。第23页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四课程介绍过程控制电机与拖动线性代数微积分控制理论自动控制原理现代控制理论计算机技术通讯技术积分变换复变函数第24页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理系统由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。控制使某些物理量按指定的规律变化(包括保持恒定)，以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手

14、段。自动控制在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制。自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。一般由控制器，控制对象，测量元件等组成。第25页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理12扰动量给定量输出量 1 - 控制器(调压器) 2 - 被控对象(电阻炉)图中：温度控制系统 性能指标 工作过程第26页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四适用范围：输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大

15、。控制系统的基本概念和原理开环控制：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。开环控制特点结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题输入控制输出输出不参与控制系统没有抗干扰能力第27页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理温度闭环控制系统220V12uc从受控对象（电加热炉）获取输出量（实际炉温），并回送到输入端（即反馈），与输入量（给定炉温）进行比较产生偏差信号（温度差），利用偏差信号经过控制器（手臂）产生控制量（电阻丝两端的电压），从而跟踪输入量，减小误差。第28页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本

16、概念和原理自动闭环控制：该系统中，炉温通过热电耦测量，并将温度值转换为一个电压值Uf。给定炉温通过一个电位器的电压值Ug反映。通过Ug与Uf的反向串接，就可以实现人脑中的比较算法UgUf U。U的大小反映了实测炉温与给定炉温的差别，而且它的正负决定了执行机构电机的转向。执行电机代替了人的手臂。第29页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理闭环控制结构图 1控制器 2执行机构 3控制对象 4检测装置 反馈工作原理：发现偏差消除偏差。第30页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理 反馈控制把输出量的一部分检测出来,反馈

17、到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化；反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈。 反馈控制特点输入控制输出，输出参与控制检测偏差、纠正偏差具有抗干扰能力结构复杂第31页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的基本概念和原理闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的，所以经典控制理论的主要研究对象是负反馈的闭环控制系统，研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良的控制系统。第32页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期

18、四控制系统的组成和基本环节 1给定环节；2比较环节；3校正环节；4放大环节；5执行机构；6被控对象；7检测装置1.闭环控制系统的结构及基本环节设定被控制量的给定值的装置将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量，多用差动放大器实现负反馈一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值要进行控制的设备或过程控制系统所控制的物理量（被控量） 检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量用来实现调节作用，如放大、整流，也称为调节器或调节环节第33页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四220V12uc开环控制闭环控制第34页，共83

19、页，2022年，5月20日，0点40分，星期四(1) 被控对象(2) 被控量或输出量(3) 控制量(4) 设定量或输入量(5) 扰动量(6) 反馈量(7) 偏差量(8) 前向通道或正向通道(9) 反馈通道或反向通道(10) 理想输出(11) 实际输出(12)检测量第35页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制系统的组成和基本环节(1) 被控对象(2) 被控量或输出量(3) 控制量(4) 设定量或输入量(5) 扰动量(6) 反馈量2.闭环控制系统中的基本术语(7) 偏差量(8) 前向通道或正向通道(9) 反馈通道或反向通道(10) 理想输出(11) 实际输出(12)检测量第3

20、6页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制系统的分类1.按照主要元件的特性方程的输入输出特征划分线性系统：由线性元件组成的系统，主要特征是满足叠加原理和齐次定理，即当系统在输入信号u1(t)的作用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号u2(t)的作用下产生系统的输出y2(t)。如果系统的输入信号为au1(t)+bu2(t)时，系统的输出满足ay1(t)+by2(t)，系数a,b可以是常数，也可以是时变参数。非线性系统：由非线性元件组成的系统，不满足叠加原理和齐次定理。第37页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制系统的分类2.按照信号传递方

21、式划分连续控制系统：系统各部分的信号都是时间的连续函数。 离散控制系统：系统的一处或几处信号是以脉冲系列或数码的形式传递。 3.按照输入量的变化规律划分恒值系统：给定量是恒定不变的。随动系统：给定量是按照事先未知的时间函数变化的。 程序控制系统：给定量按照一定的时间函数变化。第38页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制系统的分类4. 按照端口关系划分SISO系统MIMO系统第39页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制系统基本要求1. 对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”是指系统的稳定性。 稳定性 是保证控制系统

22、正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的静态品质。 表明了系统的精确性和准确性。第40页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四2. 稳态性能指标稳态误差：当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。 自动控制系统基本要求第41页，共83页，2

23、022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制系统基本要求有差系统（图a）：若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。 无差系统（图b）：若稳态误差为零，则系统称为无差系统。第42页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展自动控制理论的发展大致经历了以下几个过程：一、 萌芽阶段：如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。2.公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统。水运仪象台1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。指南车第43页，共83页，20

24、22年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展二、 起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。第44页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展 1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）针对高阶微分方程描述的更复杂的系统,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。 赫尔维茨（Hurwitz）第45页，共83页，2022年，5月20日，0点40

25、分，星期四自动控制技术的产生与发展美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)美国N. Minorsky（米诺尔斯基）研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)美国MIT（麻省理工学院 ，美国一所私立高等学校，一译马萨诸塞理工学院。）的Vannevar Bush（范内瓦布什）研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)第46页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展美国H.S. Black（布莱克）提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amp

26、lifier) (1927)H. S. Black第47页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展 由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，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。 奈奎斯特三、 经典控制理论阶段第48页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展 1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古

27、典）控制理论（或自动控制原理）。第49页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展美国贝尔实验室的H. Bode(1938)。美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。N.B. NicholsN. WienerN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (l

28、eft) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory第50页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展 1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并于1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父韦纳标志性的成果第51页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发

29、展自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 闭环控制系统的结构框图：第52页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并于1954年出版了工程控制论。钱学森第53页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展四、现代控制理论阶段 二次世界大战中火炮

30、、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代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射、操纵、制导及跟踪)、卫星、航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane麦克法兰 )。第54页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展美国R. Bellman（贝尔曼）在RAND Corporation（兰德公司）数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming（动态规划），建立最优控制的基础(1957)苏联L.S. Pontryagin（庞特里亚金）发表“最优过程数学理论”，提出

31、极大值原理(Maximum Principle) (1956)L.S. Pontryagin第55页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”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kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)R.E. Kalman国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)第56页，共83页，2022年，5月20日，

32、0点40分，星期四1963年, 美国的Lofti Zadeh与C. Desoer（戴索尔）发表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念美国的E.I. Jury （朱利）发表“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(1958) 自动控制技术的产生与发展第57页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制技术的产生与发展瑞典Karl J. Astrom（奥斯特隆姆）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

33、法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor。英国H.H Rosenbrock（罗森布罗克） 发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham（旺纳姆） 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach(1974) 。第58页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四美国R. Brockett（布洛克特）提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A. Isidori

34、（伊西多）出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。A. IsidoriR. Brockett自动控制技术的产生与发展第59页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四 加拿大G. Zames（詹姆斯）提出H鲁棒控制设计方法(1981年)Gorge Zames自动控制技术的产生与发展美国A. Bryson （布莱森）和Y.C Ho（何毓琦） 发表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao（曹希仁）等提出离散事件系统理论(1983)A. BrysonYu C. Ho第60页，共83页，2022年，5月20

35、日，0点40分，星期四中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)自动控制技术的产生与发展第61页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四IEEE Control Systems Award 获得者。自动控制技术的产生与发展第62页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四控制技术的应用军事领域 民用领域控制理论研究问题讨论控制系统的一般规律分析设计合理的自动控制系统综合第63页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四数学工具： 经典控制理论 研究对象： 频率分析法 图表根轨迹分析法 分析时域分析法（传递函

36、数） SISO系统现代控制理论研究对象： MIMO系统 非线性系统 数学工具： 状态空间法智能控制理论研究对象： 大系统 复杂系统数学工具： 推理决策第64页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四课程主要内容-古典部分第65页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四自动控制的基本概念开环控制与闭环控制负反馈的闭环控制系统的工作原理专用术语及控制系统的组成小 结自动控制系统的性能指标要求第66页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大

37、时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。第67页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传

38、递情况以及它们对输出量的影响。第68页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四5.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有： 稳定性系统能工作的首要条件； 快速性用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述； 准确性用稳态误差来衡量。 第69页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四指南车 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，

39、右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。 指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。第70页，共83页，2022年，5月20日

40、，0点40分，星期四指南车传说中的制造者：风后 考证中的制造者：三国时期（曹魏）马钧指南车第71页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四水运仪象台 整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着1台浑仪， 屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里

41、是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。 这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。 水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。 第72页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四水运仪象台水运仪象台北宋时代把浑仪、浑象和报时装置结合在一起的大型天文仪器，是苏颂、韩公廉等人在开封设计制造的。英国科学家李约瑟等人认为水运仪象台“可能是

42、欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。 第73页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四瓦特JamesWatt 到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。 （JamesWatt,17361819）英国发明家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。 15岁学完了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。 1753年他在一家钟表店学手艺，并跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，

43、他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。1768年他制成了一台单动作蒸汽机 。1781年，他发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动， 1782年他发明了大动力的“双动作蒸汽机”并获得专利 。1784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了蒸汽机配套用压力计。 第74页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四瓦特Jame

44、sWatt 瓦特(James Watt,17361819年)苏格兰发明家1768年他制成了一台单动作蒸汽机 。1781年，他发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动， 1782年他发明了大动力的“双动作蒸汽机”并获得专利 。1784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了蒸汽机配套用压力计。第75页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四范内瓦布什（Vannevar Bush），信息时代的教父 在信息产业领域里，范内瓦布什更是功勋卓著。美国国内两个著名的高科技工业园

45、区加州的“硅谷”和波士顿128号公路的“高科技走廊”的诞生都凝结了布什的心血。被人称为“硅谷之父”的弗雷德里克特曼在MIT获得电子学博士学位的导师不是别人正是布什。1939年诞生的惠普公司是特曼的胜利，也是布什的胜利。范内瓦布什还被称为“超文本之父”，早在40年代他就预见到了PC和Web的出现。1945年，在那篇著名的论文如我们所想（As We May Think）中，布什设想了一种能够存储大量信息，并能在相关信息之间建立联系的机器。这个想象正是现在的Internet。后来，在布什发表的另一篇论文中他又提出这种机器（媒体）能够把视频和声音集成在一起。而这恰恰是今天为人们获取信息提供巨大方便的W

46、eb的核心思想。正是基于对范内瓦布什如此深邃的洞察力和预见力的钦佩，在1974年他逝世以前，计算技术前沿的许多科学家都尊敬地称他为“信息时代的教父”。 范内瓦布什（Vannevar Bush），这位具有6个不同学位的科学家、教育家和政府官员与本世纪许多著名的事件都有着千丝万缕的联系，其中包括“曼哈顿计划”、硅谷、国际互联网等。倒转信息时代的时钟，无论你审视信息技术发展史的哪个领域，范内瓦布什都是在那里留下过足迹的具有远见的先驱性人物。正如历史学家迈克尔雪利（Michael Sherry）所言，“要理解比尔盖茨和比尔克林顿的世界，你必须首先认识范内瓦布什。”正是因其在信息技术领域多方面的贡献和超

47、人远见，范内瓦布什获得了“信息时代的教父”的美誉。第76页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四 作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(Johnson-Nyquist noise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。早期的理论性工作关于确定传输信息的需满足的带宽要求，在贝尔系统技术期刊上发表了影响电报速度传输速度的因素文章，为后来香农的信息论奠定了基础。 1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著

48、名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了电报传输理论的一定论题。 1954年，他从贝尔实验室退休。 奈奎斯特，美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年1934年在AT&T（美国电话电报公司）公司工作，后转入贝尔电话实验室工作。 奈奎斯特第77页，共83页，2022年，5月20日，0点40分，星期四 维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。 维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是采用了一种叫“反馈”的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同