自动控制原理4系2013

自动控制原理

(5.5学分76+12学时)何朕86413411—8504hezhen@主要内容第一章控制系统的一般概念(2学时)第二章控制系统的数学模型(12学时)第三章线性系统的时域分析(14学时)第四章根轨迹法(14学时)第五章线性系统的频域分析(22学时)第六章非线性控制系统分析(10学时)实验序号实验项目名称学时实验要求实验类型每组人数1二阶系统模拟机仿真2必修综合22小功率随动系统的分析与校正4必修综合23调速系统的分析与校正4必修综合24控制系统的计算机辅助设计2必修综合1成绩组成及比例参考文献裴润，《自动控制原理》胡寿松，《自动控制原理》Ogata，《现代控制工程》李友善，《自动控制原理》上课时间1-14周周一，3-4节，致知14周二，3-4节，致知21周四，5-6节，致知21考试时间16周周五(12月20日)15:30--------17:301104101致知231104102致知341104103致知241140101、401致知33第一章控制系统的一般概念一、自动控制发展的历程二、自动控制系统的分类三、控制系统的组成四、对控制系统的基本要求一、自动控制发展的历程

前期控制经典控制现代控制后现代控制前期控制中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C.~1100B.C.)。元延佑三年（公元1316年）造

西汉漏壶中国张衡研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想的提花织机结构图(1637年)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)J.C.Maxwell(1831-1879),法国科学家，于1868年发表文章“OnGovernors,成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，1877年剑桥大学的E.J.Routh与1895年瑞典的Hurwitz分别解决了多阶系统的稳定性判断。

俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)经典控制

WrightBrothers于1903年12月17日完成了人类历史上首次动力飞行，开创了航空业的新篇章。只有鹦鹉才喋喋不休，但它永远也飞不高。

西奥多·冯·卡门（1881年——1963年），匈牙利犹太人，1936年入美国籍，是20世纪最伟大的美国工程学家，开创了数学和基础科学在航空和航天和其他技术领域的应用，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。他所在的加利福尼亚理工学院实验室后来成为美国国家航空和航天喷气实验室，我国著名科学家钱伟长、钱学森、郭永怀都是他的亲传弟子冯·卡门：“我是研究科学的。有一位伟大的科学家用他的定律证明了比空气重的东西是绝对飞不起来的，怎么……”。法尔芒幽默地回答：“是那个研究苹果落地的人吗？幸好我没有读过他的书，不然，今天就不会得到这次飞行的奖金了。我只是个画家、赛车手，现在又成了飞行员。至于飞机为什么会飞起来，不关我的事，您作为教授，应该研究它。祝您成功，再见！”天气动力学研究的道路。我要不惜一切努力去研究风以及在风中飞行的全部奥秘。总有一天我会向法尔芒讲清楚他的飞机为什么能上天的道理的钱学森（1911.12.11-2009.10.31），男，汉族，浙江省杭州人。中国航天事业的奠基人，中国两弹一星功勋奖章获得者，被誉为“中国航天之父”、“中国导弹之父”、“中国自动化控制之父”和“火箭之王”。钱学森生前常对人说，对他一生影响最深和帮助最大的有两个人，一个是开国总理周恩来，一个是自己的岳父蒋百里。“我们结婚44年的生活是很幸福的。在1950年到1955年美国政府对我迫害期间，她管家，为此付出了巨大牺牲；蒋英是女高音歌唱家，她与我的专业相差很远，但，正是由于她为我介绍了音乐艺术，使我丰富了对世界的深刻认识，学会了广阔的思维方法......”美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)E.Sperry(1860-1930),创立Sperry公司。由他们设计和制造的陀螺仪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、雷达和飞机上。L.Sperry(1892-1923),在1914年的巴黎航展中，成功地演示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。美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)H.S.Black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：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

闭环控制系统的结构框图：美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)火力控制(1940年前)BellLabsParkinson二次大战后期的火控系统美国贝尔实验室的应用数学家H.Bode(1938)，美国耶鲁大学的物理学博士Nyquist(1940)提出频率响应法。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)N.B.Nichols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。李郁荣（Y.W.Lee,1904-1989),广东人，麻省理工学院N.Wiener的首位博士生(1930年)，曾任职于清华大学电机系(1931-1937)，早期为Wiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系(1946-1969)，与Shannon一起成为该系最知名的两个学科带头人。其主要工作包括随机通讯(statisticalcommunicationtheory)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MIT的最伟大的教育家之一。在贝尔实验室Bode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(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)C.E.ShannonJ.VonNeuman(1903-1957)发明首台数字计算机，创立Gametheory现代控制

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代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。(1)

苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)(2)

美国R.Bellman在RANDCorporation数学部的支持下，发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)(3)

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)(5)

美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”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)(4)

世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)转折点:Doyle&Stein现代后控制理论

经典控制理论现代控制理论现代后控制理论PostmodernControlTheory研究对象传递函数状态空间模型线性分式变换(LFT)研究内容带宽裕度特征值方差、范数奇异值鲁棒稳定性设计/计算工具Bode图Nyquist图Nichols图李亚谱诺夫方程Riccati方程线性矩阵不等式(LMI)RobustandOptimalControl二、自动控制系统的分类闭环控制：开环控制：1、闭环控制与开环控制闭环控制开环控制优点精度高抗干扰能力强系统结构和调试简单缺点系统结构、设计和调试复杂，可能产生失控——不稳定抗干扰能力差闭环控制与开环控制的比较2、伺服系统与定值控制系统3、控制系统的其它类型线性系统与非线性系统。计算机控制系统与模拟控制系统。运动控制系统与过程控制系统。定常系统与时变系统。三、控制系统的组成控制对象与控制元件1.执