第一章 自动控制的一般概念 (第一讲)

1自动控制原理

—经典部分张婧E-mail：zjing133@163.comTEL:187-532-6396812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)23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34参考书目教材：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.DorfandR.H.Bishop.现代控制系统(第十版).清华大学出版社.4.MorrisDriels.线性控制系统工程.清华大学出版社.45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)56主要内容第一章自动控制的一般概念第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正方法第七章线性离散系统的分析与校正第八章非线性控制系统分析6重点7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1-5自动控制系统的分析与设计工具781-1自动控制的基本原理与方式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81.最早：中国：产生“控制”的思想，而非理论9指南车候风地动仪漏水转浑天仪(一)经典控制理论1010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，得到时间。11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。11122.闭环自动控制系统的出现与应用

欧洲工业革命的标志：JamesWatt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的开度，使蒸汽机转速维持在一定的范围内。12詹姆斯·瓦特1313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？转速自动控制原理143.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14麦克斯韦稳定性15

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。1516

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171865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。徐寿华蘅芳黄鹄号复原图181866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193.2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。19劳斯20

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。20赫尔维茨213.3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。21李雅普诺夫223.4PID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23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。

23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。243.5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。—如何判断系统是否稳定？24布莱克253.6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。25乃奎斯特26

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)。26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。273.7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。

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。27283.8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。28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。293.9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；29贝塔朗斐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。3030维纳31

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。31钱学森32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。32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。334.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。33341938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。34香农

1949年，在发表的《噪声下的通信》中将乃奎斯特的采样定理加以明确说明并作为定理引用。

二战期间为军事领域的密码分析做出贡献，1949年，发表《保密系统的通信原理》使保密通信由艺术变为科学；并于同年证明一次性密钥是无法被破译的。除此之外，对将连续的模拟信号抽样成离散的数字信号的抽样分析理论也有贡献，奠定了数字通信的基础理论。354.2离散系统的稳定性判据

1944年，R.C.Oldenbourg与H.Sartorious以及1948年Tsypkin年分别提出脉冲系统的稳定判据，即线性差分方程的所有特征根应位于单位圆内；并提出一种变换将Z平面的单位圆内部转换到新平面的左半面的方法，即可使用Routh-Hurwitz判据；将连续系统的频域分析方法引入离散系统分析，则求得离散型频率特性后，奈氏稳定判据和其他一切研究线性系统的频率法都可应用。364.3Z变换理论1947年，波兰数学家W.Hurewicz引进一个变换来处理离散序列。

在此基础上，Tsypkin于1949年及J.R.Ragazzini和L.A.Zadeh于1952年分别定义和提出了Z变换的方法，大大简化了运算步骤并在此基础上发展起脉冲控制系统理论。37胡雷维奇38由于Z变换只能反应脉冲系统在采样点的运动规律，故Tsypkin、R.H.Barker和E.I.Jury又分别于1950年、1951年和1956年提出了广义Z变换或修正Z变的方法。

脉冲理论的许多工作是由哥伦比亚大学的Ragazzini及其博士生Jury(离散系统的朱利稳定判据，离散系统的能观性与能达性分析)、R.E.Kalman

(卡尔曼滤波、离散状态方法、离散系统的能控与能观性分析)等完成的。38卡尔曼39当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，这是由它的以下几个特点所决定。1．只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；2．只限于分析和设计SISO系统，采用系统的输入－输出描述方式，从本质上忽略了系统结构的内在特性；3．采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。

3940综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成特定任务。即便对这些极简单的对象、对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展：对经典控制的精确化、数学化及理论化。

4041(二)现代控制理论—第九章、第十章

20世纪50年代中期，在蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展的支持下，迫切地需要解决多变量系统、非线性系统及时变系统的最优控制问题，如：火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、快速响应、最少燃料和最短路径等。这些问题难以用经典控制理论解决。41421892年，Lyapunov提出的稳定性理论被应用到现代控制理论中。

1954年，美国数学家R.Bellman提出了状态分析法，并于1957年提出动态规划理论。1956年，俄罗斯数学家Pontryagin提出极小值原理。这为最优控制提供了理论基础。42贝尔曼庞特里亚金43

1959年，匈牙利裔美国数学家Kalman提出了卡尔曼滤波理论，于1960年在控制系统的研究中成功应用状态空间法，并提出了能控性和能观性的概念，实现了多变量最优控制和最优滤波理论。

43至此，以状态方程为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确定，现代控制理论建立形成。卡尔曼44现代控制理论以线性代数和微分方程为主要数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述系统的外部特性，而且可以揭示系统内部状态和性能。它分析和综合的目标是在揭示系统内在规律的基础上，实现系统在一定意义下的最优化。它的构成带有更高的仿生特点，即不限于单纯的闭环，而扩展为适应环、学习环等。较之经典控制理论，现代控制理论的研究对象要广泛得多，它既可以是单变量的、线性的、定常的、连续的，也可以是多变量的、非线性的、时变的、离散的。

4445现代控制理论具有以下特点：

1.控制对象结构的转变。控制对象结构由简单的单回路模式向多回路模式转变，即从单输入单输出向多输入多输出。它能够处理极为复杂的工业生产过程的优化和控制问题。2.研究工具的转变。(1)积分变换法向矩阵理论、几何方法转变，由频率法转向状态空间的研究；(2)计算机技术发展，由手工计算转向计算机计算。3.建模手段的转变。由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识的统计建模方法。4546(三)智能控制理论

随着科学技术的发展和研究对象的复杂性，控制器及控制任务和目的的复杂性，并且被控对象具有不确定性、变结构、模糊性、强耦合性、时变性和非线性等，很难精确地建立数学模型，因此，借助于数学模型描述和分析的传统控制理论已难以解决复杂系统的问题。这就促使了智能控制理论的产生。461965年，美籍华裔科学家傅京孙教授首先把人工智能的直觉推理方法应用于学习控制系统，将智能控制概括为自动控制和人工智能的结合。

1966年，美国J.M.Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并首先提出了“人工智能控制”的概念。

1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一词。47傅京孙481971年，傅京孙提出智能控制就是人工智能与自动控制的交叉的“二元论”思想，列举三种智能控制系统：人作为控制器、人机结合作为控制器、自主机器人。1977年，Saridis提出了智能控制是人工智能、运筹学、自动控制相交叉的“三元论”思想及分级递阶的智能控制系统框架。

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会。48491987年1月，在美国费城由IEEE控制系统学会与计算机学会联合召开了第一界智能控制国际会议，这标志着智能控制作为一门新学科正式建立起来