工業(yè)控制基礎課件ppt

1、工業(yè)控制基礎主講：蔣棟年I.I.早期控制早期控制(Early Control)(Early Control)(1400B.C. - 1900(1400B.C. - 1900) )(0) 中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺自動計時漏壺(1400B.C. 1100B.C.)。孫武著。孫武著孫子兵法孫子兵法(600B.C.)(1) 秦昭王時，秦昭王時，李冰李冰主持修筑主持修筑都江堰都江堰體現(xiàn)的系體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實踐統(tǒng)觀念和實踐(300B.C.)西漢漏壺2、自動控制技術的發(fā)展與人類文明進步、自動控制技術的發(fā)展與人類文明進步(3) 中國中國張衡張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的

2、發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風候風地動儀地動儀(132年年)(2) 亞歷山大的亞歷山大的希羅希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年年)(4) 中國中國馬鈞馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車指南車(235年年)(5) 中國明代中國明代宋應星宋應星所著所著天工開物天工開物記載有程序控制思想記載有程序控制思想(CNC)的的提花提花織機織機結構圖結構圖(1637年年)(6) 英國英國J. Watt基于機械式調(diào)節(jié)原理用離心式調(diào)速器實現(xiàn)基于機械式調(diào)節(jié)原理用離心式調(diào)速器實現(xiàn)了蒸汽機的速度控制了蒸汽機的速度控制(1788年

3、年)荷 蘭 科 學 家荷 蘭 科 學 家 C . Hugens (1629-1695)利用反饋控利用反饋控制原理發(fā)明了高性制原理發(fā)明了高性能的鐘擺與天文望能的鐘擺與天文望遠鏡。遠鏡。(7) 英國英國 G.B. Airy（1801-1892) 系統(tǒng)的研究了天文望遠鏡的速度控制，并根據(jù)倒立系統(tǒng)的研究了天文望遠鏡的速度控制，并根據(jù)倒立擺離心力原理，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。擺離心力原理，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。首次提出反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題首次提出反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題研究，研究，以及利用微分方程來研究反饋控制動力學系統(tǒng)。以及利用微分方程來研究反饋控制動力學系統(tǒng)。(8) J.C. Maxwell (1831-

4、 1879), 法國科學家，于法國科學家，于1868年發(fā)年發(fā)表文章表文章“On Governors（論調(diào)節(jié)器）（論調(diào)節(jié)器）, 成功解決了二階成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學的及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學的E.J.Routh與瑞與瑞典的典的Hurwitz解決了多階解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。判斷。 032213asasas03222133xadtdxadtxdadtxd(9) 俄國俄國A.M. Lyapunov博士論文博士論文“論運論運動動穩(wěn)定性穩(wěn)定性的一般問題的一般問題” (1892年年)(10) 英國英國J. M. Gray設計出第一艘全自動設計出第一艘全自

5、動蒸汽輪船蒸汽輪船 “東方東方”號號(Great Eastern)(1866年年)(11)由由徐壽徐壽設計的中國第一設計的中國第一艘 蒸 汽 輪 船艘 蒸 汽 輪 船 “ 黃 鵠黃 鵠 ” 號號(L20m, 25T, 10km/hr)在安在安慶內(nèi)軍械所下水慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次。次年，中國第一艘木質(zhì)明輪年，中國第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船蒸汽艦船“恬古恬古”號在江號在江南造船廠下水。南造船廠下水。操江號操江號(62mx10m), 392匹馬匹馬力，力，600T排水，備炮排水，備炮9門門II.II.經(jīng)典控制前期經(jīng)典控制前期(The Pre-classical Period)(The Pre-c

6、lassical Period)(1900-1935)(1900-1935)(1) 美國福特美國福特(Ford Motor)汽車公司汽車公司建成建成最早的汽車裝配流水線最早的汽車裝配流水線(1913)(2) E. Sperry (1860-1930), 創(chuàng)立創(chuàng)立Sperry公司。由他們設計和制造的公司。由他們設計和制造的陀螺儀陀螺儀和各和各種控制裝置被廣泛的應用到二戰(zhàn)時期的美軍軍艦、魚雷、火炮、雷達和飛機種控制裝置被廣泛的應用到二戰(zhàn)時期的美軍軍艦、魚雷、火炮、雷達和飛機上。上。L.Sperry(1892-1923), 在在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺儀全自年的巴黎航展中，成功地演示

7、了陀螺儀全自動機身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻。動機身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻。(3) 美國美國N. Minorsky研制出用研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提于船舶駕駛的伺服結構，提出出PID控制方法控制方法(1922)，并成，并成功應用于美國軍艦控制。功應用于美國軍艦控制。(4) 美國美國MIT的的V. Bush研制成第一臺大型模擬計算機研制成第一臺大型模擬計算機(Differential Analyzer)(1928)美國現(xiàn)代工程之父，美國現(xiàn)代工程之父，1964年獲美國總統(tǒng)科學獎（年獲美國總統(tǒng)科學獎（National Medal of Science

8、）。）。(5) 美國美國H. S. Black發(fā)明了電子放大器發(fā)明了電子放大器負反饋方法負反饋方法(Negative Feedback Amplifier) ,為現(xiàn)代通訊技術奠定了基礎。為現(xiàn)代通訊技術奠定了基礎。(1927) 1957年獲年獲IEEE Medal?！昂敛豢鋸埖卣f，沒有毫不夸張地說，沒有Black的的發(fā)明，就沒有今天的長距離電話和電視網(wǎng)絡發(fā)明，就沒有今天的長距離電話和電視網(wǎng)絡”H. S. Black（AT&T）貝爾實驗室研究員(6) 美國美國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)，氣壓反饋控制器，氣壓反饋控制器(1929)I

9、II. III. 經(jīng)典控制經(jīng)典控制(Classical Control)(Classical Control)(1935-1950)(1935-1950)(1) 美國貝爾實驗室的美國貝爾實驗室的H. Bode (1938)，以及以及H.Nyquist(1940)提出提出頻率響應法頻率響應法H. NyquistH. Bode(2) 美國美國Taylor儀器公司的儀器公司的J. G. Ziegler和和N. B. Nichols提出提出PID參數(shù)的最佳調(diào)參數(shù)的最佳調(diào)整法整法(1942)(3) 美國美國MIT的的N. Wiener研究隨機過程的預測研究隨機過程的預測(1942)，提，提出出Wiene

10、r濾波理論濾波理論(1942)，發(fā)表，發(fā)表控制論控制論(Cybernetics)一書一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。，標志著控制論學科的誕生。1964年獲年獲總統(tǒng)科學獎?？偨y(tǒng)科學獎。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) 美國的美國的H. Hazen發(fā)表發(fā)表“關于伺服結構理論關于伺服結構理論”(Theor

11、y of Servome-chanism) (1934)，并在并在MIT建立伺服機構實驗室建立伺服機構實驗室(Servomechanism Laboratory) (1939)H. Hazen(5) 英國英國A. M. Turine提出提出圖靈計算機圖靈計算機的設想。的設想。(1937)(6) J. Von Neuman (1903-1957)發(fā)明首臺發(fā)明首臺數(shù)字計算機數(shù)字計算機，創(chuàng)立，創(chuàng)立Game theory。(7) 在貝爾實驗室在貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的領導的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C. Shannon提出繼電器邏輯自動化理論提出繼電器邏輯自動化理論(1938

12、)，隨后，發(fā)表專著，隨后，發(fā)表專著通信的數(shù)字理論通信的數(shù)字理論(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息論的基礎奠定了信息論的基礎(1948)信息論之信息論之父父C. E. Shannon （8）李郁榮李郁榮（Y.W. Lee, 1904-1989), 廣東人，廣東人，N. Wiener的首位博士生的首位博士生(1930年年)，曾任職于清華大學電機系（，曾任職于清華大學電機系（1931-1937），早期為），早期為Wiener理論理論的工程應用與推廣作了大量的工作。的工程應用與推廣作了大量的工作。1946年回到年回到MIT電機系（電機系（1

13、946-1969），與），與Shannon一起成為該系最知名的兩個學科帶頭人。主要工作包一起成為該系最知名的兩個學科帶頭人。主要工作包括隨機通訊（括隨機通訊（statistical communication theory）和電路理論，培養(yǎng)了大）和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領域中的知名學者和工程師，被譽為批電子工程領域中的知名學者和工程師，被譽為MIT的最偉大的教育家的最偉大的教育家之一。之一。L.J. Chu(1913-1973)，畢業(yè)于上海交大，MIT電機系教授，Radiation Lab 雷達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雷達控制系統(tǒng)的過雷達控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了程中，創(chuàng)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)的數(shù)字控制的數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)(Sampled Data System)(10) 美國美國W. Evans提出提出根軌跡法根軌跡法(Root Locus Method) (1948)，以以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。(11) 多本有關經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括多本有關

15、經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，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，以及錢學森錢學森的的工程控制論工程控制論(Engineering Cybernetics) (1954)IV IV 現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制(Modern Control)(Modern Control) (1950- )(1950- )

16、二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，發(fā)射，操縱，指導及跟蹤指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術的出現(xiàn)的出現(xiàn)(英國科學家英國科學家A.J.G. MacFarlane)。( 2 ) 美 國美 國 R . B e l l m a n（ U C L ） 在在 R A N D Coporation數(shù)學部的支

17、持數(shù)學部的支持下，發(fā)表著名下，發(fā)表著名Dynamic Programming，建立最優(yōu)，建立最優(yōu)控制的基礎控制的基礎(1957)(3) 國際自動控制聯(lián)合會國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開一屆學術會議于莫斯科召開(1960)(1) 蘇聯(lián)蘇聯(lián)L.S. Pontryagin發(fā)發(fā)表表“最優(yōu)過程數(shù)學理論最優(yōu)過程數(shù)學理論”，提出提出極大值原理極大值原理(Maximum Principle)(1956)L.S. Pontryagin(4) 美國美國MIT的的Servomechanism Laboratory研制出第一臺研制

18、出第一臺數(shù)控機床數(shù)控機床(1952)(5) 世界第一顆人造地球衛(wèi)星世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功由蘇聯(lián)發(fā)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) 美國美國G. Devol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，1959年，被稱年，被稱為機器人之父的為機器人之父的J. Engelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation Inc PUMA(8) 美籍匈牙利人美籍匈牙

20、利人R. E. Kalman（1930）發(fā)發(fā)表表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能 控 性 ， 能 觀 測 性 ， 最 佳 調(diào) 節(jié) 器 和提出能 控 性 ， 能 觀 測 性 ， 最 佳 調(diào) 節(jié) 器 和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎基礎(1960)(7) 1968年，日本年，日本Kawasaki（川崎）（川崎）公司從公司從Unimation買進技術。目買進技術。目前，前，Yaskawa（安川）（安川）公司已成為世界最大機器人公

21、司。機器人技公司已成為世界最大機器人公司。機器人技術體現(xiàn)了電子控制和驅(qū)動，傳感器以及運動機構一體化的新思想。術體現(xiàn)了電子控制和驅(qū)動，傳感器以及運動機構一體化的新思想。日本日本Yaskawa公司的工程師把這叫做公司的工程師把這叫做Mechatronics(機電一體化技機電一體化技術術)(1972)R. E. Kalman(9) 蘇聯(lián)蘇聯(lián)東方東方-號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了時代開始了(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、 宇宙哥倫布-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, 美國的美國的Lofti Zadeh與與C. Desoer（UCB）發(fā)表發(fā)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) 美國的美國的E.I. Jury 發(fā)表發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)” (Sampled-Data Control System) ，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎(1958) C. Desoer(12) 蘇聯(lián)發(fā)射蘇聯(lián)發(fā)射“月球月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成號探測器，首次在月面軟著陸成功功(1966)，三年后，三年后(1969)，美國，美國“阿波羅阿波羅”11號把宇航員號把宇航員N. A. Armstrong送上月球。送上月球。N.A. Armstrong

25、(13) 瑞典瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法估計問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應自適應控制控制的基礎。的基礎。Astrom于于1993年獲得年獲得IEEE Medal of Honor。K. J. Astrom(14) 英國英國H.H Rosenbrock 發(fā)表發(fā)表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大。加拿大W.M Wonham發(fā)表發(fā)表Linear Multivariable

26、Control: A Geometric Approach(1974) 。(15) 美國的美國的M. E. Merchant提出計算機集成制造的概念提出計算機集成制造的概念(1969)(16) 美國美國ARPA計算機網(wǎng)絡初步建成計算機網(wǎng)絡初步建成(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業(yè)機器人組成加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元的柔性制造單元(1976)(18) 美國美國R. Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)統(tǒng)(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 魯棒魯棒控制控制設計方法設計方法(1981年年)(20) 美國美國“哥倫比哥倫比亞亞”號航天飛機首號航天飛機首次發(fā)射成功次發(fā)射成功(1981年年)Gorge Zames(21) 美國美國A. Bryson 和和Y.C Ho 發(fā)表發(fā)表Applied Optimal Control (1969)。Y.C Ho 和和X.R Cao等提出等提出離散事件系統(tǒng)理論離散事件系統(tǒng)理論(1983)(22) 中國批準中國批準863高高技術計劃，包括自動技術計劃，包括自動化領域的計算機集成化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和

28、智能機器制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題人兩個主題(1986)A. BrysonYu C. HoP. Kokotovic(23) 第一臺火星探測器第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸在火星表面軟著陸(1996)(24) 旅行者旅行者Voyager 一號，二號開始走出太陽系，一號，二號開始走出太陽系， 對茫茫太空進行探索對茫茫太空進行探索(26) IEEE Control Systems Award 獲得者。(27)二十世紀自動控制領域中最有影響的25篇經(jīng)典論文（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