第一章自動控制概論

自動控制原理河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院

電子信息科學(xué)系

主講：滕紅麗課時：64學(xué)時

56學(xué)時理論學(xué)習(xí)，8學(xué)時實驗學(xué)分：4.0教材：自動控制原理簡明教程(第2版）主編：胡壽松出版社：科學(xué)出版社授課時間：1-14周課程安排第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.1自動控制的基本原理1.2自動控制系統(tǒng)示例1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4自動控制系統(tǒng)的基本要求1.5自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具本章學(xué)習(xí)要求理解和掌握負(fù)反饋控制原理了解控制系統(tǒng)的組成和分類能確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量和給定量，掌握根據(jù)工作原理圖繪制系統(tǒng)方框圖的方法掌握對控制系統(tǒng)的基本要求

自動控制：1.自動控制技術(shù)及應(yīng)用在無人直接參與的情況下，利用外加的控制裝置，使機械、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運行。自動控制系統(tǒng)：

將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體，這就是自動控制系統(tǒng)。1.1自動控制的基本原理動畫1動畫2在無人直接參與的情況下，利用外加的控制裝置，使機械、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運行。談到自動控制，同學(xué)們能想起那些控制應(yīng)用的實例呢？日本Honda公司推出經(jīng)過改進的機器人“ASIM”。這種能用雙腿直立的機器人相當(dāng)聰明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的時候會主動向人打招呼，并能和主人流利地對話。

世界最先進的夢幻機器人組合——來自日本SONY公司的7位雙足娛樂型機器人“QRIO”。這7位機器人身高60厘米，體重7公斤。雖然身材不那么高大，但卻舉世聞名。其中四位歌舞表演堪稱一絕。下面是其中四個“舞者”來北京演出時的場面：

伺服機器人，是一種以機械位置或角度作為控制對象的機器人。2003年9月16日，Sony公司在日本東京推出最新型的愛寶機器狗。生產(chǎn)廠商稱，這款型號為ERS－7的愛寶機器狗體現(xiàn)了智能寵物發(fā)展的先進水平。水下機器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人員，通過連接潛水器的臍帶提供動力，操縱或控制潛水器，通過水下電視、聲吶等專用設(shè)備進行觀察，還能通過機械手，進行水下作業(yè)。自動控制技術(shù)還體現(xiàn)在交通運輸中，大量的飛機地鐵等交通工具中都大量采用。

2003年6月10日，勇氣號發(fā)射成功；同月25日，機遇號發(fā)射成功。2004年美國東部標(biāo)準(zhǔn)時間1月3日和24日火星車分別登上火星。上面采用了大量先進的智能控制技術(shù)。2.自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

時域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

2.自動控制理論的發(fā)展史起源相對論、量子力學(xué)以及控制論被認(rèn)為是20世紀(jì)的三項偉大科學(xué)成就。1948年美國科學(xué)家維納發(fā)表專著提出了控制論（Cybernetics）。1954年，錢學(xué)森在美國出版《工程控制論》（Engineeringcybernetics），把控制論發(fā)展為一門技術(shù)科學(xué)—工程控制論，成為推動控制論科學(xué)思想的代表人物之一。發(fā)展三階段30年代，波德和奈奎斯特，頻率特性法，經(jīng)典控制理論，研究單因素控制系統(tǒng)，反饋控制，自動調(diào)節(jié)器60年代，貝爾曼和卡爾曼，狀態(tài)空間法為代表，現(xiàn)代控制理論，研究多因素控制系統(tǒng)，重點是最有控制，核心是電子計算機大系統(tǒng)理論，研究對象眾多因素的大系統(tǒng)，重點是遞解控制，核心智能化機器控制理論的研究對象是“控制系統(tǒng)”，以數(shù)學(xué)方法為工具，以工程技術(shù)為支持（背景），控制理論是一門專業(yè)性，工程性的技術(shù)科學(xué)。自動控制的起源于病人在二十世紀(jì)三十年代，美國的哈佛醫(yī)學(xué)院，有位教授若蓀布魯斯(Rosenblueth)每月召集一個談話會。地點：在萬德柏廳(VanderbiltHall)，先聚餐，隨后是聚談。出席人：以醫(yī)生為最多，可是并不限于醫(yī)生。飯后，由其中的一個人，或邀請一個人，講一段心得。思想可以是半生不熟，體裁可以是未經(jīng)裁剪，也許有時是過分自信，也許有時是過分夸張，當(dāng)然最談不到的是謹(jǐn)嚴(yán)。有些參加的人，不能忍受，來一回就不再來了。不過大多數(shù)的人，以為這個會很有價值。因為參加的人并不是僅僅是醫(yī)生或醫(yī)學(xué)家，還有物理學(xué)家、生物學(xué)家。麻省理工學(xué)院距離很近，那里的教授也來了好多人。其中一個人是溫納(NobertWiener)。

自動控制的起源（續(xù)）這個由各個方面專門學(xué)問中走來的科學(xué)家們，是沒有共同語言可談的。但為什么越談越有興趣呢？他們究竟談些什么大家全能欣賞的題目呢？又有什么題目可以引出個人有價值的言論，可以提起團體的興趣呢？他們所根據(jù)的是每個人專門的學(xué)問。而所談的，是使大家能領(lǐng)悟的，是根據(jù)個人的觀點所了解的科學(xué)方法。

生物學(xué)家的術(shù)語，數(shù)學(xué)家不會理解，但生物學(xué)家所用的方法，數(shù)學(xué)家可能領(lǐng)悟；物理學(xué)家的語言，醫(yī)生不會明了，可是物理學(xué)家所用的方法，醫(yī)生卻有了然的可能。這個談話會是三十六行，但話題卻集中在科學(xué)方法上，所以可以說是科學(xué)方法談話會。

自動控制的起源（續(xù)）自從萊布尼茲(Leibniz)而后，世界上再沒有統(tǒng)攝整個科學(xué)領(lǐng)域的通才。到了十九世紀(jì)，幾位大的科學(xué)家，也只是稱雄一面。十九世紀(jì)沒有出萊布尼茲，而只有出高斯(Gauss)，法拉第(Faraday)，達爾文(Darwin)這類大人物，我們把他們名為數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、生物學(xué)家等?？墒堑搅硕兰o(jì)，配稱數(shù)學(xué)家的也不見了，對于一位專門的大家，在稱呼時必加以限制，如拓?fù)鋵W(xué)的數(shù)學(xué)家；或光學(xué)的物理學(xué)家等。

自動控制的起源（續(xù)）Leibniz(1646-1716)最主要的貢獻則是把微分與積分的技巧整理得很清楚，包括微分的四則定理──亦即函數(shù)的四則運算與微分運算的交換法則；也包括了積分的分部積分技巧──它是經(jīng)由微積分基本定理導(dǎo)得的。微積分經(jīng)過一段時期的醞釀，終於在Newton與Leibniz兩人的手中，成為有系統(tǒng)的學(xué)門，所以簡單的說法就認(rèn)定他們兩人是微積分的發(fā)明者。

自動控制的起源（續(xù)）這種過度的分工，是不得不然的，是越演越烈的。由一行分成三十六行，由三十六行分成三百六十行，由三百六十行，分成三千六百行，二十世紀(jì)的科學(xué)家，不下三萬六千行了。這種局面的形成，產(chǎn)生了兩個副作用，第一、是行與行間形成了許多無人管的地帶；第二、甲行所研究出的程序、方法、或設(shè)備，可能對乙行有極大的效用，但乙行常無從利用起，依然是從頭開始。哈佛醫(yī)學(xué)院的談話會，正是在這種氣候下產(chǎn)生的。而就由這個會中產(chǎn)生了『自動控制』的基本觀念。

醫(yī)生作了報告：有一種病人，坐在椅子上，與健康的人毫無差別。但你如果給他一支香煙，他伸手接煙時，總對不準(zhǔn)香煙的位置，不是左搖就是右偏，他的手變成搖來搖去的運動，而始終接不到香煙。這位病人的肌肉是強壯的，身體是健康的。但是卻不能有系統(tǒng)的組織他的動作。

第一道源泉－反饋的觀念談?wù)摰膯l(fā)這個現(xiàn)象很像一個舵手把舵時，把船身形成了左右擺動一樣。人所以不能接一支香煙，是因為人的動作是受制于一種信號，而這個信號的大小卻為正在進行中的反應(yīng)所左右。換句話說，一個原因產(chǎn)生一個相應(yīng)的結(jié)果，而這個結(jié)果又成為一個新的原因刺激到原來的系統(tǒng)上。把隨時所產(chǎn)生的效果變成了原因的一部分。如果把原因結(jié)果的相互關(guān)系圖解出來，如左圖

比如福特(Ford)當(dāng)年以獨特的眼光，給工人加薪，那時，他曾辯論說，給工人加薪似乎是成本高，但工人又買汽車坐，汽車銷路就大了，汽車的銷路一大，成本就減低了。他這套理論很像反饋的觀念的利用

談?wù)摰膯l(fā)美國數(shù)學(xué)家諾伯特.維納(NorbertWiener,1894-1964),1948年,把這門學(xué)問鑄了一個備用的字Cybernetics.確這個字是源于希臘，意思是舵手。安培曾把這個字當(dāng)作政府管理學(xué)。馬克士威爾有一篇文章專說控速器，這個字Governor是源于拉丁。不論是希臘字，還是拉丁字。有人用在操縱的意義上，有人用在舵向的意義上，有人用在管理的意義上，有人用在限制的意義上。于是這個意義貫穿了物理、數(shù)學(xué)、生物、經(jīng)濟以及政治等。我們把這門學(xué)問模糊的譯出意義來，是『控制論』。

自動控制的起源（續(xù)）控制論發(fā)源是否起清華園國內(nèi)學(xué)界存在一種觀點，即控制論思想的醞釀始于清華園，其論據(jù)是，控制論的創(chuàng)始人維納在其自傳中說過“寧愿選擇1935年中國之行作為創(chuàng)立控制論的起點”.出版發(fā)行美國數(shù)學(xué)家諾伯特.維納(NorbertWiener,1984-1964),1948年,出版《控制論》此書的副標(biāo)題是“動物和機器中的控制和通信”?？刂普摰膭?chuàng)立是多學(xué)科和多位學(xué)者共同推進的結(jié)果，與二戰(zhàn)的背景，美國當(dāng)時的技術(shù)條件、各門相關(guān)的科學(xué)理論的成熟與交融密切相關(guān).扭轉(zhuǎn)一個學(xué)科的命運但維納的《控制論》發(fā)表后，在哲學(xué)界曾引起軒然大波。此書的副標(biāo)題是“動物和機器中的控制和通信”。人也是動物，把人和機器并列，甚至等同起來，有褻瀆人類尊嚴(yán)之嫌，所以惹怒了不少哲學(xué)家。前蘇聯(lián)的哲學(xué)界首先發(fā)起攻擊，稱控制論是一種反動的偽科學(xué)，是現(xiàn)代機械論的一種新形式。還有更嚴(yán)重的批評說，控制論是為帝國主義服務(wù)的戰(zhàn)爭工具等。這位科學(xué)家在前蘇聯(lián)和東歐被視為反動的偽科學(xué)家和帝國主義的幫兇。錢學(xué)森-扭轉(zhuǎn)一個學(xué)科的命運1954年，錢學(xué)森在美國出版《工程控制論》（Engineeringcybernetics），把控制論發(fā)展為一門技術(shù)科學(xué)—工程控制論，成為推動控制論科學(xué)思想的代表人物之一?！豆こ炭刂普摗返谝话媸怯⑽陌?，于1954年在美國出版。當(dāng)時錢學(xué)森在加州理工學(xué)院擔(dān)任教授，也是噴氣推進實驗室（JPL，如書中扉頁所寫，當(dāng)時稱為“JetPropulsionCenter”）的負(fù)責(zé)人。那段時期錢學(xué)森在美國受到迫害，被迫離開了國防尖端技術(shù)的研究，受困達5年之久。在困境中，他轉(zhuǎn)向了工程控制論的研究，并出版了此書。中文版是在1958年出版的.《工程控制論》出版1954年《工程控制論》出版，并迅速地被譯成德、俄、中文版。書中系統(tǒng)地揭示了控制論對自動化、航空、航天、電子、通信等科學(xué)技術(shù)的意義和深遠(yuǎn)影響，寫的全是技術(shù)科學(xué)，并未觸及到人類這種動物的尊嚴(yán)。包括前蘇聯(lián)在內(nèi)的世界各國科學(xué)界立即接受了這一新學(xué)科，從而吸引了大批數(shù)學(xué)家、工程技術(shù)學(xué)家從事控制論的研究，推動了五六十年代該學(xué)科發(fā)展的高潮。在這種形勢下，原持批判態(tài)度的哲學(xué)家們只好放下武器，悄悄修改了各辭書中的詞條，肯定控制論是一門“研究信息和控制一般規(guī)律的新興科學(xué)”。影響許多人改變專業(yè)戴汝為院士便是其中之一。戴院士是在1951年考入清華大學(xué)的數(shù)學(xué)系，經(jīng)過1952年的院系調(diào)整，于1955年在北大的數(shù)學(xué)力學(xué)系畢業(yè)，畢業(yè)之后被分配到了力學(xué)所。所里給每個大學(xué)生安排一個導(dǎo)師，由于戴院士要整理《工程控制論》的筆記，所以就跟著錢老。正因為當(dāng)時做的一系列與《工程控制論》相關(guān)的工作，戴院士后來就進了自動化所，直到現(xiàn)在。許多人認(rèn)識戴院士，也是因為《工程控制論》中文譯本的出版。西北工業(yè)大學(xué)校長戴冠中教授和總裝部科學(xué)技術(shù)委員會主任、前國防科技大學(xué)校長郭桂蓉中將，也都是受了《工程控制論》的影響，改變了他們最初的專業(yè)?？刂普撆c自動控制理論控制論是20世紀(jì)中期的科學(xué)進步、技術(shù)進步和社會進步的結(jié)果，它是在哲學(xué)，數(shù)學(xué)，生物科學(xué)，技術(shù)科學(xué)，社會科學(xué)基礎(chǔ)上產(chǎn)生控制論是一般的控制理論，控制論的原理和方法被運用于工程技術(shù)領(lǐng)域形成的工程控制論，通常被理解為自動控制理論。控制理論通常指自動控制理論，控制理論既可以指控制論以前的伺服機構(gòu)理論，也可以指控制論以后的工程控制論。中國人對控制論的貢獻卻無可爭議，并還在繼續(xù)。李郁榮由于受抗日戰(zhàn)爭爆發(fā)的影響，家產(chǎn)和圖書資料盡失，1941年在維納幫助下準(zhǔn)備赴美，又遭太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)，只好滯留于上海數(shù)年，1946年得以重返麻省理工學(xué)院，繼續(xù)與維納合作，后來一直同其加拿大妻子留居美國。因為深刻理解維納的思想實質(zhì)，他很快設(shè)計出一種效果良好的最優(yōu)濾波器，并與人合作大大改進檢測和分析周期信號的裝置—

自相關(guān)器—

維納等用于研究大腦生理結(jié)構(gòu)時使用的主要工具。不僅如此，他還參與完善了經(jīng)典控制論的頻域方法—

主要以頻率為變量，以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具。李郁榮在麻省理工學(xué)院開設(shè)的關(guān)于濾波器及其類似裝置的新設(shè)計方法一門課程，被維納認(rèn)為是控制論的基礎(chǔ)之一。維納由衷地稱贊道:“他培養(yǎng)了一整代年輕的電氣工程師，他們沿著統(tǒng)計路線進行研究，并把我的觀點用作為處理種種通訊問題的一種習(xí)慣方法。"正是由于李郁榮的重新加盟，使得維納精神上“大為振奮”，繼續(xù)深人研究包含伺服機構(gòu)的控制論的整體問題?？刂普撆c中國人在維納思考整理一系列工作，寫作出版《控制論》的前后幾年，中國正進行著社會革命的巨變，海外人士沒能及時將這一理論思潮傳播至中國。因此，在20世紀(jì)50年代中期以前，即從1948年至1953年期間，國內(nèi)學(xué)界還來不及對這一理論有所了解和反應(yīng)，以至對這一理論的最初介紹來自蘇聯(lián)。盡管這是一個遺憾，然而還有慶幸的地方:就在維納和李郁榮供職的麻省理工學(xué)院校園，還有另一位極為優(yōu)秀的華人天才科學(xué)家也正在勤奮地工作，他在以后的幾年內(nèi)的一項研究將大大推進維納的事業(yè)，這就是后來成為工程控制論創(chuàng)立人的錢學(xué)森?？刂普撆c中國人控制論在中國的傳播新中國成立后，百廢待興，科技領(lǐng)域也處于恢復(fù)和重新規(guī)劃的階段。當(dāng)時所有新建立的社會主義國家的領(lǐng)導(dǎo)都公認(rèn)蘇聯(lián)“老大哥”已有30多年社會主義革命和建設(shè)的經(jīng)驗“學(xué)習(xí)蘇聯(lián)”成為這些國家工作的指導(dǎo)方針。中國也不例外，毛澤東在1949年就提出要向蘇聯(lián)“一邊倒”。控制論在中國的傳播1949年中國科學(xué)院組建成立，至1955年中國科學(xué)院學(xué)部成立，確立了中國科學(xué)院作為國家最高學(xué)術(shù)機構(gòu)和科學(xué)研究中心的地位。1950年《科學(xué)通報》創(chuàng)刊，這份期刊注重國際學(xué)術(shù)動態(tài)，特別是對蘇聯(lián)和東歐的學(xué)術(shù)成果的介紹。1956年國家規(guī)劃要在科學(xué)院新建立四個研究所，有計算機所、電子所、半導(dǎo)體所、自動化所。錢老參加了整體規(guī)劃的綜合組。由于當(dāng)時的國際形勢，成立自動化所在很大程度上還是軍事方面的意義。后來一做規(guī)劃，又請了一些蘇聯(lián)的專家，結(jié)果是把“自動化”的定位在了“工業(yè)自動化”上?？刂普撛谥袊膫鞑タ刂普撛谥袊膫鞑サ浆F(xiàn)在,自動化有關(guān)的研究機構(gòu)越來越細(xì)分，如機械工業(yè)自動化所、冶金自動化所等。自動化學(xué)會掛靠在自動化所，所作的工作是研究自動化還有什么發(fā)展余地，像是模式識別。20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)對控制論一開始持反對立場，主要原因是:其一，控制論在哲學(xué)理念上被認(rèn)為是資本主義的，對辯證唯物論是一種反叛和威脅。其二，在冷戰(zhàn)的國際形勢下，兩大陣營都不愿輕易接受對方的任何思想體系，尤其在李森科式的“政治掛帥”的蘇聯(lián)學(xué)術(shù)體制內(nèi)，籠罩著對西方科學(xué)的敵視態(tài)度。其三，當(dāng)時蘇聯(lián)科學(xué)界在自動控制技術(shù)、預(yù)測等領(lǐng)域有著極強的研究實力，理論上也有世界性的成果，如巴甫洛夫(Pavlov,1849-1936)的條件反射理論、柯爾莫戈洛夫(Kolmogorov,1903-1987)的統(tǒng)計預(yù)測理論，以及李亞普諾夫(Liapunov,1911-1973)的微分方程穩(wěn)定性研究等，這些也都是控制論涉足的領(lǐng)域?？刂普撛谥袊膫鞑ヌK聯(lián)三位重量級科學(xué)家索保列夫(SergeiSobolev,1908-1989)、哲托夫(AnatoliiIv

anovichK

itov)、李亞普諾夫聯(lián)合發(fā)表的文章，其中就控制論的科學(xué)意義、電子計算機與神經(jīng)系統(tǒng)、控制論的實用意義三部分，對控制論進行了深刻的闡述。文章指出:“我們的一些哲學(xué)家犯了一個嚴(yán)重的錯誤:他們沒有分析清楚問題的本質(zhì)，就去否定這一新的科學(xué)方向的意義??”。這兩篇對控制論予以正面肯定和介紹的文章在蘇聯(lián)引起了巨大反響，成為蘇聯(lián)學(xué)界轉(zhuǎn)變對控制論看法的標(biāo)志性文獻?？刂普撛谥袊膫鞑タ刂普摳拍顐魅宋覈紫葋碓从谔K聯(lián)，由于國內(nèi)很快確定了其漢譯名，為日后該學(xué)科在我國的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自此，國內(nèi)開始關(guān)注控制論的譯介工作，在科學(xué)哲學(xué)、方法論層面上也逐步展開了學(xué)習(xí)和研究?？梢哉f，1955年是控制論思想在我國生根的一年，而同年《工程控制論》的著者錢學(xué)森先生歸國，注定對國內(nèi)控制論研究與理論發(fā)展起到關(guān)鍵作用?？刂普撛谥袊膫鞑サ诙涝慈M的觀念

戰(zhàn)時的麻省理工學(xué)院，是一個研究中心。不但英國來了好多科學(xué)家，就是美國好多名大學(xué)的科學(xué)家也征召到這里。麻省的劍橋成了一個大熔爐，關(guān)心的事務(wù)很多，但最重要的還是這些科學(xué)家的大集會。這時英國的受擊一天比一天加厲，高射炮火的研究一天比一天重要，而反饋觀念，就在工程上、科學(xué)上的各部門在傳播。由雷達偵察飛機，到高射炮自動開火，是一個有反饋觀念自動控制過程。可是這個系統(tǒng)所涉及的部門，卻不是單純的一件東西，有機械、電機、流控、氣控各種形式的信號的流動。如何研究這些信號，不是一個性質(zhì)上的問題，而是一個數(shù)量上的問題。于是模擬的觀念加強起來。

什么是模擬的觀念呢?

我們在講力學(xué)時，總講牛頓第二定律：所加于物體的力與物體所產(chǎn)生的加速度成比例。這個比例常數(shù)是該物的質(zhì)量。換句話說，如果加速度小，就表示質(zhì)量大，如果加速大，就表示質(zhì)量小。我們又把質(zhì)量的這種特殊牲質(zhì)叫做慣性。在講電學(xué)時，我們又遇到一個定律叫做法拉第定律，所加于線圈的電壓與線圈所產(chǎn)生的電流之變率成比例，我們把這個比例常數(shù)叫電感。電感有時候我們稱為線圈的惰性。在學(xué)電學(xué)時，總是覺得這是一個很難理解的現(xiàn)象。于是我們就想，線圈對電壓的阻撓，正相當(dāng)于質(zhì)量對力的阻撓一樣。模擬的例子一個RLC線圈如右圖：如列出它的微分方程式來，應(yīng)是現(xiàn)在有一機械系統(tǒng)，我們?nèi)绻谐鏊奈⒎址匠淌絹響?yīng)是模擬系統(tǒng)一個是電系統(tǒng)，一個是機械系統(tǒng)，所用的定律全不相干，可是列出的式子卻極相像。我們?nèi)缦胫肋@個機械系統(tǒng)運動的情況，可以由線路上面電流運動的情況而領(lǐng)悟出來。我們把這個電的線路叫做這個機械系統(tǒng)的仿真，而這機械系統(tǒng)叫做該線路的模擬。一個電機工程師可以對機械全不在行，但當(dāng)他知道了質(zhì)量相當(dāng)于電感，摩擦相當(dāng)于電阻，彈性相當(dāng)于電容時，他立刻由線路上電流所應(yīng)有的行為，領(lǐng)悟到這個機械系統(tǒng)應(yīng)有的速度的情況。

第三道源泉－數(shù)字計算器

一九四三年，費城的賓夕法尼亞大學(xué)有一個二十四歲的助教，叫做艾克特(Eckert)，另外還有一個顧問叫做毛士萊(Manchly)，他們領(lǐng)導(dǎo)著十二位科學(xué)家，作了200,000工時，完成了世界第一架數(shù)字電子計算器。

這個計算器的能力相當(dāng)于5,000人的計算能力。桌用計算器要作二十個鐘頭的題目，這個計算器作十秒就完成了。

第一臺電子計算機多大呢？三十呎寬五十呎長屋子才能放下這個計算器。多重呢？三十噸。用多少電呢？相當(dāng)于一個大廣播電臺。它的名字叫做ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)。自動控制中的新部件在自動控制學(xué)中，加入一個新的生力軍，數(shù)字計算器也成為一個組件了。

由自控機構(gòu)到自控觀點

按照史實說，自動控制應(yīng)該由瓦特時代的蒸汽機上的控速器說起，應(yīng)該由馬克士威爾的對控速器的分析算起。我們可以說這是把自動控制當(dāng)成一個機件來看待的時代。到了二次大戰(zhàn)期間，由控制炮位，到控制飛機，到控制航艦等，可以說把自動控制當(dāng)成一套機構(gòu)來看待的時代。

自控系統(tǒng)例子如轉(zhuǎn)動把手R成一新的角度，Q接觸點即向上移，于是P與Q間發(fā)生電位差，差值是e，作用在放大器A上，由A產(chǎn)生的電壓，影響發(fā)電機G，于是電動機受影響而轉(zhuǎn)動，電動機的負(fù)荷，即炮身，即跟著轉(zhuǎn)動。炮自轉(zhuǎn)動時P點也上行，終于PQ電位又復(fù)相等，電位差e等于零，一切都不再動了。自控系統(tǒng)例子這是一套機構(gòu)，而是自動的連帶作用。國內(nèi)自動控制理論的代表人物錢學(xué)森錢學(xué)森（1911.12.11-2009.10.31）。應(yīng)用力學(xué)、航天技術(shù)和系統(tǒng)工程科學(xué)家。生于上海市，原籍浙江省杭州市。1934年畢業(yè)于上海交通大學(xué)。1936年在美國麻省理工學(xué)院獲碩士學(xué)位。1938年獲加州理工大學(xué)博士學(xué)位。1955年回國。曾任中國力學(xué)學(xué)會、中國自動化學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會、中國宇航學(xué)會理事長、名譽理事長等職。現(xiàn)任國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會研究員。

錢學(xué)森院士早年在應(yīng)用力學(xué)和火箭、導(dǎo)彈技術(shù)的許多領(lǐng)域都做過開創(chuàng)性的工作。獨立研究以及和馮.卡門合作研究提出的許多理論，為應(yīng)用力學(xué)、航空工程和火箭導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。回國后長期擔(dān)任火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星研制的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，為創(chuàng)建和發(fā)展我國的導(dǎo)彈、航天事業(yè)作出了杰出貢獻。在工程控制論、系統(tǒng)工程和系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)和人體科學(xué)以及馬克思主義哲學(xué)等許多理論領(lǐng)域都進行過創(chuàng)造性研究，作出了重大貢獻。1956年獲中國科學(xué)院自然科學(xué)獎一等獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎，1991年被國務(wù)院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學(xué)家”榮譽稱號和一級英模獎?wù)?。中國科學(xué)院院士。1994年當(dāng)選為中國工程院院士。宋健所屬領(lǐng)域：運動控制,個人簡介：（1931.12-）

兩院院士，博士，控制理論、航空航天技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、人口控制專家，現(xiàn)任中國工程院院長。

主要科技成果及獲獎情況：主持我國第一代地空導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的設(shè)計和制造，反導(dǎo)彈系統(tǒng)的研制，參與潛地導(dǎo)彈研制，第一代地球同步衛(wèi)星定點控制總指揮，建立最優(yōu)控制場論、分布參數(shù)系統(tǒng)、點測控相耦合的系統(tǒng)理論。首創(chuàng)人口控制論，發(fā)現(xiàn)和證實"人口生育雙向極限定律"。曾獲國家科學(xué)大會獎、國家自然科學(xué)成就獎、國家科技進步一、二等獎、國際數(shù)學(xué)模型協(xié)會艾爾伯特o愛因斯坦獎、達芬奇獎、何梁何利科技成就獎。戴汝為院士戴汝為(1932.12-)云南省昆明市人。1955年畢業(yè)于北京大學(xué)。畢業(yè)后在中國科學(xué)院工作，現(xiàn)任中國科學(xué)院自動化研究所研究員。1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。1980~1982年在美國普渡大學(xué)電機系作訪問學(xué)者。長期從事自動控制、模式識別、人工智能、智能控制及思維科學(xué)的研究。到目前為止，已發(fā)表《智能系統(tǒng)的綜合集成》等學(xué)術(shù)專著5部，學(xué)術(shù)論文180余篇。曾任國家“863計劃”智能計算機主題專家組副組長、國際句法模式識別委員會委員、歐洲《SignalProcessing》雜志海外編委，現(xiàn)任中國自動化學(xué)會理事長、中科院技術(shù)科學(xué)學(xué)部副主任、國務(wù)院學(xué)位委員會控制科學(xué)與工程專業(yè)委員會召集人之一、中科院自動化所學(xué)術(shù)委員會主任、清華大學(xué)智能系統(tǒng)與智能技術(shù)國家開放實驗學(xué)術(shù)委員會主任、《模式識別與人工智能》雜志主編等職。并受聘為清華大學(xué)計算機系、北京師范大學(xué)信息學(xué)院的兼職教授，以及中國科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等三十余所大學(xué)的名譽教授?？刂评碚撌侨祟愒谡鞣匀唬脑熳匀坏亩窢幹兄饾u形成的一門科學(xué)。自動控制原理的基本思想早在19世紀(jì)就已存在20世紀(jì)20年代正式形成一個比較成熟的一門學(xué)科。Black、Nyquist、Bode等人在貝爾實驗室做了一系列工作，奠定了經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。二戰(zhàn)期間，為了解決武器控制問題，各國科學(xué)家和工程技術(shù)人員進行了大量的理論與實驗研究，使古典反饋控制系統(tǒng)在精度、動態(tài)特性和設(shè)計方法上都取得了重大進展，也使第一代經(jīng)典控制理論趨于成熟。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論研究的對象:線性定常系統(tǒng)，主要解決單輸入單輸出問題。研究方法：采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析法。控制思想：保證被控系統(tǒng)穩(wěn)定，并為了達到要求的控制精度，因而采用反饋控制方式。這種經(jīng)典控制理論不僅推動了當(dāng)時社會的自動化技術(shù)的發(fā)展和普及，而且在當(dāng)今社會的許多工程與技術(shù)領(lǐng)域仍然得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代控制理論產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代前后。在這一時期，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展為現(xiàn)代控制理論的形成與發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，這個時期人類發(fā)展航天技術(shù)的需要，以及被控對象和生產(chǎn)過程變的越來越復(fù)雜，不少系統(tǒng)是多輸入多輸出系統(tǒng)，而且對象有強烈的非線性，這些使得古典控制理論已經(jīng)不能適用，因而發(fā)展了以狀態(tài)空間（狀態(tài)方程）為分析手段的時域分析法，主要解決的是多輸入多輸出的多因素控制問題。這一階段著重發(fā)展了最優(yōu)控制、多變量控制、估計理論、濾波理論、自適應(yīng)控制等。從而使控制理論推廣到一個更深入、更廣泛的境界。第二階段的代表人物有前蘇聯(lián)的龐特里亞金－極大值原理；貝爾曼（Bellman）及卡爾曼（R.E.Kalman）－濾波器理論；瑞典的奧斯特隆姆（K.J.Astrom）和法國的朗道（L.D.Landau）教授－自適應(yīng)控制等。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論通常被統(tǒng)一稱為傳統(tǒng)控制理論。傳統(tǒng)控制理論的共同特點是：其分析方法是建立在對象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，也就是說被控對象的動態(tài)特性可以用數(shù)學(xué)公式嚴(yán)格地刻畫出來（即用微積分理論、線性代數(shù)或矢量分析法）。所以可以把傳統(tǒng)控制理論方法概括地稱為“基于數(shù)學(xué)模型的方法”。智能控制理論在實際生產(chǎn)過程控制中，往往會碰到被控系統(tǒng)模型不確定性，或者環(huán)境本身不確定性。對這兩類不確定性系統(tǒng)，現(xiàn)代控制理論通常采用魯棒控制、自適應(yīng)控制和隨機最優(yōu)控制來解決。但對于強烈不確定性和非線性系統(tǒng)來說，現(xiàn)代控制理論也無能為力。因此面對現(xiàn)代控制理論系統(tǒng)的不確定性、復(fù)雜性和高性能要求的挑戰(zhàn)，促使人們探索控制理論的新途徑，于是智能控制也就應(yīng)運而生了。同時，人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，對于那些難以用傳統(tǒng)控制理論來實現(xiàn)的有效控制的復(fù)雜過程，有經(jīng)驗的工程技術(shù)人員卻能憑借經(jīng)驗對它們進行有效控制。例如：停車問題“要把一輛汽車停在擁擠的停車場的兩輛汽車中間”

傳統(tǒng)控制：約束條件（如方向、位置、車速、邊界條件等），幾乎無精度解，從而使問題變的非常復(fù)雜，即使用一臺大型計算機用傳統(tǒng)控制理論方法也很難完成控制任務(wù)。

智能控制：如對于一位有經(jīng)驗的司機來說，憑借經(jīng)驗和技巧，運用直覺推理等智能行為，加上學(xué)習(xí)能力，卻可以輕而易舉地實現(xiàn)控制目標(biāo)。

20世紀(jì)60年代，隨著計算機科學(xué)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了控制理論、信息論、仿生學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)及數(shù)學(xué)等學(xué)科的相互滲透，誕生了一門研究人腦的職能機理，研究如何利用各種方法來模擬人的思維過程和某些智能行為的科學(xué)－人工智能（ArtificialIntelligence，AI），與此同時將人工智能引入控制領(lǐng)域便產(chǎn)生了智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)的出現(xiàn)改變了人們傳統(tǒng)的控制思想，是自動控制領(lǐng)域內(nèi)一次重要的變革。因此，控制理論發(fā)展至今，基本上可以分為以下三個階段：階段第一階段第二階段第三階段形成時間20世紀(jì)40-50年代20世紀(jì)60-70年代20世紀(jì)80年代以后理論基礎(chǔ)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論研究對象單因素控制多因素控制多層次多因素控制分析方法傳遞函數(shù)狀態(tài)方程智能算子核心裝置自動調(diào)節(jié)器數(shù)字計算機智能機器系統(tǒng)研究重點反饋控制最優(yōu)控制自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論智能控制應(yīng)用單機自動化機組自動化系統(tǒng)自動化自動控制的發(fā)展開環(huán)控制確定性反饋控制最優(yōu)控制隨機控制自適應(yīng)控制自學(xué)習(xí)控制智能控制進展方向控制復(fù)雜性高等數(shù)學(xué)積分變換自動控制原理其它專業(yè)課程

1、是一門專業(yè)基礎(chǔ)課

2、理論實踐相結(jié)合理論性非常強,但又和實際應(yīng)用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動控制原理課程特點本課程的學(xué)習(xí)方法要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住問題的本質(zhì)。要抓住重點，即應(yīng)牢固掌握基本概念、基本原理和各種數(shù)學(xué)分析模型的主要特性。學(xué)習(xí)自動控制原理的重要性2、本課程能為解決實際控制問題提供理論和方法1、自動控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。房間交換設(shè)備壓縮機控制板傳感器控制對象執(zhí)行機構(gòu)測量元件控制單元3.反饋控制原理舉例：家用空調(diào)控制器控制系統(tǒng)功能：房間溫度控制在人體比較舒適的范圍（對象、物理量、控制設(shè)備）系統(tǒng)組成：溫度設(shè)定比較單元控制單元執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量元件控制器控制對象反饋比較控制指令家用空調(diào)系統(tǒng)框圖的簡化4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對象

控制系統(tǒng)

測量元件比較元件

控制裝置

放大元件

執(zhí)行機構(gòu)

校正裝置

給定元件基本控制方式

1)開環(huán)控制

2)閉環(huán)控制

3)復(fù)合控制

5.自動控制系統(tǒng)基本控制方式溫度計

加熱電阻絲調(diào)壓器u(a)原理圖~220V輸出量

(手柄位置)輸入量調(diào)壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量(b)方塊圖控制裝置擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

1)開環(huán)控制系統(tǒng)MugudoVGT+-(a)原理圖給定信號(電壓)觸發(fā)器電動機受控對象輸出量(轉(zhuǎn)速)擾動量(b)方塊圖控制裝置晶閘管可控整流器按給定開環(huán)控制+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器負(fù)載

給定信號ug被控量擾動inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R觸發(fā)器晶闡管可控整流器

電動

機按干擾補償開環(huán)控制方框圖中各符號的意義元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負(fù)反饋開環(huán)控制系統(tǒng)的特點

控制裝置與受控對象之間只有正向作用，沒有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)負(fù)反饋原理__將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。

____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路

(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

例1爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖(-)utug擾動

給定裝置

放大器

電動機

轉(zhuǎn)速反饋裝置

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

例函數(shù)記錄儀

函數(shù)記錄儀方框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點既有正向作用，又有反饋作用控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關(guān)，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高。復(fù)合控制系統(tǒng)對系統(tǒng)提出較高要求時使用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合有兩種形式

(1)按輸入作用補償

(2)按擾動作用補償

udoMRiugutTG(a)原理圖

負(fù)載放大器

放大器+n擾動(ML)uiugut(-)(b)方塊圖

擾動檢測裝置

晶闡管可控整流器

轉(zhuǎn)速反饋裝置

電動機

放大器

放大器

觸發(fā)器電動機轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng)按干擾作用補償復(fù)合控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置被控對象測量裝置補償裝置(-)輸入信號輸出信號擾動(b)按擾動作用補償被控量輸入信號(-)補償裝置控制裝置受控對象(a)按輸入作用補償控制系統(tǒng)的組成1.2自動控制系統(tǒng)示例（自學(xué)）重點：根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，畫出各個控制系統(tǒng)的方框圖，找出被控對象、控制裝置，被控量、給定量等。分類運動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時變性系統(tǒng)單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)/分布參數(shù)系統(tǒng)按被控對象分按使用的數(shù)學(xué)方法分按輸入信號特征分按系統(tǒng)功用分恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按控制方式分按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.按輸入信號特征分類

1、恒值控制系統(tǒng)