工業(yè)控制基礎課件

工業(yè)控制基礎主講：蔣棟年一、自動控制概述自動化與自動控制自動控制技術(shù)的發(fā)展與人類文明進步1、自動化與自動控制自動化（Automation）——機器或裝置在無人干預情況下按指定的程序或指令自動地進行操作或運行。廣義上，自動化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動。自動控制（AutomaticControl）——是關于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術(shù)。I.早期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王時，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實踐(300B.C.)西漢漏壺2、自動控制技術(shù)的發(fā)展與人類文明進步(3)中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)(2)亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年)(4)中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)(5)中國明代宋應星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結(jié)構(gòu)圖(1637年)(6)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)了蒸汽機的速度控制(1788年)

荷蘭科學家C.Hugens(1629-1695)利用反饋控制原理發(fā)明了高性能的鐘擺與天文望遠鏡。(7)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)定性問題研究，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(1831-1879),法國科學家，于1868年發(fā)表文章“OnGovernors（論調(diào)節(jié)器）,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E.J.Routh與瑞典的Hurwitz解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。

(9)俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)(10)英國J.M.Gray設計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(GreatEastern)(1866年)(11)由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(L20m,25T,10km/hr)在安慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次年，中國第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船“恬古”號在江南造船廠下水。操江號(62mx10m),392匹馬力，600T排水，備炮9門II.經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美國福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)(0)

WrightBrothers于1903年12月17完成了人類歷史上首次動力飛行，開創(chuàng)了航空業(yè)的新篇章。(2)E.Sperry(1860-1930),創(chuàng)立Sperry公司。由他們設計和制造的陀螺儀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、雷達和飛機上。L.Sperry(1892-1923),在1914年的巴黎航展中，成功地演示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。(3)美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)，并成功應用于美國軍艦控制。(4)美國MIT的V.Bush研制成第一臺大型模擬計算機(DifferentialAnalyzer)(1928)——美國現(xiàn)代工程之父，1964年獲美國總統(tǒng)科學獎（NationalMedalofScience）。(5)美國H.S.Black發(fā)明了電子放大器負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier),為現(xiàn)代通訊技術(shù)奠定了基礎。(1927)1957年獲IEEEMedal?！昂敛豢鋸埖卣f，沒有Black的發(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E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)III.經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美國貝爾實驗室的H.Bode

(1938)，以及H.Nyquist(1940)提出頻率響應法H.NyquistH.Bode(2)美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)(3)美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生?！?964年獲總統(tǒng)科學獎。N.B.NicholsN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory(4)美國的H.Hazen發(fā)表“關于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機構(gòu)實驗室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.Hazen(5)英國A.M.Turine提出圖靈計算機的設想。(1937)(6)

J.VonNeuman

(1903-1957)發(fā)明首臺數(shù)字計算機，創(chuàng)立Gametheory。(7)在貝爾實驗室Bode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(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(1948)——信息論之父C.E.Shannon

（8）李郁榮（Y.W.Lee,1904-1989),廣東人，N.Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學電機系（1931-1937），早期為Wiener理論的工程應用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機系（1946-1969），與Shannon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（statisticalcommunicationtheory）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MIT的最偉大的教育家之一。L.J.Chu(1913-1973)，畢業(yè)于上海交大，MIT電機系教授，RadiationLab雷達研究最重要的奠基者。Y.W.Lee(9)MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)(10)美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)

(1948)，以單輸入線性系統(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Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及錢學森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)IV現(xiàn)代控制(ModernControl)

(1950-)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)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)(英國科學家A.J.G.MacFarlane)。(2)美國R.Bellman（UCL）在RANDCoporation數(shù)學部的支持下，發(fā)表著名DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(1957)(3)國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術(shù)會議于莫斯科召開(1960)(1)蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)

G.S.Brown（1907-1996）,H.Hazen的學生,數(shù)控機床之父。1939年，Brown為海軍的4名學員開設了首門控制課，把自動控制引入到正規(guī)的工程教育中。“工程學生必須全面地接受深層次的科學訓練…科學主導工程（Sciencedominatesengineering）”，“課堂教學與實驗教學必須緊密地結(jié)合起來”，是G.Brown教授最著名的兩條教育理念。(5)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2Oct.4,1957:LaunchoftherocketcarryingSputnik,thefirstman-madesatellite.Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased.Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm.K.S.Pavlovitch(1906-1966),RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects.(6)美國G.Devol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，1959年，被稱為機器人之父的J.Engelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，UnimationInc——PUMA(8)美籍匈牙利人R.E.Kalman（1930～）發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”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kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(1960)(7)

1968年，日本Kawasaki（川崎）公司從Unimation買進技術(shù)。目前，Yaskawa（安川）公司已成為世界最大機器人公司。機器人技術(shù)體現(xiàn)了電子控制和驅(qū)動，傳感器以及運動機構(gòu)一體化的新思想。日本Yaskawa公司的工程師把這叫做Mechatronics(機電一體化技術(shù))(1972)R.E.Kalman(9)蘇聯(lián)東方-１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(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.

宇宙哥倫布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(10)

1963年,美國的LoftiZadeh與C.Desoer（UCB）發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。(11)美國的E.I.Jury發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)，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“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong(13)瑞典KarlJ.Astrom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(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應控制的基礎。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。K.J.Astrom(14)

英國H.HRosenbrock發(fā)表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。(15)美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)(16)美國ARPA計算機網(wǎng)絡初步建成(1971)(17)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)(18)美國R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。R.Brockett(19)加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制設計方法(1981年)(20)美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功(1981年)GorgeZames(21)美國A.Bryson和Y.CHo發(fā)表AppliedOptimalControl

(1969)。Y.CHo和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)(22)中國批準863高技術(shù)計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic(23)第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)(24)旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索(25)神舟飛船（2003，2005）(26)IEEEControlSystemsAward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（25seminalpapersincontrol）[1].NYQUIST,H.,"Regenerationtheory,"BellSyst.Tech.J.,vol.11,1932,pp.126-147[2].BLACK,H.S.,"Stabilizedfeedbackamplifiers,"BellSyst.Tech.J.,vol.14,1934,pp.1-18[3].BODE,H.W.,"Relationsbetweenattenuationandphaseinfeedbackamplifierdesign,"BellSyst.Tech.J.,vol.19,pp.421-454,1940[4].WIENER,N.,"Thelinearfilterforasingletimeseries-ChapterIII",from:Extrapolation,Interpolation,andSmoothingofStationaryTimeSeries,pp.81-103,1949[5].EVANS,W.R.,"Controlsystemsynthesisbyrootlocusmethod,"Trans.Amer.InstituteofElectricalEngineers,69,pp.66-69,1950[6].BELLMAN,R.,"Thestructureofdynamicprogrammingprocesses,"Chapter3of"DynamicProgramming,“PrincetonUniversityPress,PrincetonNJ1957,pp.81-89[7].PONTRYAGIN,L.S.,"Optimalcontrolprocesses,"UspekhiMat.Nauk,USSR,Vol.14,1959,pp.3-20.(Englishtranslation:Amer.Math.SocietyTrans.,Series2,vol.18,1961,pp.321-329.)

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