工業(yè)控制基礎(chǔ)課件

工業(yè)控制基礎(chǔ)主講：蔣棟年一、自動(dòng)控制概述自動(dòng)化與自動(dòng)控制自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展與人類文明進(jìn)步1、自動(dòng)化與自動(dòng)控制自動(dòng)化（Automation）——機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)情況下按指定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。廣義上，自動(dòng)化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動(dòng)。自動(dòng)控制（AutomaticControl）——是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論和技術(shù)。I.早期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王時(shí)，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實(shí)踐(300B.C.)西漢漏壺2、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展與人類文明進(jìn)步(3)中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(132年)(2)亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)(4)中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)(5)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)(6)英國(guó)J.Watt基于機(jī)械式調(diào)節(jié)原理用離心式調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)的速度控制(1788年)

荷蘭科學(xué)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(yuǎn)鏡。(7)英國(guó)G.B.Airy（1801-1892)系統(tǒng)的研究了天文望遠(yuǎn)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(wèn)題研究，以及利用微分方程來(lái)研究反饋控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。(8)J.C.Maxwell(1831-1879),法國(guó)科學(xué)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(xué)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(guó)A.M.Lyapunov博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題”(1892年)(10)英國(guó)J.M.Gray設(shè)計(jì)出第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船“東方”號(hào)(GreatEastern)(1866年)(11)由徐壽設(shè)計(jì)的中國(guó)第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(hào)(L20m,25T,10km/hr)在安慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次年，中國(guó)第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船“恬古”號(hào)在江南造船廠下水。操江號(hào)(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(guó)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(dòng)力飛行，開(kāi)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?cè)O(shè)計(jì)和制造的陀螺儀和各種控制裝置被廣泛的應(yīng)用到二戰(zhàn)時(shí)期的美軍軍艦、魚(yú)雷、火炮、雷達(dá)和飛機(jī)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(dòng)機(jī)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(xiàn)。(3)美國(guó)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(yīng)用于美國(guó)軍艦控制。(4)美國(guó)MIT的V.Bush研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(DifferentialAnalyzer)(1928)——美國(guó)現(xiàn)代工程之父，1964年獲美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)獎(jiǎng)（NationalMedalofScience）。(5)美國(guó)H.S.Black發(fā)明了電子放大器負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier),為現(xiàn)代通訊技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。(1927)1957年獲IEEEMedal。——“毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有Black的發(fā)明，就沒(méi)有今天的長(zhǎng)距離電話和電視網(wǎng)絡(luò)”H.S.Black（AT&T）貝爾實(shí)驗(yàn)室研究員(6)美國(guó)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode

(1938)，以及H.Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法H.NyquistH.Bode(2)美國(guó)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(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過(guò)程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(shū)(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生?！?964年獲總統(tǒng)科學(xué)獎(jiǎng)。N.B.NicholsN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory(4)美國(guó)的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.Hazen(5)英國(guó)A.M.Turine提出圖靈計(jì)算機(jī)的設(shè)想。(1937)(6)

J.VonNeuman

(1903-1957)發(fā)明首臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)，創(chuàng)立Gametheory。(7)在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)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(dòng)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(chǔ)(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(xué)電機(jī)系（1931-1937），早期為Wiener理論的工程應(yīng)用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機(jī)系（1946-1969），與Shannon一起成為該系最知名的兩個(gè)學(xué)科帶頭人。主要工作包括隨機(jī)通訊（statisticalcommunicationtheory）和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領(lǐng)域中的知名學(xué)者和工程師，被譽(yù)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(jī)系教授，RadiationLab雷達(dá)研究最重要的奠基者。Y.W.Lee(9)MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過(guò)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(guó)W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)

(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成。(11)多本有關(guān)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(xué)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(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)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(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)(英國(guó)科學(xué)家A.J.G.MacFarlane)。(2)美國(guó)R.Bellman（UCL）在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)(3)國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)成立(1957)，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于莫斯科召開(kāi)(1960)(1)蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)

G.S.Brown（1907-1996）,H.Hazen的學(xué)生,數(shù)控機(jī)床之父。1939年，Brown為海軍的4名學(xué)員開(kāi)設(shè)了首門控制課，把自動(dòng)控制引入到正規(guī)的工程教育中?！肮こ虒W(xué)生必須全面地接受深層次的科學(xué)訓(xùn)練…科學(xué)主導(dǎo)工程（Sciencedominatesengineering）”，“課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須緊密地結(jié)合起來(lái)”，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(guó)G.Devol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，1959年，被稱為機(jī)器人之父的J.Engelberger創(chuàng)立了第一家機(jī)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(cè)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(chǔ)(1960)(7)

1968年，日本Kawasaki（川崎）公司從Unimation買進(jìn)技術(shù)。目前，Yaskawa（安川）公司已成為世界最大機(jī)器人公司。機(jī)器人技術(shù)體現(xiàn)了電子控制和驅(qū)動(dòng)，傳感器以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化的新思想。日本Yaskawa公司的工程師把這叫做Mechatronics(機(jī)電一體化技術(shù))(1972)R.E.Kalman(9)蘇聯(lián)東方-１號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開(kāi)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(guó)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(guó)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(hào)處理的基礎(chǔ)(1958)

C.Desoer(12)蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)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(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問(wèn)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(yīng)控制的基礎(chǔ)。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。K.J.Astrom(14)

英國(guó)H.HRosenbrock發(fā)表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。(15)美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)(16)美國(guó)ARPA計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971)(17)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)(18)美國(guó)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(shè)計(jì)方法(1981年)(20)美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功(1981年)GorgeZames(21)美國(guó)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(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic(23)第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)(24)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開(kāi)始走出太陽(yáng)系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索(25)神舟飛船（2003，2005）(26)IEEEControlSystemsAward獲得者。(27)二十世紀(jì)自動(dòng)控制領(lǐng)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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