工程基礎及控制 9

第一章緒論Lecture1什么是控制？開環與閉環控制系統控制系統的分類為何要進行控制？自動控制簡史現代控制系統實例身邊的控制系統設計實例04August2026Whatwewilllearntoday?20f40系統:

由一些元部件按一定要求連接并具有某一特定功能的整體自動控制:

在沒有人直接干預的情況下，通過控制裝置使被控對象或過程自動按照預定的規律運行，使之具有一定的狀態和性能自動控制系統:

在控制過程中不需要人的直接參與，由控制器實現控制的系統04August2026什么是控制?30f40經典控制理論:

以傳遞函數為基礎，研究單輸入－單輸出控制系統的分析與設計現代控制理論:

以狀態空間法為基礎，研究多輸入－多輸出、時變、非線性等控制系統的分析和設計智能控制理論:

以人工智能理論為基礎，研究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統04August2026什么是控制?40f40開環控制系統

系統的被控制量（輸出量）對系統的控制量（輸入量）沒有影響，即被控制量只能受控于控制量，而對控制量無反作用。04August202650f40閉環控制系統輸出量通過適當的測量裝置將測量信號的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進行比較。04August2026“檢測誤差，用以糾正誤差”60f40按信號傳遞路徑分類開環控制系統閉環控制系統按給定量的變化規律分類恒值控制系統隨動系統程序控制系統04August2026控制系統的分類70f40按系統內部的信號類型連續系統離散系統按系統的元部件特性分類線性系統非線性系統04August2026控制系統的分類80f40按輸入和輸出的數目分類單輸入－單輸出系統多輸入－多輸出系統按參數的性質分類集中參數系統分布參數系統04August2026控制系統的分類90f40為了高效、有效地實現系統目標提高生產力提高設備或系統的性能04August2026為何要進行控制?100f40自動控制簡史最早的反饋控制出現在公元前300-1年的古希臘，運用在一種改進的浮球調節器裝置上。04August2026110f40現代歐洲的第一個反饋系統是荷蘭人康奈利斯·德雷布爾(Cornelis

Drebbel，1572-1633)發明的溫度調節器。04August2026自動控制簡史120f401681年，丹尼斯·帕平(DennisPapin,1647-1712)發明了第一臺用于蒸汽鍋爐的壓力調節器，這是一種與壓力鍋安全閥相似的調節器。04August2026自動控制簡史130f4018世紀，瓦特(JamesWatt)的蒸汽機離心調速器被公認是第一臺應用在工業生產中的自動反饋控制器，這是將自動控制技術應用到工業中的最早代表。它是在1769年為了控制蒸汽機速度改良而來的。04August2026自動控制簡史140f401765年,俄國聲稱發明了歷史上第一套反饋系統，即波爾祖諾夫(I.Polzunov)發明的浮球水位控制器。浮球探測到水面的高度值，并用來控制鍋爐內進水閥門的開度。04August2026自動控制簡史150f401868年麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879）利用調節器的微分方程模型建立了與控制理論相關的數學理論，重點研究了系統參數對系統性能的影響，麥克斯韋的工作開創了控制理論研究的先河1877年E.J.Routh給出了分析系統穩定性的準則

1893年Lyapunov研究了運動的穩定性04August2026自動控制簡史160f401903年，萊特(Wright)兄弟實現了控制飛行04August2026自動控制簡史170f401910年，斯佩里(Sperry)研究了陀螺儀和自動駕駛儀1927年，布萊克(Black)提出了反饋式電子放大器1932年，奈奎斯特(Nyquist)提出了一種頻域穩定性判據1938年，Bode提出了頻率響應方法Ziegler-Nichols開發了一種PID整定方法，Wiener在1942年開發了最優濾波器設計04August2026自動控制簡史180f401948年，埃文斯(Evans)提出了根軌跡法1954年，美國人喬治·德沃爾(GeorgeDevol)制造出世界上第一臺可編程的機器人1956年，龐特里亞金(Pontryagin)提出了最大值原理1957年，貝爾曼(Bellman)提出了動態規劃1960年，Kalman提出了最優估計04August2026自動控制簡史190f40第一個Unimate機器人于1960年問世。Unimate安裝于1961年，用于維護壓鑄機。04August2026自動控制簡史200f40狀態變量法和最優控制在1970-1980年得到了進一步的發展1980-1990年出現了魯棒與非線性控制1990-2000年出現了切換控制、混合控制和凸優化控制自1994年開始，反饋控制在汽車上得到了廣泛的應用，制造業對可靠、魯棒的系統提出了更高的要求04August2026自動控制簡史210f40有史以來第一輛自主漫游車，被稱為旅居者，在1997年成功探索火星表面。第二次登陸于2004年1月3日。04August2026探路者飛船于1996年12月4日發射升空旅居者自動控制簡史220f40現代控制系統實例汽車轉向控制系統04August2026230f40調節罐內液體的液位04August2026操作員將實際液位與所需液位進行比較，然后打開或關閉閥門，調整液體流出量，以保持所需液位?，F代控制系統實例240f40三軸控制系統04August2026該系統使用特定的電機分別將每個軸驅動到x-y-z軸上的所需位置。目標是在每個軸上實現平滑、精確的運動。現代控制系統實例250f40鍋爐-發電機協調控制系統04August2026現代控制系統實例260f4004August2026身邊的控制系統熱軋帶鋼軋機270f4004August2026裝配機器人身邊的控制系統280f4004August2026噴漆機器人機械手在盒子里擺放巧克力身邊的控制系統290f4004August2026微型機器人工具縫合病人機械除草身邊的控制系統300f4004August2026自主輪椅導航系統世界上第一個仿生手臂身邊的控制系統310f4004August2026足球機器人：索尼腿機器人聯盟索尼愛寶機器狗身邊的控制系統320f4004August2026本田仿人機器人機器狗身邊的控制系統330f40Step1：目標是設計一個轉臺轉速控制系統Step2：希望控制的變量是轉臺的轉速Step3：性能指標是確保實際轉速在所期望轉速的指定百分比內04August2026設計實例：轉臺轉速控制340f40Step4a：開環系統配置04August2026設計實例：轉臺轉速控制350f40Step4b：反饋系統配置04August2026設計實例：轉臺轉速控制360f4004August2026設計實例：磁盤驅動器讀取系統370f40Step1：目標是定位讀寫磁頭，以便讀取存儲在磁盤磁道上的數據Step2：要求控制的變量是讀寫磁頭的