1第一章自动控制原理(胡寿松)第五版

自动控制原理Principles of Automatic Control

电气工程及其自动化

引控制理论：

言

自动化学科的重要理论基础研究自动控制共同规律的技术科学

自动控制技术应用

自动控制系统

课程的性质和特点 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来 研究系统的建立、分析与设计。 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程 的关系如下。信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术

自动控制理论

线性代数

大学物理(力学、热力学)

微积分(含微分方程)

课程学习要面临 数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解(数学运算)

ax bx c d2

控制理论的内容二十世纪三项科学革命：控制论、量 子论、相对论 控制论：

经典控制理论 现代控制理论(智能控制理论)

导 读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的 各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目 的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技 术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控 制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。

本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、 设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本 概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控 制理论的总的目标有个大致的了解。

飞机导航系统

制导导弹 现代的高新技术 让导弹长上了“眼睛” 和“大脑”,利用负反 馈控制原理去紧紧盯住 目标

人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并 回收哈勃望远镜-特殊地卫星

中巴资源卫星

雷达技术

雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。

1.0 自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就： 公元前14世纪至前11世纪，中国、 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象， 132年研制出自动测量地震的候风 地动仪； 公元235年，马钧研制出用齿轮传 动自动指示方向的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统；10

中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行

、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮 子—阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。11

飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推调节器轴

动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展。 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！

关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴

图1.1 飞球调节器原理图

没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。

《自动控制原理》国家精品课程

浙江工业大学自动化研究所

自动控制理论的开端

1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指 出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分 析控制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性， 从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这 样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分 方程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制 理论的开端。 14《自动控制原理》国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所

经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义 和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系 统的控制研究直接推动了经典控制的发展。

经典控制理论的形成● 1948年，维纳出版《控制论》,形成完整的经 典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考 虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门 自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动