【正文】 第一章 自動控制概論 ? 自動控制的基本原理及發(fā)展簡史 ? 自動控制系統(tǒng)基本控制方式 ? 自動控制系統(tǒng)的類型 ? 控制系統(tǒng)的性能要求 ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述及設(shè)計(jì)實(shí)例 11 自動控制的基本原理及發(fā)展簡史 一 ． 自動控制 （ automatic control ） 自動控制是利用裝置 自動地 對某些物理量的變化規(guī)律進(jìn)行控制的技術(shù) 。 人觀測實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向手動調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。 水箱水位的手動控制 3 控制器氣動閥門流入Q1 浮子水箱流出 Q 2H水位自動控制系統(tǒng)?控制任務(wù)： 維持水箱內(nèi)水位恒定； ?控制裝置： 氣動閥門、控制器； ?受控對象： 水箱； ?被控量： 水箱內(nèi)水位的高度； 控制器氣動閥門流入Q1 浮子水箱流出 Q 2H水位自動控制系統(tǒng)?給定值： 控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度； ?測量裝置： 浮子； ?比較裝置： 控制器刻度盤； ?干擾： 水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定； 自動控制 ? 前提： 沒有人直接參與。 ? 控制裝置或控制器： 外加的設(shè)備或裝置。 ? 被控對象： 機(jī)器 ,設(shè)備或生產(chǎn)過程。 ? 被控量： 被控對象的輸出量，即某個(gè)工作狀 態(tài)或參數(shù)。 ? 結(jié)果： 被控量自動地在一定的精度范圍內(nèi)按照 預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 自動控制系統(tǒng)： 指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由 控制裝置 和 被控對象 組成。 自動控制發(fā)展簡史 公元前 1400－ 1100年，中國、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn) 自動計(jì)時(shí)漏壺 ，人類產(chǎn)生了最早期的控制思想。 中國古代的自動計(jì)時(shí)裝置。又稱漏壺、刻漏、漏刻。漏壺的 最早記載見于 《 周禮 》 。這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由 上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度 (即時(shí)間 )。 這里浮箭可看作是一種自動檢測裝置。保持上壺的水位恒定， 則是自動調(diào)節(jié)的問題。這個(gè)問題后來用互相銜接的多級 (3～ 5級 ) 水壺蓮華漏來解決。蓮華漏由 4個(gè)壺組成。計(jì)時(shí)精度比傳說中的 阿拉伯人用浮子式閥門調(diào)節(jié)水位的系統(tǒng)為高。這種計(jì)時(shí)裝置是一 種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理相當(dāng)于有非線性限制器的多級阻容 濾波裝置。 最早的反饋控制實(shí)例可能是公元前 300年 公元前 1年之間在古希臘出現(xiàn)的浮球調(diào)節(jié)裝置。包括利用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持油燈燃油的油面高度、利用浮球調(diào)節(jié)裝置來控制水位等； 近代歐洲最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)是荷蘭人 Cornel Drebbel (1572_1633)發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器， Dennis Papin(1647_1712)則在 1681年發(fā)明了第一個(gè)鍋爐壓力調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器是一種安全調(diào)節(jié)裝置，與目前壓力鍋的減壓安全閥類似。 公元 1769年，英國人 蒸汽機(jī) 的速度，由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命。 飛 球調(diào)節(jié)器 是人們普遍認(rèn)為最早應(yīng)用于工業(yè)過程的 自動反饋控制器 。 兩個(gè)飛球，一轉(zhuǎn)起來以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，這個(gè)下面的套筒就往上升，這個(gè)套筒在移動，就帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。實(shí)際上這個(gè)離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的。 俄國人則斷言，最早具有歷史意義的反饋系統(tǒng)是由 1765年發(fā)明的用于水位控制的浮球調(diào)節(jié)器。浮球探測水位并控制蓋在鍋爐入口上的閥門。 同時(shí) ， 自控技術(shù)的發(fā)展提出許多新問題 ， 這些問題要求 在理論上 給予回答： ?1868年 ， 從描述系統(tǒng)的微分方程的解中用有無增長指數(shù)函數(shù)項(xiàng)來判斷穩(wěn)定性； ?1877年 ， 勞斯 ()和 1895年赫爾維茨 ()分別獨(dú)立地提出關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)； （ 第 3章 ） ?1932年 ， 奈奎斯特 ()在研究負(fù)反饋放大器時(shí)提出了有名的穩(wěn)定性準(zhǔn)則及穩(wěn)定裕度的概念 ； （ 第 5章 ） ?1945年 ， 伯德 ()在 Nyquist的基礎(chǔ)上提出用圖解法來分析和綜合反饋控制系統(tǒng)的方法 ， 形成了控制理論的頻率法； （ 第5章 ） ?1948年 ， 伊文斯 ()提出有名的根軌跡法 。 （ 第 4章 ） 頻率法 和 根軌跡法 對自動控制的發(fā)展起了重要作用 ， 建立在這兩種方法上的理論就是我們通常說的 經(jīng)典控制理論 。 維納， MIT教授，曾于 1936年到清華大學(xué)任訪問教授。早期進(jìn)行模擬計(jì)算機(jī)研究，二戰(zhàn)期間參與火炮控制研究，提煉出負(fù)反饋概念。 1948年，維納所著 《 控制論 》 的出版，標(biāo)志著這門學(xué)科的正式誕生。 控制論的奠基人美國科學(xué)家維納（ Wiener,N.， 18941964） 1954年，我國科學(xué)家錢學(xué)森在美國運(yùn)用控制論思想和方法，用英文出版 《 工程控制論 》 ，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。 隨著 Laplace變換和頻域復(fù)平面的廣泛應(yīng)用，頻域方法在二戰(zhàn)之后仍在控制領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。 20世紀(jì) 50年代，控制工程理論的重點(diǎn)是發(fā)展和應(yīng)用 S平面方法，特別是根軌跡法。 到 80年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)用作控制部件已屬平常。 隨著人造衛(wèi)星和空間時(shí)代的到來，控制工程又有了新的推動力。為導(dǎo)彈和空間探測器設(shè)計(jì)復(fù)雜、高精度的控制系統(tǒng)成了現(xiàn)實(shí)需要。此外，由于既要減輕衛(wèi)星等飛行器的重量又要對它們實(shí)施精密控制，最優(yōu)控制因而變得十分重要。正是基于上述需求，最近 20多年來，由 Liapunov、 Minorsky等人提出的時(shí)域方法受到了極大的關(guān)注。由前蘇聯(lián)的 ，以及近期人們對魯棒系統(tǒng)的研究，都為時(shí)域方法增色不少。 接著短短的幾十年里，在各國科學(xué)家和科學(xué)技術(shù)人員的努力下，又相繼出現(xiàn)了 生物控制論，經(jīng)濟(jì)控制論和社會控制論 等，控制理論已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并伴隨著其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了整個(gè)世界?？刂评碚撟陨硪苍趧?chuàng)造人類文明中不斷向前發(fā)展。 控制理論的中心思想是通過信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進(jìn)行控制，控制理論是信息學(xué)科的重要組成方面 。 三個(gè)時(shí)期： 第一個(gè)時(shí)期：經(jīng)典控制理論時(shí)期 （ 40年代末到 50年代） 單機(jī)自動化、局部自動化、單變量控制 自動調(diào)節(jié)器、伺服系統(tǒng) …… 第二個(gè)時(shí)期：現(xiàn)代控制理論時(shí)期 （ 60年代） 多變量控制、最優(yōu)控制、多種變化因素 航天系統(tǒng)、導(dǎo)彈系統(tǒng)、人造衛(wèi)星 …… 第 一 顆 人 造 衛(wèi) 星 （ 蘇聯(lián) ， 1957年 ） 第一艘載人飛船 （ 蘇聯(lián) ， 1961年 ,東方