【正文】 機電汽車工程學院 第一章 緒 論 近代技術的發(fā)展，使設備的自動化程度大大提高。不僅飛機、宇宙飛船等高、精、尖的航空設備的控制，而且許多工業(yè)設備，如數(shù)控機床、軋鋼機、卷紙機等設備的控制也不可能直接用手動控制，而是通過這些裝備中的自動調(diào)節(jié)裝置進行的。 “控制工程” 就是對這些自動調(diào)節(jié)裝置的研究分析。 1頁 機電汽車工程學院 最 早期的、在工業(yè)中起重要作用的 第一個 自動調(diào)節(jié)裝置是1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機中的離心調(diào)速器。這是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的問題，也是一個典型的機械動力學問題。調(diào)速器的工作原理是： 如果負載增加， (若 P不變 M↑→n↓)蒸汽機轉速 下降，則離心振子 ①下降。滑塊 ② 將通過杠桿③ 使蒸汽閥門開大，使蒸汽供給量增加（ M不變， P↑→n ↑ ），從而使蒸汽機轉速上升。 nPM 9550?① ② ③ 圖 11 2頁 機電汽車工程學院 蒸汽機 比較機構 離心機構 轉換機構 蒸汽量 Q 閥門 ② ③ ① nPM 9550?圖 11 3頁 機電汽車工程學院 反之若負載減小，蒸汽機轉速上升則離心調(diào)速器可使轉速下降。這樣， 離心調(diào)速器可自動地抵制負載的變化，使轉速保持在某一給定范圍之內(nèi)。 可以說，這是最早的自動反饋控制系統(tǒng)。但是后來發(fā)現(xiàn)，汽閥的速度調(diào)節(jié)并不完善。若使速度恢復較快，就是加強反饋效果（如，即使速度有微小變化也使供汽量的變化較大），但這樣一來，就會出現(xiàn)速度反復變化頻繁的 振蕩 現(xiàn)象，若其參數(shù)處理不好時，還會使蒸汽機產(chǎn)生劇烈的振蕩（在反饋控制系統(tǒng)中，振蕩是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象）。 4頁 機電汽車工程學院 這就迫使從事該領域研究的科學家 (振蕩主要從數(shù)學領域研究 ——數(shù)學家 )思考并解決這些問題： ? 1868年馬克斯威爾 (Maxwell)從描述系統(tǒng)的微分方程的解中有無增長指數(shù)函數(shù)項，來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性； ? 1884年勞斯 (Routh)提出了系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)； ? 1895年赫爾維茨 (Hurwitz)也獨立提出了系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，使自動控制技術向前邁進了一大步。 5頁 機電汽車工程學院 第一次和第二次世界大戰(zhàn)中的武器技術的發(fā)展，使很多裝備的自動調(diào)節(jié)裝置有了飛躍的發(fā)展，這期間由于通信的需要，使用了 負反饋放大器 ，這時 勞斯一赫爾維茨 (Routh—Hurwitz)的穩(wěn)定性理論的實際意義又不大了，因為描述放大器的微分方程階次太高，而用“頻率響應”及圖解形式處理更實際。 奈魁斯特 ()于 1932年創(chuàng)立了穩(wěn)定判據(jù)及“穩(wěn)定裕度”的概念 (在后面第五章我們將要學習這部分內(nèi)容 )； 6頁 機電汽車工程學院 在此基礎上， 伯德 ()于 1945年提出用圖解法來分析和綜合線性反饋控制系統(tǒng)的方法，這就是頻率法。與此同時， 依萬斯 (WR． Evans)于 1948年創(chuàng)立了“根軌跡法”，對用微分方程模型來研究問題提供了一個簡單而有效的方法，在某些情況下，它比頻率法更簡單，更直接。到此，“古典控制理論”已比較完善，并在各行業(yè)中廣泛地應用這些理論，促進了控制工程的進一步發(fā)展。 1948年，美國數(shù)學家 維納 (N． Wiener)發(fā)表 )了 —篇題為《控制論》的著作，首創(chuàng)了控制論 (Cyberics)這個名詞，他認為，到那時為止，反饋理論已可以解決許多生物控制機理，經(jīng)濟發(fā)展過程等問題，這本著作的出版，標志著這門學科的正式誕生。 掌舵人 7頁 機電汽車工程學院 第二次世界大戰(zhàn)后，控制理論在民用工業(yè)中得到進一步應用。如化工、石油、冶金等部門，實現(xiàn)了對過程的控制，解決了壓力、溫度、流量與化學成分的控制問題。到50年代中期 ，以反饋控制為中心的理論體系基本形成。一般把這一時期以前形成的理論稱為經(jīng)（古）典控制論。 8頁 機電汽車工程學院 經(jīng)典控制論是在復數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為基礎的理論體系 。 主要研究 單輸入 輸出定常系統(tǒng)的分析與設計 。 經(jīng) （ 古 ） 典控制理論的主要缺點是： 1) 所研究的系統(tǒng)限于線性時不變系統(tǒng) ， 即其部件可用常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)； 2) 研究的系統(tǒng)只能是單回路的； 3) 只提供分析的方法，然后改進系統(tǒng)再進行嘗試，不能提供最好的設計。這些問題的存在促使現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展。 9頁 機電汽車工程學院 50年代末 ， 由于導彈制導 、 航天 、 航海 、 航空技術的發(fā)展需要和電子計算機技術的成熟 ， 控制理論發(fā)展到一個新的階段 ， 出現(xiàn)了現(xiàn)代控制論 。 1956年前蘇聯(lián) 特略金 提出的 最優(yōu)控制 ， 1957年美國 貝爾曼 (Bellman)提出的 動態(tài)規(guī)劃理論 ， 和 1960年美國 卡爾曼 (Kalman)提出的 最優(yōu)過濾理論 形成了現(xiàn)代控制理論的基礎 。 狀態(tài)空間概念的引入 ，計算機的發(fā)展及對現(xiàn)代控制理論起了重要的推動作用 。 10頁 機電汽車工程學院 現(xiàn)代控制理論的基本工具是在時間域中以 狀態(tài)空間變量 為基礎的理論體系 ， 它是從分析力學中引用過去的 ，而 “ 分析力學 ” 是十九世紀初期為研究機械運動而發(fā)展起來的 ， 所以 ， 現(xiàn)代控制理論的基礎與發(fā)展也同機械工程密切相關的 。 由上述可知 ， 控制理論系由 經(jīng) (古 )典控制論 和 現(xiàn)代控制論 兩部分組成 。 11頁 機電汽車工程學院 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的主要方向是探求最高的效率 、 最低的成本