1.1　相關(guān)知識

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用，目前，自動控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。可以這樣說，一個國家在自動控制方面水平的高低是衡量它的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。

自動控制通常被稱為“控制工程”，屬于高新技術(shù)學(xué)科，是一門理論性和工程實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，學(xué)科的理論為“自動控制理論”。隨著自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，并且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活方面都起著極為重要的作用。盡管從歷史的發(fā)展上看，還是初步的，但從發(fā)展的現(xiàn)狀與前途上看，卻是極活躍、極富生命力的。控制理論不僅是一門重要的學(xué)科，而且也是科學(xué)方法論之一。因此本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，主要講述自動控制的基本理論和分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本方法。根據(jù)自動控制理論發(fā)展的不同階段可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。而隨著控制理論在內(nèi)容上的不斷擴(kuò)展和更新，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論越來越趨于融合。

本項(xiàng)目從工程實(shí)例出發(fā)，介紹自動控制的基本概念、基本方式和自動控制系統(tǒng)的分類，重點(diǎn)是自動控制系統(tǒng)的基本組成原理，核心是反饋控制。同時簡單介紹了控制理論的發(fā)展歷史。

1.1.1　自動控制系統(tǒng)

所謂自動控制，就是指在沒有人直接操作的情況下，通過控制器使一個裝置或過程（統(tǒng)稱為控制對象）自動按照給定的規(guī)律運(yùn)行，使被控物理量或保持恒定或按一定的規(guī)律變化，其本質(zhì)在于無人干預(yù)。系統(tǒng)是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（零部件）的組合，它們互相作用、互相依存，并能完成一定的任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體稱為自動控制系統(tǒng)。例如，機(jī)械行業(yè)的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)、數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動切削工件的控制系統(tǒng)、火電廠鍋爐蒸汽溫度和壓力的自動控制系統(tǒng)等。

反饋是控制理論中一個極其重要的概念，它是控制論的基礎(chǔ)。一個系統(tǒng)的輸出信號直接地或經(jīng)過中間變換后全部或部分地返回輸入系統(tǒng)的過程，就稱為反饋。根據(jù)反饋信號對輸入信號的加強(qiáng)和減弱，反饋分為正反饋和負(fù)反饋。正反饋是由輸出端返回來的物理量加強(qiáng)輸入量的作用，系統(tǒng)不會穩(wěn)定，可能產(chǎn)生自激振蕩。負(fù)反饋由輸出端返回來的物理量減弱輸入量的作用，負(fù)反饋可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，控制和減少干擾信號的影響。只有負(fù)反饋系統(tǒng)才具有自動調(diào)節(jié)能力。自動控制理論主要的研究對象一般都是閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

自動控制系統(tǒng)的種類較多，被控制的物理量各種各樣，如溫度、壓力、液位、電壓、轉(zhuǎn)速、位移和力等。組成控制系統(tǒng)的元部件雖然有較大的差異，但是組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻基本相同。下面，通過兩個自動控制系統(tǒng)的實(shí)例，來講述自動控制系統(tǒng)的工作過程。

鍋爐是電廠和一些企業(yè)常見生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備。為了保證鍋爐正常運(yùn)行，需要維持鍋爐汽包液位為正常恒定值。鍋爐液位過低，易燒干鍋而發(fā)生嚴(yán)重事故；鍋爐液位過高，則易使蒸汽帶水并有溢出危險。因此，必須通過調(diào)節(jié)器嚴(yán)格控制鍋爐液位的高低，以保證鍋爐正常地運(yùn)行。圖1-1為鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)示意圖。

當(dāng)蒸汽的蒸發(fā)量與鍋爐進(jìn)水量相等時，液位保持為正常給定值。當(dāng)鍋爐的給水量不變，而蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時，液位就會下降或上升；或者，當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時，引起鍋爐汽包液位發(fā)生變化。不論出現(xiàn)哪種情況，只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器就應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開大或關(guān)小給水閥門，以使鍋爐汽包液位保持在給定值上。

圖1-2是鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)框圖。圖中，鍋爐為被控對象，其輸出量為被控參數(shù)汽包液位；作用于鍋爐上的擾動量是指給水壓力或蒸汽負(fù)荷的變化；差壓變送器用來測量鍋爐液位，并轉(zhuǎn)換為一定的信號輸至調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器根據(jù)測量的實(shí)際液位與給定液位進(jìn)行比較，得出偏差值，根據(jù)偏差值，按一定的控制規(guī)律發(fā)出相應(yīng)的輸出信號去推動調(diào)節(jié)閥動作，以保證鍋爐汽包液位控制在恒定給定值上。

另一個電爐溫度控制系統(tǒng)的例子如圖1-3所示。這里，爐溫Tc的給定量由電位器滑動端位置所對應(yīng)的電壓值Ug給出，爐溫的實(shí)際值由熱電偶檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電壓Uf，再把Uf反饋到系統(tǒng)的輸入端與給定電壓Ug相比較（通過二者極性反接實(shí)現(xiàn)）。由于擾動（例如電源電壓波動或加熱物件多少等）影響，爐溫偏離了給定值，其偏差電壓經(jīng)過放大，控制可逆伺服電動機(jī)M，帶動自耦變壓器的滑動端，改變電壓uc，使?fàn)t溫保持在給定溫度值上。系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程可表示為

Tc↓→Uf↓→ΔU=（Ug-Uf）↑→uc↑→Tc↑

1.1.2　開環(huán)控制和閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

1.開環(huán)控制

如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。圖1-4為開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。由圖可見，這種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、所用的元器件少、成本低，系統(tǒng)一般也容易穩(wěn)定。然而，由于開環(huán)控制系統(tǒng)沒有對它的被控制量進(jìn)行檢測，所以當(dāng)系統(tǒng)受到干擾作用后，被控制量一旦偏離了原有的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)就無法消除或減少誤差，使被控制量穩(wěn)定在給定值上，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的一個最大缺點(diǎn)。正是這個缺點(diǎn)，大大限制了這種系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。然而，對于控制精度不高的一些簡單控制，開環(huán)控制也有其廣泛的應(yīng)用。例如，洗衣機(jī)就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)的例子。浸濕、洗滌和漂清過程，在洗衣機(jī)中是依次進(jìn)行的，在洗滌過程中，無須對其輸出信號，即衣服的清潔程度進(jìn)行測量。

圖1-5（a）為一個開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，圖1-5（b）為其框圖。圖中Ug為給定的參考輸入，它經(jīng)觸發(fā)器和晶閘管整流裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)直流電壓Ud，并供電給直流電動機(jī)，使產(chǎn)生一個Ug所期望的轉(zhuǎn)速n。但是，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載、交流電網(wǎng)的電壓以及電動機(jī)的勵磁稍有變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就會隨之而變化，不能再維持Ug所期望的轉(zhuǎn)速。

圖1-6為數(shù)控機(jī)床中廣泛應(yīng)用的定位控制系統(tǒng)框圖。這也是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，工作臺的位移是該系統(tǒng)的被控制量，它是跟隨著控制信號（控制脈沖）而變化的。顯然這個系統(tǒng)沒有抗擾動的功能。

如果系統(tǒng)的給定輸入與被控制量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都較小，或這些擾動因數(shù)可以事先確定并能給予補(bǔ)償，則采用開環(huán)控制也能得到較為滿意的控制效果。

2.閉環(huán)控制

若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式稱為閉環(huán)控制。由于這種控制系統(tǒng)中存在著將被控制量經(jīng)反饋環(huán)節(jié)到比較點(diǎn)的反饋通道，故閉環(huán)控制又稱反饋控制，它是按偏差進(jìn)行控制的。現(xiàn)在討論的圖1-1和圖1-3所示的系統(tǒng)，都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是：連續(xù)不斷地對被控制量進(jìn)行檢測，把所測得的值與參考輸入作減法運(yùn)算，求得的偏差信號經(jīng)控制器的變換運(yùn)算和放大器的放大后，驅(qū)動執(zhí)行元件，以使被控制量能完全按照參考輸入的要求去變化。這種系統(tǒng)如果受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾信號的作用時，通過閉環(huán)控制的作用，能自動地消除或削弱干擾信號對被控制量的影響。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾動功能，因而它在控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

閉環(huán)控制是在開環(huán)控制基礎(chǔ)上演變而來的。如果把圖1-5所示的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改接為圖1-7所示的閉環(huán)系統(tǒng)，則其就具有自動抗擾動的功能。例如：當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增大時，流經(jīng)電動機(jī)電樞中的電流便相應(yīng)地增大，電樞電阻上的壓降也變大，從而導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)速的降低；而轉(zhuǎn)速的降低使測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Ufn減小，誤差電壓Δu便相應(yīng)地增大，經(jīng)放大器放大后，使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud增大，從而補(bǔ)償了由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的增大或電網(wǎng)電壓u～的減小而造成的電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速近似地保持不變。上述的調(diào)節(jié)過程，可表示為

復(fù)合控制是由開環(huán)和閉環(huán)傳遞路徑組成的混合控制系統(tǒng)，它兼有開環(huán)控制和閉環(huán)控制的特點(diǎn)。

1.1.3　控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)有許多分類方法。根據(jù)描述系統(tǒng)運(yùn)動方程可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化可分為時變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號傳遞方式的不同可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)所使用的元件的不同而分為機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等；根據(jù)參考輸入信號及被控制量所遵循的運(yùn)動規(guī)律不同，自動控制系統(tǒng)又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。此外，根據(jù)被控制量是否存在穩(wěn)態(tài)誤差還可以分為有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng)。為了更好地了解自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，下面介紹其中比較重要的幾種分類。

1.按描述系統(tǒng)運(yùn)動方程分類

（1）線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)是由線性元件組成的系統(tǒng)，其性能和狀態(tài)可以用線性微分方程來描述，線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性，在數(shù)學(xué)上比較容易實(shí)現(xiàn)和處理。

疊加性：若干個輸入信號同時作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)等于各個輸入信號單獨(dú)作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生響應(yīng)的代數(shù)和。

齊次性：當(dāng)輸入信號同時倍乘常數(shù)時，那么響應(yīng)也倍乘同一常數(shù)。

式中：r（t）——系統(tǒng)的輸入量；

　c（t）——系統(tǒng)的輸出量。

在該方程式中，輸出量c（t）及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量無關(guān)。線性微分方程的各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)時，稱為線性定常系統(tǒng)。這是一種簡單而重要的系統(tǒng)，關(guān)于這種系統(tǒng)已有較為成熟的研究成果和分析設(shè)計(jì)的方法。

（2）非線性系統(tǒng)

如果系統(tǒng)微分方程式的系數(shù)與自變量r（t）有關(guān)，則為非線性微分方程。由非線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。典型的非線性特性有繼電器特性[見圖1-8（a）]、飽和特性[見圖1-8（b）]和不靈敏區(qū)特性[見圖1-8（c）]等。

對于非線性控制系統(tǒng)的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那樣完善，一般只能滿足于近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算。

2.按系統(tǒng)中信號的性質(zhì)分類

（1）連續(xù)系統(tǒng)

如果系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，則該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。

（2）離散系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個傳遞的信號是時間上斷續(xù)的信號，則該系統(tǒng)稱為斷續(xù)系統(tǒng)，或采樣系統(tǒng)，或離散系統(tǒng)。圖1-1和圖1-3所示的系統(tǒng)可以認(rèn)為是連續(xù)系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一定是離散系統(tǒng)。

3.按參考輸入分類

（1）恒值控制系統(tǒng)

恒值系統(tǒng)的給定量是恒定不變的，這種系統(tǒng)的輸出量也應(yīng)是恒定不變的。在生產(chǎn)過程中這類系統(tǒng)非常多。例如：在冶金部門，要保持退火爐溫度為某一個恒值；在石油化學(xué)工業(yè)部門，為保證工藝和安全運(yùn)行，反應(yīng)器要保持壓力恒定等。一般像溫度、壓力、流量、液位等熱工參數(shù)量的控制多屬于恒值控制。

（2）程序控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的，則該系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。在對化工、軍事、冶金、造紙等生產(chǎn)過程進(jìn)行控制時，常用到程序控制系統(tǒng)。如加熱爐的溫度控制就是在微機(jī)中按加熱曲線編好程序而進(jìn)行的；洲際彈道導(dǎo)彈也靠程序控制系統(tǒng)按事先給定軌道飛行。在這類程序控制系統(tǒng)中，給定值是按預(yù)先的規(guī)律變化的，而程序控制系統(tǒng)則一直保持使被控制量和給定值的變化相適應(yīng)。

（3）隨動控制系統(tǒng)

輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)，又稱跟蹤系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的給定值的變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。這類系統(tǒng)在航天、機(jī)械、造船、冶金等部門得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)然，這三種系統(tǒng)都可以是連續(xù)的或離散的，線性的或非線性的，單變量的或多變量的。本書著重以恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)為例，來闡明自動控制系統(tǒng)的基本原理。

1.1.4　控制系統(tǒng)的組成及對控制系統(tǒng)性能的要求

1.控制系統(tǒng)的組成

盡管控制系統(tǒng)復(fù)雜程度各異，但基本組成是相同的，一個簡單的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由四個基本部分組成：被控對象（或調(diào)節(jié)對象）、檢測裝置或傳感器、控制器、執(zhí)行器（執(zhí)行機(jī)構(gòu)），如圖1-9所示。

（1）被控對象（或調(diào)節(jié)對象）

被控對象是指控制系統(tǒng)的工作對象即進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。控制就是控制器對被控對象施加一種控制作用，以達(dá)到人們所期望的目標(biāo)。如電爐，電動機(jī)等。相應(yīng)地，控制系統(tǒng)所控制的某個物理量，就是系統(tǒng)的被控制量或輸出量，如電爐的溫度和電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等。被控對象五花八門，從簡單的溫度、濕度到復(fù)雜工業(yè)過程控制；從民用過程的控制到導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船的發(fā)射及運(yùn)行控制等。被控對象的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。被控制對象的動態(tài)行為可以用數(shù)學(xué)模型加以描述。

（2）檢測裝置

檢測裝置（或傳感器）是能將一種物理量檢測處理并轉(zhuǎn)換成另一種容易處理和使用物理量的裝置。如壓力傳感器、熱電偶、測速發(fā)電機(jī)等。如果把人看成一個被控對象，那么人的眼睛、耳朵、鼻子、皮膚就是傳感器。

（3）控制器

接收傳感器送來的測量信號，并與被控量的設(shè)定值進(jìn)行比較，得到實(shí)際測量值與設(shè)定值的偏差，然后根據(jù)偏差信號的大小和被控對象的動態(tài)特性，經(jīng)過思維和推理，決定采用什么樣的控制規(guī)律，以使被控制量快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地達(dá)到所預(yù)定的給定值。控制規(guī)律是自動化系統(tǒng)功能的主要體現(xiàn)，一般采用“比例—積分—微分”的控制規(guī)律。控制器是自動化系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)中樞。控制器可以是電子-機(jī)械裝置。

（4）執(zhí)行器

執(zhí)行器又稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其直接作用于控制對象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值，它是自動化系統(tǒng)的手和腳。執(zhí)行器（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）可以是電動機(jī)、閥門或由其所組成的復(fù)雜的電子-機(jī)械裝置。

（5）常用術(shù)語

①輸入信號：由外部加載到系統(tǒng)中的變量稱為輸入信號。

②控制信號：由控制器輸出的信號，它作用在執(zhí)行元件控制對象上影響和改變被控變量。

③反饋信號：被控量經(jīng)由傳感器等元件變換并返回輸入端的信號。主要與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號。

④擾動信號：加在系統(tǒng)上不希望的外來信號，它對被控量產(chǎn)生不利影響。

⑤被控量：被控對象的輸出量。例如：鍋爐汽包液位、電爐溫度和電動機(jī)轉(zhuǎn)速等。

⑥整定值：預(yù)先設(shè)定的被控量的目標(biāo)值。例如：所要控制的汽包液位、電爐溫度。

⑦偏差：被控量的給定值與實(shí)際值的差值。

⑧閉環(huán)：傳遞信息的閉合通道。即獲得被控量的信息后，經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)與給定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，該偏差又作用于控制器，控制被控對象，使其輸出量按特定規(guī)律變化，這就形成了一個傳遞信息的閉合通道。

⑨反饋控制：先從被控對象獲得信息，然后把該信息饋送給控制器的控制方法。

2.對控制系統(tǒng)的性能要求

評價一個系統(tǒng)的好壞，其指標(biāo)是多種多樣的，但對控制系統(tǒng)的基本要求（即控制系統(tǒng)所需的基本性能）一般可歸納為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。

（1）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的條件和基礎(chǔ)。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)中都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，就可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對于穩(wěn)定性滿足要求的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時，應(yīng)能隨著時間的收斂并且最后回到初始狀態(tài)。穩(wěn)定性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

（2）準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性是指控制系統(tǒng)的控制精度，一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定的輸入信號作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過程趨于穩(wěn)定時，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。

（3）快速性

快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。快速性是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的，它主要針對的是系統(tǒng)的過渡過程形式和快慢，即系統(tǒng)的動態(tài)性能。

上述要求簡稱為“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”。一個自動控制系統(tǒng)的最基本要求是穩(wěn)定性，然后進(jìn)一步要求快速性、準(zhǔn)確性，當(dāng)后兩者存在矛盾時，設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)要兼顧這兩方面的要求。由于被控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的要求應(yīng)有所側(cè)重。例如：隨動系統(tǒng)對快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對穩(wěn)定性提出較嚴(yán)格的要求。如何來分析和解決這些問題，將是本課程的重要內(nèi)容。

1.1.5　控制理論發(fā)展簡史

自動控制思想及其實(shí)踐可以說歷史悠久。它是人類在認(rèn)識世界和改造世界的過程中產(chǎn)生的，并隨著社會的發(fā)展和科學(xué)水平的進(jìn)步而不斷發(fā)展。依靠它，人類可以從笨重、重復(fù)性的勞動中解放出來，從事更富于創(chuàng)造性的工作。自動化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛、最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。自動化也即現(xiàn)代化。

第二次世界大戰(zhàn)前后，由于自動武器的需要，為控制理論的研究和實(shí)踐提出了更大的需求，從而大大推動了自控理論的發(fā)展。1948年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener（維納）的《控制論》一書的出版，標(biāo)志著古典控制論的正式誕生。這個“關(guān)于在動物和機(jī)器中的控制和通信的科學(xué)”（維納所下的經(jīng)典定義）經(jīng)過了半個多世紀(jì)的不斷發(fā)展，其研究內(nèi)容及其研究方法都有了很大的變化。概括地說，控制理論發(fā)展經(jīng)過了以下三個時期：

第一個時期是20世紀(jì)40年代末到50年代的經(jīng)典控制論時期，著重研究單機(jī)自動化，解決單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）系統(tǒng)的控制問題；其主要數(shù)學(xué)工具是微分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)；主要研究方法是時域法、頻域法和根軌跡法；主要問題是控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度。

第二個時期是20世紀(jì)60年代的現(xiàn)代控制理論時期，著重解決機(jī)組自動化和生物系統(tǒng)的多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）系統(tǒng)的控制問題；其主要數(shù)學(xué)工具是一次微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法等；主要方法是變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃理論等；重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制；核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)。

第三個時期是20世紀(jì)70年代的大系統(tǒng)理論時期，著重解決生物系統(tǒng)、社會系統(tǒng)這樣一些眾多變量的大系統(tǒng)的綜合自動化問題。方法以時域法為主，重點(diǎn)為大系統(tǒng)多級遞階控制和智能控制等，核心裝置是網(wǎng)絡(luò)化的電子計(jì)算機(jī)。

以下為控制理論的主要發(fā)展歷史。

（1）秦昭王末年（約前256—前251）蜀郡守李冰主持修建都江堰。

（2）1787年，英國人Jams Watt飛球調(diào)節(jié)器，用來控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（3）1868年，英國物理學(xué)家James Clerk Maxwell首先解釋了Watt轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性問題，通過線性微分方程的建立與分析，指出了振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)同由系統(tǒng)導(dǎo)出的一個代數(shù)方程（即特征方程）的根的分布密切相關(guān)，從而開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)運(yùn)的途徑。

（4）1877年，英國數(shù)學(xué)家E.J.Routh、1895年德國數(shù)學(xué)家A.Hurwitz各自獨(dú)立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程（特征方程）的系數(shù)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，即代數(shù)判據(jù)（Routh-Hurwitz判據(jù)）

（5）1892年，俄國數(shù)學(xué)家李亞普諾夫用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法全面論述了穩(wěn)定性問題，從而形成了李亞普諾夫穩(wěn)定性原理（即李亞普諾夫第一定理和第二定理）。

（6）1927年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室的電氣工程師H.S.Bleck（布萊克）在解決電子管放大器的失真問題時首先引入反饋的概念，這就為自動控制理論的形成奠定了概念上的基礎(chǔ)。

（7）1925年，英國物理學(xué)家、電學(xué)家、電氣工程師Oliver Heabiside把Laplace變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問題上，創(chuàng)立了運(yùn)算微分，不久就本應(yīng)用到分析自動控制系統(tǒng)的問題上，并取得了顯著的成就。這就為從微分方程分析自動控制系統(tǒng)到應(yīng)用傳遞函數(shù)分析自動控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，從而成為時域分析法的一個奠基性工作。

（8）1932年，美國物理學(xué)家H.Nyquist運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論方法建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)——Nyquist判據(jù)，從而奠定了頻率響應(yīng)分析法的基礎(chǔ)。隨后，20世紀(jì)30年代末H.W.bode、40年代初N.B.Nichols（尼柯爾斯）進(jìn)一步發(fā)展了頻率響應(yīng)分析法。

（9）1948年，美國科學(xué)家W.R.Evans（伊萬斯）提出了根軌跡分析法，并于1950年進(jìn)一步應(yīng)用于反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成了根軌跡法。

（10）1948年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener（維納）出版了劃時代著作——《控制論》，標(biāo)志著古典控制理論的形成。根軌跡和奈氏頻域的方法構(gòu)成了古典控制理論的核心。

（11）1954年，我國科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表《工程控制論》，論述了控制理論與工程實(shí)際的結(jié)合及應(yīng)用。

（12）20世紀(jì)60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼濾波器為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)MIMO系統(tǒng)的新原理和方法——現(xiàn)代控制理論已基本確定。

（13）1970年以來，隨著技術(shù)革命和大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展，自動控制理論又向大系統(tǒng)理論和智能控制理論發(fā)展。

1.1.6　本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法

“自動控制原理”是一門理論性較強(qiáng)的課程。作為機(jī)械、電氣信息類等各專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，它既是基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程的深入，又是專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，是新知識的增長點(diǎn)。本課程以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)學(xué)科為其理論基礎(chǔ)，以各種系統(tǒng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制的思維方法，將基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程緊密地聯(lián)系在一起。

本課程同電工學(xué)、機(jī)械原理等技術(shù)基礎(chǔ)課程相比較，更抽象，涉及的范圍更為廣泛。其理論基礎(chǔ)既涉及高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)等知識，又要用到所接觸過的有關(guān)動力學(xué)，特別是機(jī)械振動理論與交流電路理論。因此，在學(xué)習(xí)本課程之前，應(yīng)有良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)，及一些相關(guān)的專業(yè)知識（包括機(jī)械工程），還要有一些其他學(xué)科領(lǐng)域的知識。應(yīng)該指出，在學(xué)習(xí)本課程時，不必過分追求數(shù)學(xué)的嚴(yán)密性，但一定要充分注意到數(shù)學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性與物理概念的明晰性。

控制理論不僅是一門重要的學(xué)科，而且是一門卓越的方法論。它分析與解決問題的方法是符合唯物辯證法的；它所研究的對象是“系統(tǒng)”；并且系統(tǒng)在不斷地“運(yùn)動”。所以，在學(xué)習(xí)本課程時，既要十分重視抽象思維、了解一般規(guī)律，又要充分注意結(jié)合實(shí)際、努力實(shí)踐。

學(xué)習(xí)時要重視實(shí)驗(yàn)，重視習(xí)題和獨(dú)立完成作業(yè)，這些都有助于對基本概念的理解與方法的運(yùn)用；同時不能脫離專業(yè)知識，如何應(yīng)用控制理論來解決實(shí)際問題才是關(guān)鍵。