控制理论与控制工程展望自动控制理论与控制工程熊 蕊华 中 科 技 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院
Huazhong University of Science and Technology
College of Electrical and Electronic Engineering
2
控制理论与控制工程展望
INDEX
自动化能做什么关于自动化学科自动控制的历史回顾自动控制的理论和方法自动控制与专业课程的联系如何学习自动控制理论展望
3
控制理论与控制工程展望自动化能做什么 ——
自动化和生活、生产、国防建设、科技进步息息相关。 自动控制系统渗透了现代生活。自动控制技术的发展已经使得如下梦想和应用成为现实：
登月飞行 ;
探索太空；
太空运载工具的成功运行 ;
宇宙飞船 ; 宇宙空间站 ;
机器人 ;
工业控制,诸如 温度、压力、流量、液位，等等,
4
控制理论与控制工程展望
Utah/MIT 灵巧机械手
5
控制理论与控制工程展望
Boeing 757 and 767.的驾驶舱以拥有数字控制电子设备而著称
6
控制理论与控制工程展望娱乐机器人 — Albo
7
控制理论与控制工程展望航天飞机和机械臂宇航员控制机械臂
8
控制理论与控制工程展望人工控制的阀门控制系统人和自动化机器的对比 —— 自动化能做什么机器难以完成的任务人难以完成的任务检查苗圃中的幼苗；
在崎岖不平的地区驾驶车辆；
辨认贵重珠宝；
照顾婴儿；
在危险、高温、
有毒环境中操作工作；
不断重复地操纵
、观测仪器仪表；
驾驶飞机在恶劣天气和夜晚着陆
9
控制理论与控制工程展望自动化能做什么 ——
提高生产率在美国短暂的历史中劳动力的迁移追随着劳作机械化的进步，机械化对美国从农业国向工业国转化起到了革命性的作用,1820年，超过 70%的劳动力集中在农场； 1900年，只有不足 40%的劳动力还在从事农业生产，而目前这一比例已降到 5%以下。
1925年，美国从地下矿井中开采 5.2亿吨烟煤和褐煤需要 58.8万名工人，
约占全国劳动力的 1.3%。到了 1980年，产量增至 7.74亿吨，而所需工人降至
2.08万，并且只有 1.36万人在从事井下作业。
改善装置或系统的性能始于工业革命的不断加快的技术革新主要是将人类从体力劳动中解放出来，而计算机技术引发的新技术革命则正在带来同样巨大的社会变革；计算机采集和处理信息能力的提高，使人类的脑力得到拓展和延伸。
10
控制理论与控制工程展望关于自动化学科 ——
控制工程是一个充满新奇和挑战的领域。从本质上讲，控制工程是一个跨学科的综合性工程学科，而 自动控制类课程 是其核心课程。
在各学科都有广泛而必需的应用：航空航天技术；机器人技术；车辆、船舶、飞机的自动导航和驾驶；半导体制造业的自动生产和自动检测；电力工业的生产、调度中的各变量协调控制；冶金工业在对温度、板材厚度、宽度和质量的控制；工业应用部门对能源消耗进行的管理和控制；自动仓储和库存管理中的反馈技术应用；农业中的自动控制的保鲜饲料室和自动耕种、收割机械；生物医学试验、诊断、康复医学和生物控制系统中的广泛应用；社会、政治和经济领域中也采用了反馈方法进行建模。
以 电气工程 学科为例,电气工程及其自动化 跨电气工程、计算机科学与技术、控制科学与工程三个学科，是一个宽口径的专业。从近半个世纪的发展看，电气工程学科的发展史就是与自动控制理论、电力电子技术、计算机技术相互促进、共同发展的历史，或者说，电气工程学科的所有最新发展都与自动控制理论、电力电子技术、计算机技术的进步密切相关，因而活力不竭。
11
控制理论与控制工程展望关于自动化学科 —— 自动化学科的主要专业基础课程和专业课程
电路理论
电子技术（数电、模电）
电力电子技术
电磁场理论
检测技术
电机学
自动控制理论（经典、现代）
微机原理
计算机控制技术
自动调节装置
计算机多媒体与网络技术
过程控制系统
电力拖动及自动控制系统
单片机原理及应用
可编程序控制系统
供电技术
计算机仿真
楼宇自动化
自适应控制
系统辩识
模糊控制与神经元控制
电气与电子电路 CAD技术
12
控制理论与控制工程展望自动控制的历史回顾
1769 James Watt 发明了蒸汽机和飞球调节器
1800 Eli Whitney 的“可互换性生产”概念在滑膛枪生产中得到验证
1868 J,C,Maxwell 为一类蒸汽机的调节器建立数学模型
1913 Henry Ford 在汽车生产中引入机械化装配机
1927 H,W,Bode 分析了反馈放大器
1932 MIT 对机床实施轴向控制，开发出数控 (NC)方法
1954 George Devol 开发出“程控物体转运器”，这被视为最早的工业机器人
1960 在 Devol 设计的基础上,Unimate研制了第一台机器人，并于 1961年应用它
1970 发展了多变量模型和最优控制
1980 鲁棒控制系统设计得到广泛研究
1990 出口外向型产业公司强调自动化
1994 汽车上广泛采用反馈控制系统；工业生产需要可靠性高、鲁棒性强的控制系统
13
控制理论与控制工程展望自动控制的理论和方法
概念：开环、闭环、反馈控制、顺馈控制、参考输入、扰动输入
建模：微分方程、传递函数、方框图、频率响应、状态空间模型
经典控制理论：时域分析、复域分析、频域分析
建模
验证性能（稳定性、稳态性能、动态性能）
校正
再验证
14
控制理论与控制工程展望自动控制的理论和方法与经典控制方法分析的比较：
经典控制理论,设计方法是从 系统 —— 应达到的指标,不满足则考虑加校正环节（只能同时考虑一个变量，增加校正环节时会增加系统的阶数和复杂性；校正设计需反复进行校验，且不一定是最优的）
现代控制理论：同时可以考虑多个变量，设计是从 指标 —— 系统,设计一次完成，不需要多次校验，同时不增加系统的阶数和复杂性；状态观测器可使系统实现性增强，成本降低
现代控制理论（多输入 — 多输出、多变量控制）：时域分析
建模
根据给定性能（稳定性、稳态性能、动态性能）来设置系统极点（系统实际性能）
15
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电力工业 关心的基本问题储存、
控制和传输，广泛采用 计算机控制,提高能源利用率，实施废物排放控制。
大型现代化发电站，需要妥善处理生产过程中的各变量（ 多达 90
余个操作变量 ）
之间的关系以提高发电量，同时这些变量需要提供测量值以便控制。这也充分体现了 测量 的重要。
16
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电力电子学 是电力、电子与控制三个学科的交叉学科。这个新兴学科能为传统电力工业的发展和改善电力的应用提供先进技术，
它也是现代工业、
交通运输、军事装备和尖端科学的基础技术，包括人类生活质量和生存环境的改善，都依赖于先进的电能变换和控制技术。
A
B
C
D
E
S1
S2
S3
S4
i
V
( a ) 基本逆变电路
0
v
R
L
C
1
v
E
E
X-Axis
1
v
D
o
v
E
0
t?
t
X-Axis
1
v
o
v
0
t?
C
T
on
T
on
T
(b) 方 波
( c ) 宽度 方波
t?
T/2
T
(d) PWM输 出电压波形
0
o
v
2
T
t
o
v
2
T
2
t
o
v
o
v
o
180
o
180
变成交流控制电压幅值控制电压波形
17
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电气传动控制 是电力电子、控制学科的结合电力电子变换器信号分析、滤波反馈控制理论检测技术（传感器）
18
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
计算机控制技术 是现代控制理论的最新和最突出的应用电气传动控制检测技术（传感器）
反馈控制理论信号变换；
单片机技术
19
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导课程特点：
奠定在坚实的数学基础之上
控制工程的最终目标是实现对实际系统的控制，需要有实际系统的物理学知识（以便建模）
分析方法有时域、复域、频域的，各种域的分析方法都是相关的，每一个分析域中的结论都可以在另一个分析域中找到相对应的理论支撑。
最重要和最有效的学习方法 —— 对前人已得到的答案和方法的重新发现和创新：提出一系列的问题，并给出一些过去已经得到的答案
阅读、听课、记笔记都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检验则依赖于完成每章后面的习题，以及教师补充的部分能力测试题。解题是提高学生解决问题能力的最有效途径。
在复习、学习控制工程的基本数学问题和方法论的基础上，要掌握电气工程及其它领域等物理系统的模型，以及具有实用参数指标的实际控制系统的设计。
20
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导
反馈的引入使我们能控制系统以便得到预期的输出，改善系统的精度。但它同时要求我们对系统响应的稳定性给予足够的重视。
研究系统的这些性能必须要有数学模型（因为系统输入和性能指标都是用数学形式表示的）
由于时域分析有许多困难之处，而且不直观，所以发展了变换域分析方法
在许多无法得到参数模型的情况下，
采用实验的方式可以得到非参数模型
，因而又有对应的频域分析方法对控制系统的基本要求稳定性 动态性能（ 快速平稳 ）
准确性（稳态误差小）
21
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导稳定性
Routh判据 根轨迹位于 S左半平面（复域，根轨迹分析方法）
Nyquist图的包围情况；
Bode图的中频段斜率
不稳定是由具有正实部的闭环极点引起的。 Routh判据指出了正实部闭环极点的个数
根轨迹能在系统参数变化时指出何时闭环极点将走到 S右半平面去（
即变成正实部闭环极点），也能告诉我们如何将一个不稳定的系统改造（校正）成一个稳定系统
由于频域和时域的对应关系，不稳定现象也可映射到频域中来，分别产生了用 Nyquist图分析的定理和用 Bode图分析的方法
22
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导动态性能：
快速性和平稳性时域指标计算（响应时间、超调量
）
复域中，闭环极点实部与响应时间有关；
虚部与振荡性
（超调）有关频域的 Bode图中，
截止频率与响应时间
（快速性）有关；相角裕度用来评估平稳性（超调量）
23
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导稳态性能：稳态误差时域指标计算
（稳态误差）
复域中，开环积分环节个数与增益影响稳态误差
（在稳定的前提下！！！）
频域的 Bode图中
，低频段的斜率以及增益与稳态误差有关
24
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导状态空间分析
（时域分析）
稳定性
（极点配置）
动态性能
（ 极点配置 ）
稳态误差
（开环系统
S域设计设计）
现代控制、最优控制（复杂、高精度系统）等需求，最近 30年来，由
Liapunov,Minorsky等人提出的时域方法受到了极大的关注。
状态空间分析中的状态反馈 —— 极点配置原理，可以非常方便地分析、设计（而不是校正）一个复杂系统。
观测器理论解决了状态反馈的实现问题
现代控制理论发展 —— 最优控制、智能控制
25
控制理论与控制工程展望学习建议 ～
学完每个 Module后，自己对课堂和课本内容做一个总结（有关概念、公式
、图），并从中归纳出重点和难点，和教师给出的重难点进行比较，逐步提高自己分析、总结、归纳的能力。
保证一定量的习题训练，和做一定量的难题、思考题。
对教师提出的每一个 Question,要认真、及时思考。
自己提出一些问题，试着自己解答。不能解答的，可以求助于同学和老师
。
尝试着把自动控制和自己知道的日常生活或生产中的设备、现象联系起来
，用自己所学到的理论解释这些现象，发现可以改进的地方，尽力用所学的知识去改造它。一旦成功，学习兴趣将大大提高。
26
控制理论与控制工程展望展望自动化学科
自适应控制
模糊控制
神经网络和人工智能
探索。
控制理论与控制工程展望
The End
Thank You
Huazhong University of Science and Technology
College of Electrical and Electronic Engineering
2
控制理论与控制工程展望
INDEX
自动化能做什么关于自动化学科自动控制的历史回顾自动控制的理论和方法自动控制与专业课程的联系如何学习自动控制理论展望
3
控制理论与控制工程展望自动化能做什么 ——
自动化和生活、生产、国防建设、科技进步息息相关。 自动控制系统渗透了现代生活。自动控制技术的发展已经使得如下梦想和应用成为现实：
登月飞行 ;
探索太空；
太空运载工具的成功运行 ;
宇宙飞船 ; 宇宙空间站 ;
机器人 ;
工业控制,诸如 温度、压力、流量、液位，等等,
4
控制理论与控制工程展望
Utah/MIT 灵巧机械手
5
控制理论与控制工程展望
Boeing 757 and 767.的驾驶舱以拥有数字控制电子设备而著称
6
控制理论与控制工程展望娱乐机器人 — Albo
7
控制理论与控制工程展望航天飞机和机械臂宇航员控制机械臂
8
控制理论与控制工程展望人工控制的阀门控制系统人和自动化机器的对比 —— 自动化能做什么机器难以完成的任务人难以完成的任务检查苗圃中的幼苗；
在崎岖不平的地区驾驶车辆；
辨认贵重珠宝；
照顾婴儿；
在危险、高温、
有毒环境中操作工作；
不断重复地操纵
、观测仪器仪表；
驾驶飞机在恶劣天气和夜晚着陆
9
控制理论与控制工程展望自动化能做什么 ——
提高生产率在美国短暂的历史中劳动力的迁移追随着劳作机械化的进步，机械化对美国从农业国向工业国转化起到了革命性的作用,1820年，超过 70%的劳动力集中在农场； 1900年，只有不足 40%的劳动力还在从事农业生产，而目前这一比例已降到 5%以下。
1925年，美国从地下矿井中开采 5.2亿吨烟煤和褐煤需要 58.8万名工人，
约占全国劳动力的 1.3%。到了 1980年，产量增至 7.74亿吨，而所需工人降至
2.08万，并且只有 1.36万人在从事井下作业。
改善装置或系统的性能始于工业革命的不断加快的技术革新主要是将人类从体力劳动中解放出来，而计算机技术引发的新技术革命则正在带来同样巨大的社会变革；计算机采集和处理信息能力的提高，使人类的脑力得到拓展和延伸。
10
控制理论与控制工程展望关于自动化学科 ——
控制工程是一个充满新奇和挑战的领域。从本质上讲，控制工程是一个跨学科的综合性工程学科，而 自动控制类课程 是其核心课程。
在各学科都有广泛而必需的应用：航空航天技术；机器人技术；车辆、船舶、飞机的自动导航和驾驶；半导体制造业的自动生产和自动检测；电力工业的生产、调度中的各变量协调控制；冶金工业在对温度、板材厚度、宽度和质量的控制；工业应用部门对能源消耗进行的管理和控制；自动仓储和库存管理中的反馈技术应用；农业中的自动控制的保鲜饲料室和自动耕种、收割机械；生物医学试验、诊断、康复医学和生物控制系统中的广泛应用；社会、政治和经济领域中也采用了反馈方法进行建模。
以 电气工程 学科为例,电气工程及其自动化 跨电气工程、计算机科学与技术、控制科学与工程三个学科，是一个宽口径的专业。从近半个世纪的发展看，电气工程学科的发展史就是与自动控制理论、电力电子技术、计算机技术相互促进、共同发展的历史，或者说，电气工程学科的所有最新发展都与自动控制理论、电力电子技术、计算机技术的进步密切相关，因而活力不竭。
11
控制理论与控制工程展望关于自动化学科 —— 自动化学科的主要专业基础课程和专业课程
电路理论
电子技术（数电、模电）
电力电子技术
电磁场理论
检测技术
电机学
自动控制理论（经典、现代）
微机原理
计算机控制技术
自动调节装置
计算机多媒体与网络技术
过程控制系统
电力拖动及自动控制系统
单片机原理及应用
可编程序控制系统
供电技术
计算机仿真
楼宇自动化
自适应控制
系统辩识
模糊控制与神经元控制
电气与电子电路 CAD技术
12
控制理论与控制工程展望自动控制的历史回顾
1769 James Watt 发明了蒸汽机和飞球调节器
1800 Eli Whitney 的“可互换性生产”概念在滑膛枪生产中得到验证
1868 J,C,Maxwell 为一类蒸汽机的调节器建立数学模型
1913 Henry Ford 在汽车生产中引入机械化装配机
1927 H,W,Bode 分析了反馈放大器
1932 MIT 对机床实施轴向控制，开发出数控 (NC)方法
1954 George Devol 开发出“程控物体转运器”，这被视为最早的工业机器人
1960 在 Devol 设计的基础上,Unimate研制了第一台机器人，并于 1961年应用它
1970 发展了多变量模型和最优控制
1980 鲁棒控制系统设计得到广泛研究
1990 出口外向型产业公司强调自动化
1994 汽车上广泛采用反馈控制系统；工业生产需要可靠性高、鲁棒性强的控制系统
13
控制理论与控制工程展望自动控制的理论和方法
概念：开环、闭环、反馈控制、顺馈控制、参考输入、扰动输入
建模：微分方程、传递函数、方框图、频率响应、状态空间模型
经典控制理论：时域分析、复域分析、频域分析
建模
验证性能（稳定性、稳态性能、动态性能）
校正
再验证
14
控制理论与控制工程展望自动控制的理论和方法与经典控制方法分析的比较：
经典控制理论,设计方法是从 系统 —— 应达到的指标,不满足则考虑加校正环节（只能同时考虑一个变量，增加校正环节时会增加系统的阶数和复杂性；校正设计需反复进行校验，且不一定是最优的）
现代控制理论：同时可以考虑多个变量，设计是从 指标 —— 系统,设计一次完成，不需要多次校验，同时不增加系统的阶数和复杂性；状态观测器可使系统实现性增强，成本降低
现代控制理论（多输入 — 多输出、多变量控制）：时域分析
建模
根据给定性能（稳定性、稳态性能、动态性能）来设置系统极点（系统实际性能）
15
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电力工业 关心的基本问题储存、
控制和传输，广泛采用 计算机控制,提高能源利用率，实施废物排放控制。
大型现代化发电站，需要妥善处理生产过程中的各变量（ 多达 90
余个操作变量 ）
之间的关系以提高发电量，同时这些变量需要提供测量值以便控制。这也充分体现了 测量 的重要。
16
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电力电子学 是电力、电子与控制三个学科的交叉学科。这个新兴学科能为传统电力工业的发展和改善电力的应用提供先进技术，
它也是现代工业、
交通运输、军事装备和尖端科学的基础技术，包括人类生活质量和生存环境的改善，都依赖于先进的电能变换和控制技术。
A
B
C
D
E
S1
S2
S3
S4
i
V
( a ) 基本逆变电路
0
v
R
L
C
1
v
E
E
X-Axis
1
v
D
o
v
E
0
t?
t
X-Axis
1
v
o
v
0
t?
C
T
on
T
on
T
(b) 方 波
( c ) 宽度 方波
t?
T/2
T
(d) PWM输 出电压波形
0
o
v
2
T
t
o
v
2
T
2
t
o
v
o
v
o
180
o
180
变成交流控制电压幅值控制电压波形
17
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
电气传动控制 是电力电子、控制学科的结合电力电子变换器信号分析、滤波反馈控制理论检测技术（传感器）
18
控制理论与控制工程展望自动控制理论与专业课程的联系
计算机控制技术 是现代控制理论的最新和最突出的应用电气传动控制检测技术（传感器）
反馈控制理论信号变换；
单片机技术
19
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导课程特点：
奠定在坚实的数学基础之上
控制工程的最终目标是实现对实际系统的控制，需要有实际系统的物理学知识（以便建模）
分析方法有时域、复域、频域的，各种域的分析方法都是相关的，每一个分析域中的结论都可以在另一个分析域中找到相对应的理论支撑。
最重要和最有效的学习方法 —— 对前人已得到的答案和方法的重新发现和创新：提出一系列的问题，并给出一些过去已经得到的答案
阅读、听课、记笔记都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检验则依赖于完成每章后面的习题，以及教师补充的部分能力测试题。解题是提高学生解决问题能力的最有效途径。
在复习、学习控制工程的基本数学问题和方法论的基础上，要掌握电气工程及其它领域等物理系统的模型，以及具有实用参数指标的实际控制系统的设计。
20
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导
反馈的引入使我们能控制系统以便得到预期的输出，改善系统的精度。但它同时要求我们对系统响应的稳定性给予足够的重视。
研究系统的这些性能必须要有数学模型（因为系统输入和性能指标都是用数学形式表示的）
由于时域分析有许多困难之处，而且不直观，所以发展了变换域分析方法
在许多无法得到参数模型的情况下，
采用实验的方式可以得到非参数模型
，因而又有对应的频域分析方法对控制系统的基本要求稳定性 动态性能（ 快速平稳 ）
准确性（稳态误差小）
21
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导稳定性
Routh判据 根轨迹位于 S左半平面（复域，根轨迹分析方法）
Nyquist图的包围情况；
Bode图的中频段斜率
不稳定是由具有正实部的闭环极点引起的。 Routh判据指出了正实部闭环极点的个数
根轨迹能在系统参数变化时指出何时闭环极点将走到 S右半平面去（
即变成正实部闭环极点），也能告诉我们如何将一个不稳定的系统改造（校正）成一个稳定系统
由于频域和时域的对应关系，不稳定现象也可映射到频域中来，分别产生了用 Nyquist图分析的定理和用 Bode图分析的方法
22
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导动态性能：
快速性和平稳性时域指标计算（响应时间、超调量
）
复域中，闭环极点实部与响应时间有关；
虚部与振荡性
（超调）有关频域的 Bode图中，
截止频率与响应时间
（快速性）有关；相角裕度用来评估平稳性（超调量）
23
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导稳态性能：稳态误差时域指标计算
（稳态误差）
复域中，开环积分环节个数与增益影响稳态误差
（在稳定的前提下！！！）
频域的 Bode图中
，低频段的斜率以及增益与稳态误差有关
24
控制理论与控制工程展望如何学习自动控制理论 —— 学习引导状态空间分析
（时域分析）
稳定性
（极点配置）
动态性能
（ 极点配置 ）
稳态误差
（开环系统
S域设计设计）
现代控制、最优控制（复杂、高精度系统）等需求，最近 30年来，由
Liapunov,Minorsky等人提出的时域方法受到了极大的关注。
状态空间分析中的状态反馈 —— 极点配置原理，可以非常方便地分析、设计（而不是校正）一个复杂系统。
观测器理论解决了状态反馈的实现问题
现代控制理论发展 —— 最优控制、智能控制
25
控制理论与控制工程展望学习建议 ～
学完每个 Module后，自己对课堂和课本内容做一个总结（有关概念、公式
、图），并从中归纳出重点和难点，和教师给出的重难点进行比较，逐步提高自己分析、总结、归纳的能力。
保证一定量的习题训练，和做一定量的难题、思考题。
对教师提出的每一个 Question,要认真、及时思考。
自己提出一些问题，试着自己解答。不能解答的，可以求助于同学和老师
。
尝试着把自动控制和自己知道的日常生活或生产中的设备、现象联系起来
，用自己所学到的理论解释这些现象，发现可以改进的地方，尽力用所学的知识去改造它。一旦成功，学习兴趣将大大提高。
26
控制理论与控制工程展望展望自动化学科
自适应控制
模糊控制
神经网络和人工智能
探索。
控制理论与控制工程展望
The End
Thank You
