1The Academy of Armored Force Engineering of PLA
导 论一,,自动控制原理,的重要性
,自动控制原理,是工程应用中一门非常重要的课程，是面向控制科学与工程学科的一门必修专业技术基础课，所以安排在三年级下学年。这门课程的前提课程是高等数学、电路理论、数模电子技术，它的后续课程是现代控制理论、线性系统理论、计算机控制技术、炮控系统和火控系统。
二,学习,自动控制原理,的目的通过对,自动控制原理,的学习，使学员掌握自动控制原理的分析和设计方法；
使学员具备分析和设计自动控制系统的能力；使学员达到灵活运用基本原理和方法的素质。
三,课程特点一门理论与工程相结合的基础课程，以工程思维观念为指导，以实际应用为目的，注重工程素质培养和专业基本训练。
2The Academy of Armored Force Engineering of PLA
四,教材
1,课堂教材,Richard C,Dorf and Robert H,Bishop,现代控制系统 （ 影印版 ）,
北京：科学出版社,2002
2,参考教材,胡寿松,自动控制原理 （ 第四版 ）,北京：科学出版社,2002
吴麟，自动控制原理，北京：清华大学出版社,1990
3The Academy of Armored Force Engineering of PLA
第一章 控制系统概述
1.1 引言
1.2 自动控制的发展简史
1.3 控制工程实践
1.4 现代控制系统举例
1.5 自动装配和机器人
1.6 控制系统的未来发展
1.7 工程设计
1.8 控制系统设计
1.9 设计实例 1：转台速度控制设计实例 2,磁盘驱动器读取系统
4The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.1 引言工程是人们了解自然，利用和改造自然，以便造福人类的过程。
控制工程涉及 建模 （ modeling）和 控制 （ controlling）他们周边环境中的某些部分，常称为 系统 （ system），以便为社会提供经济实用的产品。
控制工程工程
1,工程和控制工程的关系
5The Academy of Armored Force Engineering of PLA
控制工程涉及多学科的课程：反馈理论、线性系统分析、网络理论、通信理论等，涉及的领域宇航、化学、机械、环境、土木、和电气工程。 一个控制系统常常包括电气的、机械的和化学的元件。
2,控制工程涉及的学科和领域
3,控制系统定义控制系统 是由各部件互联而形成的一个系统结构，并能够提供所 期望的响应。 受控部件或过程（ process）能够表示成下图所示的方框：
输入输出关系表示过程的因果关系，又表示对输入信号的处理而产生输出信号的过程。
6The Academy of Armored Force Engineering of PLA
控制系统按其结构不同可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统 (open loop control system)采用控制器或控制执行机构来实现期望的响应，如下图所示。
4,控制系统 分类与开环系统相比，闭环控制系统 (closed-feedback control system)
增加了对实际输出测量的装置，并将其与期望的输出响应进行比较。实际输出的测量称为反馈信号 (feedback signal)。反馈控制系统是一种通过比较一个系统变量与另一个系统变量并利用其偏差作为控制信号来使这些系统变量之间保持预定关系的控制系统,如下图所示。
7The Academy of Armored Force Engineering of PLA
按控制变量的复杂程度可分为：单变量控制系统和多变量控制系统。
顾名思义，如果控制系统的输入或输出变量多于一个，则该系统就是多变量控制系统 (multivariable control system)。
8The Academy of Armored Force Engineering of PLA
开环控制系统的实例如烤箱，洗衣机等。闭环控制系统实例如人驾驶汽车，
驾驶员必须通过观察汽车所在道路上的位置并做出适当的调整。
通过引入反馈，可以控制期望的输出并能够改善其精度，但需要注意系统的稳定性。
9The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.2 控制系统的发展简史该飞球调速器是用于工业过程的第一个自动反馈控制器。如图所示，这种调速器利用纯机械装置来测量输出传动轴的速度并利用飞球的运动控制阀门的开度，进而控制进入蒸汽机的蒸汽量。当速度增加时，飞球的中心上移，
并离开转动轴，于是减小了阀门的开度。
James Watt,飞球调速器 （ flyball governor）
10The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1868年之前，自动控制系统发展的特征是凭直觉和发明的时期。
产生自动控制理论与实践的一个巨大动因出现在第二次世界大战期间。当时需要设计和制造飞机自动驾驶仪、枪炮瞄准系统
、雷达天线控制系统和其它基于反馈控制方案的军事系统。数学和分析方法在数目上和效用上都得到了增强，控制工程变成了自己独立的工程学科。
二战之后，随着拉普拉斯变换和复频面应用的增加，频域开始统治控制领域。
现代控制分支众多：最优控制、鲁棒控制、随机控制、线性
、非线性控制等，同时控制工程必须同时兼顾时域和频域方案。
11The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1769,James Watt，发明了蒸汽机和调速器。
1800,Whitney，“可互换部件制造”的概念。
1868,Maxwell，建立蒸汽机调速器的数学模型 。
1877,Routh,Routh-Hurwitz稳定判据。
1892,Lyapunov，稳定性理论。
1913,Ford，在汽车生产中引入机械化装配机器 。
1922,Sperry，陀螺仪和自动转向系统。
192x,Minorsky,PID（比例 +积分 +微分）控制。
192x,Black，反馈放大器。
1927,Bode，网络分析和反馈放大器设计。
1932,Nyquist，更新稳定性分析的理论。
12The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1942,Ziegler &Nichols,PID参数调节。
1948,Evans，根轨迹方法。
1952,MIT，数控（ NC）和伺服系统。
1954,Devol，第一个工业机器人。
1956,Pontryagin，最优控制。
1962,Bellman，动态规划 。
1970s：状态变量模型,Kalman滤波器和最优控制。
1980s：鲁棒控制、自适应控制和智能控制。
13The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.3 控制工程实践
控制工程是面向目标系统的分析与设计,现代控制理论涉及到具有自组织、自适应、自学习、鲁棒性和最优性的系统。
自动控制,利用自动而非手动工具进行的工业过程（制造、生产，等等
）控制 。自动控制在工业中的应用，带来了巨大影响：
1）提高生产率,1925年，大约 58.8万人 —— 约 1.3%的全国劳动力去开采
5.2亿吨烟煤和褐煤，几乎全部采自地下。到了 1980年，产品上升为 7.74
亿吨，但劳动力却降为 20.8万人。此外，这些劳动力当中只有 13.6万人在地下采矿。高度机械化和高度生产率的地面采矿，只需要 7.2万人就生产了 4.82亿吨矿产品，或总产量的 62%[27]。
2）解放劳动力,在美国乡村历史上，劳动力的转变一直跟随着劳动的逐步机械化。 1820年,70%以上的劳动力在农场劳作。到 1900年，不到 40%
的劳动力在从事农业。今天，只有不到 5%的人在从事农业 [15]。
3）提供了精密性、可靠性、精确性和鲁棒性产品,例如，在过去几十年中
，汽车性能的精确可靠控制已经明显地得到了改善。
14The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.4 现代控制系统实例许多汽车都有动力转向和制动，其中用液压放大器来放大制动力或方向盘的转向力。一个简单的汽车转向系统方框图如图 a所示。为了得到误差的测量值，
将所期望的路线与实际路线的测量值进行比较，如图 b所示。此测量值通过视觉和触觉反馈（身体移动）获得。
汽车转向控制系统
15The Academy of Armored Force Engineering of PLA
(a)
(b)
16The Academy of Armored Force Engineering of PLA
浮球液位调节
温度控制（空调、冰箱和加热器等）
家庭应用
自动化和机器人
住宅自动化
汽车控制和智能交通系统（ ITS）
半导体制造业
娱乐业
计算机外设
电力工业
冶金工业
自动化仓库和库存控制
生物医学和生物学控制
社会、经济和政治
17The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.5 自动装配与机器人
机器人是集成了计算机的程控机器，它们通常代替人工从事特定的重复性工作。甚至有些机器人具有拟人化的特征，其中包括公认的机械臂、机械腕和机械手。
18The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.6 控制系统的未来发展
控制系统的目标是使系统具有更大的灵活性和高度自主性。
19The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.7 工程设计
工程设计（ engineering design）是工程师的中心任务，它是一项创造力和分析能力起着重要作用的复杂过程。
设计是为达到规定的目的而构想或创建系统的形态、组成部分和具体细节的过程。
设计步骤包括：
确定从公共政策制定者到消费者等群体的评价所形成的需求；
详细确定应该需要什么样的解决方案，并具体表达设计要求；
开发和评价各种可选方案，以便满足这些设计要求；
选定设计方案，并加以详细设计和实现。
工程设计要在一定的时间内，综合考虑系统设计中的复杂性、折衷、设计差距和风险，使之降低到最小限度。工程设计是一个重复的、非线性的、创造性的过程。
20The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.8 控制系统设计
控制系统设计是工程设计的特例。
控制系统工程的目标是确定拟设计系统的结构、设计要求和关键参数，以便满足实际需求。
设计过程是迭代的。
计算机辅助工具通常用于加快设计过程。
21The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.9 设计实例 1：转台速度控制
转台速度控制的应用,CD/DVD、硬盘等。
转台速度控制的目标：保证旋转的实际速度在规定的期望速度百分比之内。
开环方案（无反馈）：转台,DC电动机,放大器、电池
22The Academy of Armored Force Engineering of PLA
闭环方案,转台（过程）,DC电动机（执行机构）、放大器（控制装置）、转速计（
传感器）、电池（电源）
23The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.9 设计实例 2：磁盘驱动器读取系统
24The Academy of Armored Force Engineering of PLA
磁盘驱动器控制
1,确立控制目标：定位读取头，以便读取存储在磁盘某一磁道上的数据；
2,确定控制变量：读取头的位置；
3,拟定对变量的设计要求：定位精度为 1微米，读取头移动时间为 50毫秒；
4,选择执行机构：采用的传感器、执行机构、控制处理器和反馈控制，建立初步系统结构。
25The Academy of Armored Force Engineering of PLA
小 结
控制系统
由部件互连组成；
实现期望的目标。
控制系统可以是开环的也可以是闭环的。
反馈的应用（在概念上和实效上）是重要的。
控制系统设计基本上是一个迭代的过程。
导 论一,,自动控制原理,的重要性
,自动控制原理,是工程应用中一门非常重要的课程，是面向控制科学与工程学科的一门必修专业技术基础课，所以安排在三年级下学年。这门课程的前提课程是高等数学、电路理论、数模电子技术，它的后续课程是现代控制理论、线性系统理论、计算机控制技术、炮控系统和火控系统。
二,学习,自动控制原理,的目的通过对,自动控制原理,的学习，使学员掌握自动控制原理的分析和设计方法；
使学员具备分析和设计自动控制系统的能力；使学员达到灵活运用基本原理和方法的素质。
三,课程特点一门理论与工程相结合的基础课程，以工程思维观念为指导，以实际应用为目的，注重工程素质培养和专业基本训练。
2The Academy of Armored Force Engineering of PLA
四,教材
1,课堂教材,Richard C,Dorf and Robert H,Bishop,现代控制系统 （ 影印版 ）,
北京：科学出版社,2002
2,参考教材,胡寿松,自动控制原理 （ 第四版 ）,北京：科学出版社,2002
吴麟，自动控制原理，北京：清华大学出版社,1990
3The Academy of Armored Force Engineering of PLA
第一章 控制系统概述
1.1 引言
1.2 自动控制的发展简史
1.3 控制工程实践
1.4 现代控制系统举例
1.5 自动装配和机器人
1.6 控制系统的未来发展
1.7 工程设计
1.8 控制系统设计
1.9 设计实例 1：转台速度控制设计实例 2,磁盘驱动器读取系统
4The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.1 引言工程是人们了解自然，利用和改造自然，以便造福人类的过程。
控制工程涉及 建模 （ modeling）和 控制 （ controlling）他们周边环境中的某些部分，常称为 系统 （ system），以便为社会提供经济实用的产品。
控制工程工程
1,工程和控制工程的关系
5The Academy of Armored Force Engineering of PLA
控制工程涉及多学科的课程：反馈理论、线性系统分析、网络理论、通信理论等，涉及的领域宇航、化学、机械、环境、土木、和电气工程。 一个控制系统常常包括电气的、机械的和化学的元件。
2,控制工程涉及的学科和领域
3,控制系统定义控制系统 是由各部件互联而形成的一个系统结构，并能够提供所 期望的响应。 受控部件或过程（ process）能够表示成下图所示的方框：
输入输出关系表示过程的因果关系，又表示对输入信号的处理而产生输出信号的过程。
6The Academy of Armored Force Engineering of PLA
控制系统按其结构不同可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统 (open loop control system)采用控制器或控制执行机构来实现期望的响应，如下图所示。
4,控制系统 分类与开环系统相比，闭环控制系统 (closed-feedback control system)
增加了对实际输出测量的装置，并将其与期望的输出响应进行比较。实际输出的测量称为反馈信号 (feedback signal)。反馈控制系统是一种通过比较一个系统变量与另一个系统变量并利用其偏差作为控制信号来使这些系统变量之间保持预定关系的控制系统,如下图所示。
7The Academy of Armored Force Engineering of PLA
按控制变量的复杂程度可分为：单变量控制系统和多变量控制系统。
顾名思义，如果控制系统的输入或输出变量多于一个，则该系统就是多变量控制系统 (multivariable control system)。
8The Academy of Armored Force Engineering of PLA
开环控制系统的实例如烤箱，洗衣机等。闭环控制系统实例如人驾驶汽车，
驾驶员必须通过观察汽车所在道路上的位置并做出适当的调整。
通过引入反馈，可以控制期望的输出并能够改善其精度，但需要注意系统的稳定性。
9The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.2 控制系统的发展简史该飞球调速器是用于工业过程的第一个自动反馈控制器。如图所示，这种调速器利用纯机械装置来测量输出传动轴的速度并利用飞球的运动控制阀门的开度，进而控制进入蒸汽机的蒸汽量。当速度增加时，飞球的中心上移，
并离开转动轴，于是减小了阀门的开度。
James Watt,飞球调速器 （ flyball governor）
10The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1868年之前，自动控制系统发展的特征是凭直觉和发明的时期。
产生自动控制理论与实践的一个巨大动因出现在第二次世界大战期间。当时需要设计和制造飞机自动驾驶仪、枪炮瞄准系统
、雷达天线控制系统和其它基于反馈控制方案的军事系统。数学和分析方法在数目上和效用上都得到了增强，控制工程变成了自己独立的工程学科。
二战之后，随着拉普拉斯变换和复频面应用的增加，频域开始统治控制领域。
现代控制分支众多：最优控制、鲁棒控制、随机控制、线性
、非线性控制等，同时控制工程必须同时兼顾时域和频域方案。
11The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1769,James Watt，发明了蒸汽机和调速器。
1800,Whitney，“可互换部件制造”的概念。
1868,Maxwell，建立蒸汽机调速器的数学模型 。
1877,Routh,Routh-Hurwitz稳定判据。
1892,Lyapunov，稳定性理论。
1913,Ford，在汽车生产中引入机械化装配机器 。
1922,Sperry，陀螺仪和自动转向系统。
192x,Minorsky,PID（比例 +积分 +微分）控制。
192x,Black，反馈放大器。
1927,Bode，网络分析和反馈放大器设计。
1932,Nyquist，更新稳定性分析的理论。
12The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1942,Ziegler &Nichols,PID参数调节。
1948,Evans，根轨迹方法。
1952,MIT，数控（ NC）和伺服系统。
1954,Devol，第一个工业机器人。
1956,Pontryagin，最优控制。
1962,Bellman，动态规划 。
1970s：状态变量模型,Kalman滤波器和最优控制。
1980s：鲁棒控制、自适应控制和智能控制。
13The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.3 控制工程实践
控制工程是面向目标系统的分析与设计,现代控制理论涉及到具有自组织、自适应、自学习、鲁棒性和最优性的系统。
自动控制,利用自动而非手动工具进行的工业过程（制造、生产，等等
）控制 。自动控制在工业中的应用，带来了巨大影响：
1）提高生产率,1925年，大约 58.8万人 —— 约 1.3%的全国劳动力去开采
5.2亿吨烟煤和褐煤，几乎全部采自地下。到了 1980年，产品上升为 7.74
亿吨，但劳动力却降为 20.8万人。此外，这些劳动力当中只有 13.6万人在地下采矿。高度机械化和高度生产率的地面采矿，只需要 7.2万人就生产了 4.82亿吨矿产品，或总产量的 62%[27]。
2）解放劳动力,在美国乡村历史上，劳动力的转变一直跟随着劳动的逐步机械化。 1820年,70%以上的劳动力在农场劳作。到 1900年，不到 40%
的劳动力在从事农业。今天，只有不到 5%的人在从事农业 [15]。
3）提供了精密性、可靠性、精确性和鲁棒性产品,例如，在过去几十年中
，汽车性能的精确可靠控制已经明显地得到了改善。
14The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.4 现代控制系统实例许多汽车都有动力转向和制动，其中用液压放大器来放大制动力或方向盘的转向力。一个简单的汽车转向系统方框图如图 a所示。为了得到误差的测量值，
将所期望的路线与实际路线的测量值进行比较，如图 b所示。此测量值通过视觉和触觉反馈（身体移动）获得。
汽车转向控制系统
15The Academy of Armored Force Engineering of PLA
(a)
(b)
16The Academy of Armored Force Engineering of PLA
浮球液位调节
温度控制（空调、冰箱和加热器等）
家庭应用
自动化和机器人
住宅自动化
汽车控制和智能交通系统（ ITS）
半导体制造业
娱乐业
计算机外设
电力工业
冶金工业
自动化仓库和库存控制
生物医学和生物学控制
社会、经济和政治
17The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.5 自动装配与机器人
机器人是集成了计算机的程控机器，它们通常代替人工从事特定的重复性工作。甚至有些机器人具有拟人化的特征，其中包括公认的机械臂、机械腕和机械手。
18The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.6 控制系统的未来发展
控制系统的目标是使系统具有更大的灵活性和高度自主性。
19The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.7 工程设计
工程设计（ engineering design）是工程师的中心任务，它是一项创造力和分析能力起着重要作用的复杂过程。
设计是为达到规定的目的而构想或创建系统的形态、组成部分和具体细节的过程。
设计步骤包括：
确定从公共政策制定者到消费者等群体的评价所形成的需求；
详细确定应该需要什么样的解决方案，并具体表达设计要求；
开发和评价各种可选方案，以便满足这些设计要求；
选定设计方案，并加以详细设计和实现。
工程设计要在一定的时间内，综合考虑系统设计中的复杂性、折衷、设计差距和风险，使之降低到最小限度。工程设计是一个重复的、非线性的、创造性的过程。
20The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.8 控制系统设计
控制系统设计是工程设计的特例。
控制系统工程的目标是确定拟设计系统的结构、设计要求和关键参数，以便满足实际需求。
设计过程是迭代的。
计算机辅助工具通常用于加快设计过程。
21The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.9 设计实例 1：转台速度控制
转台速度控制的应用,CD/DVD、硬盘等。
转台速度控制的目标：保证旋转的实际速度在规定的期望速度百分比之内。
开环方案（无反馈）：转台,DC电动机,放大器、电池
22The Academy of Armored Force Engineering of PLA
闭环方案,转台（过程）,DC电动机（执行机构）、放大器（控制装置）、转速计（
传感器）、电池（电源）
23The Academy of Armored Force Engineering of PLA
1.9 设计实例 2：磁盘驱动器读取系统
24The Academy of Armored Force Engineering of PLA
磁盘驱动器控制
1,确立控制目标：定位读取头，以便读取存储在磁盘某一磁道上的数据；
2,确定控制变量：读取头的位置；
3,拟定对变量的设计要求：定位精度为 1微米，读取头移动时间为 50毫秒；
4,选择执行机构：采用的传感器、执行机构、控制处理器和反馈控制，建立初步系统结构。
25The Academy of Armored Force Engineering of PLA
小 结
控制系统
由部件互连组成；
实现期望的目标。
控制系统可以是开环的也可以是闭环的。
反馈的应用（在概念上和实效上）是重要的。
控制系统设计基本上是一个迭代的过程。
