第4章控制科學與工程

第4章控制科學與工程主編施榮華張祖平中國鐵道出版社

http://第4章:控制科學與工程3.1有線通信系統(tǒng)3.2光纖通信技術(shù)3.3交換技術(shù)3.4多媒體通信3.5無線通信系統(tǒng)3.6通信電源技術(shù)學科概論講座-----控制模塊3控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

第4章:控制科學與工程參考書1自動化概論，趙曜主編，機械工業(yè)出版社，2009年4自動化（專業(yè)）概論，萬百五主編，武漢理工大學出版社，2003年3自動化學科概論，戴先中主編，高等教育出版社，2006年2信息科學與技術(shù)導(dǎo)論，鐘義信主編，北京郵電大學出版社，2007年自動化的基本概念日常生活中，較少聽到“自動化”這個名詞更多聽到的是：這個設(shè)備(器具)是自動的、

自動控制的或全自動的自動化的地位和作用——比人干得更快、更好，極大地提高生產(chǎn)力從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量越來越好，價格越來越低?！讶藦姆敝氐奈ｋU的工作中解放出來

礦井掘井、核電站檢查、消防救火、無人偵察機、導(dǎo)彈（無人）

——完成人無法完成的工作

管道機器人（各種油管、水管）、

6000米機器人自動化的地位和作用——自動化在國民經(jīng)濟、國家綜合實力中起著舉足輕重的作用，并且其作用越來越重要?！詣踊毡榇嬖谟谌嗣袢粘Ｉ钪??！詣踊菄垃F(xiàn)代化的標志。具有自動導(dǎo)航和控制功能的無人和載人航天器、航空器、航海器，網(wǎng)絡(luò)化和自動化的軍事指揮和武器系統(tǒng)是現(xiàn)在高技術(shù)戰(zhàn)爭的基礎(chǔ)。自動化的概念

-生活中的自動化

家庭：

全自動照相機、洗衣機、電飯煲、微波爐、空調(diào)、自動開閉窗簾銀行：

自動取款機ATM商店：

自動售貨機交通：

自動控制的紅綠燈、電子地圖、衛(wèi)星定位系統(tǒng)

火車上的自動燒開水機高檔樓宇：自動門、自動電梯、自動自來水開關(guān)

自動化系統(tǒng)實例

-空調(diào)空調(diào)運行基于反饋信息（溫度測量值），屬于“反饋控制”空調(diào)-自動調(diào)節(jié)房間溫度以取暖為例，

空調(diào)通過溫度傳感器檢測房間的溫度?？照{(diào)控制器將檢測的溫度與設(shè)定值進行比較，若溫度低于設(shè)定值的下限，則使壓縮機運行，溫度上升，溫度上升到設(shè)定值的上限時則停止運行。工業(yè)生產(chǎn)中自動控制實例-液位控制

差壓傳感變送器液位控制器

自動調(diào)節(jié)閥

液位自動控制原理

采用液位測量變送器檢測液位值并轉(zhuǎn)換為標準信號（如4-20mA），送往液位控制器LC（控制器的設(shè)定值由人工給定）。

控制器根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況進行計算判斷，然后發(fā)出控制信號，輸出至調(diào)節(jié)閥。

控制閥根據(jù)此信號增大或減小閥門的開度，調(diào)節(jié)出水流量，使測量值接近或等于給定值。

自動化基本概念-控制與反饋

控制：為實現(xiàn)某一目的而由控制器產(chǎn)生的施加于受控對象的一種操縱和調(diào)節(jié)作用?？刂频倪^程是一個收集信息、加工信息、傳遞信息的過程，即信息處理過程。

反饋：將一個系統(tǒng)輸出的信息再作用于輸入信號，并對信息再輸出發(fā)生影響，起控制和調(diào)節(jié)作用。

自動化基本概念-反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取被控量的反饋信號來修正被控量的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。自動化基本概念-正反饋與負反饋

根據(jù)偏差信號變化特性，可將反饋分成正反饋和負反饋。如果由于反饋的存在，經(jīng)過一系列輸入后，使得系統(tǒng)的輸出信號單調(diào)地朝著某一個方向變化，輸出值與目標值的偏差越來越大或不穩(wěn)定，離目標值越來越遠，這樣的反饋稱為正反饋。

自動化基本概念-正反饋與負反饋

正反饋實例：炸藥爆炸、電子振蕩過程音響擴音設(shè)備正反饋例：音響系統(tǒng)、振蕩電路等自動化基本概念-正反饋與負反饋

如果由于反饋的存在，使得系統(tǒng)的輸出信號趨于穩(wěn)定在目標值，或者更嚴格地說，使輸出信號與給定值的偏差趨于減小，這樣的反饋稱為負反饋。幾乎所有的自動控制系統(tǒng)都是一個負反饋控制系統(tǒng)。正反饋與負反饋系統(tǒng)輸出比較正反饋系統(tǒng)輸出負反饋系統(tǒng)輸出自動控制的基本概念-開環(huán)控制開環(huán)控制（OpenLoop)

輸入裝置直接將輸入信號作用于受控對象，受控對象在輸入信號的作用下按一定的規(guī)律運動，但能否達到預(yù)期要求是沒有反饋信息的

?？刂骗h(huán)節(jié)受控對象輸出給定信號執(zhí)行環(huán)節(jié)擾動開環(huán)控制示意圖自動控制的基本概念-閉環(huán)控制閉環(huán)控制（ClosedLoop）將被控量測量出來，反饋至控制系統(tǒng)的輸入端與給定信號進行比較得出偏差信號，然后根據(jù)偏差對被控對象實施有效控制，達到消除或減少偏差的目的。閉環(huán)控制示意圖自動控制的基本概念-閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指在控制器與被控對象之間，不僅存在正向作用，而且存在著反饋作用。即系統(tǒng)的被控量對輸入量也有直接影響。反饋是指把輸出量檢測出來反送到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號比較以影響控制的過程。若反饋信號是與輸入信號相減則稱為負反饋；反之，若相加，則稱為正反饋。自動控制基本概念-自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動控制系統(tǒng)一般由給定、反饋、比較、控制、執(zhí)行、受控對象等環(huán)節(jié)和實際存在的擾動組成。

單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自動控制系統(tǒng)的基本組成被控對象控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過程給定環(huán)節(jié)產(chǎn)生給定輸入信號的環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)隨時將被控制量檢測出來的裝置比較環(huán)節(jié)將給定的輸入信號（被控制量的希望值）與測量環(huán)節(jié)得到的被控制量實際值加以比較控制環(huán)節(jié)根據(jù)偏差信號，決策如何去操作被控對象，實現(xiàn)被控量達到所希望的目標執(zhí)行環(huán)節(jié)按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實施對控制對象的操作自動控制基本概念-PID控制器

－反饋信號檢測裝置控制器受控對象控制量給定輸入誤差輸出執(zhí)行機構(gòu)決定系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵部分：控制器最簡單的控制方式：開關(guān)控制最常用控制方式：PID控制在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例+積分+微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。

自動控制基本概念-PID控制器

PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，因此稱為PID控制。

比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進行不同組合，如P、PI、PD、PID控制。自動控制基本概念-PID控制器

內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

檢測技術(shù)的含義：檢測技術(shù)是人們?yōu)榱藢ψ匀唤缥镔|(zhì)進行定量掌握或定性判斷所采取的技術(shù)措施總稱，它是在測量、檢驗、檢定等概念和技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。檢測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、試驗和科學研究的各個領(lǐng)域，是人們認識和改造自然的重要手段。檢測技術(shù)在自動控制中的作用

檢測技術(shù)的作用：

對被控對象的相關(guān)參數(shù)進行準確、快速的檢測是自動控制的基礎(chǔ)和保證，檢測技術(shù)在自動控制中發(fā)揮著重要作用。作為信息技術(shù)三大支柱（檢測控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)）之一的檢測技術(shù)，如今已經(jīng)深深地滲透到人類的科學研究、現(xiàn)代軍事、工業(yè)和日常生活的各個方面。

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

傳感器的概念Transducer/sensor能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（電信號）的器件或裝置傳感器是人類五官的外延，計算機是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機構(gòu)是人類四肢的外延。

在自動控制或自動檢測系統(tǒng)中，完成檢測任務(wù)的是各式各樣的傳感器和檢測儀表，亦稱為“電五官”。是各類控制或檢測系統(tǒng)感知、獲取與檢測信息的窗口，是實現(xiàn)自動控制的重要基礎(chǔ)。

傳感器與檢測儀表的作用熱敏電阻

空調(diào)溫度傳感器

微小的溫度傳感器

紅外體溫儀在線式紅外測溫儀傳感器應(yīng)用實例鎧裝熱電偶熱電阻敏感元件：直接感受外部信息（一次信號）轉(zhuǎn)換元件：將被測非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路：將電信號轉(zhuǎn)為適于傳送、顯示或記錄的信號傳感器基本結(jié)構(gòu)檢測儀表：用于計算和顯示傳感器的測量輸出值，亦稱為二次儀表。測控儀表：既有檢測功能，又具有控制功能。例如：PID調(diào)節(jié)器智能儀表：內(nèi)部配有微處理器，有信息處理功能檢測儀表的作用實例-室內(nèi)空氣甲醛檢測儀：可以檢測、計算和顯示室內(nèi)空氣中甲醛的含量

檢測是將被檢測量與標準量進行比較的過程，檢測方法是實施監(jiān)測所采用的具體手段。針對不同的檢測任務(wù)，需要進行認真而具體的分析，確定切實可行的檢測方法并選擇合適的檢測工具。從不同的角度出發(fā)，有各種不同的檢測方法。

檢測方法分類直接法：工程上廣泛采用直接檢測法。間接法：間接檢測多用于科學實驗中的實驗室測試，工程檢測中亦有應(yīng)用。聯(lián)立法（亦稱為組合法）：聯(lián)立檢測法操作手續(xù)復(fù)雜、花費時間長，多用于科學實驗或特殊場合。檢測方法分類–按檢測手續(xù)分類偏差式：在檢測過程中，用儀表指針的唯一（即偏差）決定被測量的方法稱為偏差法。檢測簡單，精度低，廣泛用于工程檢測。零位式：在測量過程中，用指零儀表的零位指示檢測的平衡狀態(tài)。系統(tǒng)平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的方法。檢測精度高，過程較復(fù)雜、花費時間長。微差式：綜合前兩種方法，將被測的未知量與已知的標準量進行比較并取得差值，再用微差法測得此差值。反應(yīng)快且檢測精度高，適合在線參數(shù)檢測。

檢測方法分類–按檢測方式分類檢測方法分類按照被測量的變化快慢分類：靜態(tài)檢測：適用于被測量不變化（如成品的尺寸等）或變化緩慢（如室內(nèi)溫度等）信號的檢測。動態(tài)檢查：對于變化速度快或者需要觀察變化過程的被測信號，常采用動態(tài)檢測。檢測方法分類按敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸分類接觸式：適用于靜態(tài)或運動速度緩慢的物質(zhì)參數(shù)檢測。非接觸式：適用于高速運動、環(huán)境惡劣或難以直接檢測等場合。（例如：紅外測溫、X射線測厚等）檢測方法分類按是否需要向被測對象施加能量分類主動式：在檢測過程中，需要外加輔助能源。例如：利用霍爾元件檢測磁場強度B需要外加一個穩(wěn)定的電流I。被動式：可從被測對象處獲取能量，不需要加入輔助能源。例如：熱電偶測溫

內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3

自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

自動控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）按給定值的變化分類：恒值控制系統(tǒng)Ur：所要求保持的爐溫；Uf

：實際爐溫，測溫熱電偶電壓；誤差電壓△U=Ur-Uf

?！鱑經(jīng)放大后帶動電動機M轉(zhuǎn)動，使調(diào)壓器提高或降低加熱電壓，直到Uf達到Ur電爐爐溫控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若輸入信號是預(yù)先未知的隨時間變化的函數(shù)，則這種自動控制系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)(Servo-mechanism)?；鹋诟櫹到y(tǒng)、防空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、雷達導(dǎo)引系統(tǒng)和天文望遠鏡跟蹤系統(tǒng)等都屬于隨動系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)實例-電飯煲

電飯煲是一個溫度程序控制系統(tǒng)，高級電飯煲的設(shè)定溫度可以按人工設(shè)定的程序自動變化。

程序控制系統(tǒng)實例-電飯煲

電飯煲一切準備就緒后，啟動、開始加熱。達到約100℃后，進入恒溫階段；恒溫階段結(jié)束后進入保溫段。保溫段結(jié)束后，自動降溫，整個溫度控制周期完成。它是按照事先設(shè)定好的幾個步驟來進行控制的，屬于程序控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)分類：單回路簡單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)：串級、比值、選擇性、分程、前饋和均勻等控制系統(tǒng)先進控制系統(tǒng)：解耦、預(yù)測、推斷和自適應(yīng)等控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類按被控變量分類溫度、壓力、液位、流量和成分等控制電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制按控制儀表采用的動力分類氣動式控制系統(tǒng)電動式控制系統(tǒng)液動式控制系統(tǒng)機械式控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)采用的控制器分類

計算機（工控機）單片機

PLCDSP

嵌入式控制系統(tǒng)按控制規(guī)律分類

PPIPDPID控制

工控機類似普通微機，但提高了工作的可靠性，配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口，并特別加強了針對工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。

工控機

單片機是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，在計算機家族里體積最小、價格最便宜、應(yīng)用非常普遍。一輛普通轎車里常常有幾十個單片機在工作。單片機（微控制器）

PLC包含了邏輯運算、順序控制、算術(shù)運算及定時和計數(shù)等功能，專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。早期主要用于邏輯及順序控制，以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，后來又增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能，并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能，應(yīng)用范圍越來越廣。

可編程邏輯控制器（PLC）

DSP的計算和處理功能相當強大，早期主要用于信號處理領(lǐng)域，價格也較昂貴，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。數(shù)字信號處理器（

DSP）自動控制系統(tǒng)的分類按組成系統(tǒng)的元件特性分類：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)信號的傳遞形式分類：連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按信號的多少分類：單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)

多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)

按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類：時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)(或稱為時不變系統(tǒng))內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

控制系統(tǒng)的基本要求

對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)反應(yīng)特定輸入信號（試驗信號），例如單位階躍信號的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表示。基本要求可綜述為3個方面：

穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性當系統(tǒng)受到干擾偏離原有的平衡狀態(tài)或目標時，一旦取消這種干擾，系統(tǒng)有能力回到原有的平衡狀態(tài)或目標，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定的平衡點不穩(wěn)定的平衡點控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)穩(wěn)定時的輸出系統(tǒng)不穩(wěn)定時的輸出控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)的動態(tài)特性：系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，都需要經(jīng)歷一個過渡過程，它反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性，通常用描述過渡過程的特征值來表示。

單位階躍響應(yīng)特性

控制系統(tǒng)的基本要求-動態(tài)特性系統(tǒng)上升時間

tr

超調(diào)量過渡過程時間ts振蕩次數(shù)N

單位階躍響應(yīng)特性

控制系統(tǒng)的基本要求-穩(wěn)態(tài)特性時域性能指標：穩(wěn)態(tài)誤差

單位階躍響應(yīng)特性

頻域性能指標：穩(wěn)定裕量（系統(tǒng)抗干擾能力）

內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45

自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

中國古代自動化裝置自動化技術(shù)的形成經(jīng)典控制理論的形成、發(fā)展和應(yīng)用

自動化的發(fā)展歷史現(xiàn)代控制系統(tǒng)與理論的形成和發(fā)展中國古代的自動化裝置公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

銅壺滴漏中國古代的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。該計時裝置最初只有兩個壺：上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關(guān)鍵。用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。計里鼓車中國用來自報行車里程的鼓車。候風地動儀公元132年張衡發(fā)明一種自動檢測地震的候風地動儀水運儀象臺公元1088年，中國蘇頌等人把渾儀(天文觀測儀器)、渾象(天文表演儀器)和自動計時裝置結(jié)合在一起建成了水運儀象臺。1788年英國Watt發(fā)明控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器

自動化技術(shù)的形成自動調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)用由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動調(diào)節(jié)器（Regulator）或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J.法爾科（Farcot）發(fā)明反饋調(diào)節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，稱之為伺服機構(gòu)（Servo-mechanism）。20世紀20~30年代，美國開始采用PID模擬式調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分調(diào)節(jié)器）。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題自動調(diào)節(jié)器和被控制對象（蒸汽機或船舵）組成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AutomaticRegulationSystem）。當時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機轉(zhuǎn)速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使數(shù)學家從理論上加以研究，創(chuàng)造多種代數(shù)穩(wěn)定判劇。經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展經(jīng)典控制(ClassicalControl)：1930年~1960年基于頻域(FrequencyDomain)的方法：傳遞函數(shù)

(TransferFunction)代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)的基礎(chǔ)上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（RootLocusMethod），奠定了適宜用于單變量控制問題的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。頻域法成為分析和設(shè)計線性單變量自動控制系統(tǒng)的主要方法。早期，反饋控制系統(tǒng)通稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動控制系統(tǒng)（AutomaticControlSystem）。因此，調(diào)節(jié)器也稱為控制器。經(jīng)典控制理論形成的歷史動力推動:受當時重大技術(shù)（通訊技術(shù)和火炮技術(shù)等）的深刻影響物理學：牛頓力學中的“質(zhì)點和姿態(tài)動力學”數(shù)學：線性常系數(shù)微分方程、復(fù)變函數(shù)、概率、統(tǒng)計工具：模擬電路和模擬計算機1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學家Л.龐特里亞金提出極大值原理。同年，美國數(shù)學家R.貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃。兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性。卡爾曼還引入狀態(tài)空間法，提出具有二次型性能指標的線性狀態(tài)反饋律，為線性自動控制系統(tǒng)給出了最優(yōu)調(diào)節(jié)器的概念。以上這些新概念和新方法標志著現(xiàn)代控制理論的誕生。20世紀60~70年代，英國學者H.羅森布羅克、D.梅恩和A.G.麥克法蘭等將頻率法推廣到分析和設(shè)計多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法。現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個重要分支：(1)系統(tǒng)辯識、建模與仿真(2)自適應(yīng)控制和自校正控制器(3)遙測、遙控和遙感(4)綜合自動化(5)大系統(tǒng)理論(6)模式識別和人工智能(7)智能控制現(xiàn)代控制理論形成的歷史動力推動:遠程火箭技術(shù)與航天技術(shù)、現(xiàn)代航海技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機器人技術(shù)物理學：力學、電學、化學反應(yīng)機理數(shù)學：線性代數(shù)（幾何方法）和矩陣論；線性常微分方程組理論；實、復(fù)變函數(shù)論變分法；泛函分析；概率、統(tǒng)計工具：電子計算機現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展系統(tǒng)辯識、建模與仿真

系統(tǒng)辯識是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學模型的理論和方法。

建立數(shù)學模型可采用解析法和實驗方法。在仿真設(shè)備上建立、修改、復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的模型，稱為系統(tǒng)仿真。自適應(yīng)控制和自校正控制器

自適應(yīng)控制在對象數(shù)學模型變動和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，保持良好的工作品質(zhì)。現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展

遙測是對被測對象的某些參數(shù)進行遠距離測量。

遙控是對被控對象進行遠距離控制。

遙感是利用裝載在飛機或人造衛(wèi)星等運載工具上的傳感器，收集由地面目標物反射或發(fā)射出來的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲得關(guān)于目標物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。

遙測、遙控和遙感現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展20世紀50年代末，出現(xiàn)數(shù)字計算機控制的化工廠

60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開始由局部自動化向綜合自動化方向發(fā)展

70年代出現(xiàn)用專用機床組成的無人工廠

80年代初出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無人工廠

綜合自動化開始對出現(xiàn)的大系統(tǒng)如大電力系統(tǒng)、化工聯(lián)合企業(yè)、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及社會經(jīng)濟大系統(tǒng)等開始進行研究。高速大型計算機的出現(xiàn)為大系統(tǒng)的研究和大量計算提供了前提條件。大系統(tǒng)理論的重要作用在于對大系統(tǒng)進行調(diào)度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解-協(xié)調(diào)以較短時間計算出優(yōu)化結(jié)果。大系統(tǒng)理論的誕生現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展模式識別和人工智能使用電子數(shù)字計算機直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖象、景物等。人工智能學者已研制出用于醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、金融決策、軍事指揮、大規(guī)模集成電路設(shè)計等各種專家系統(tǒng)；研制出智能機器人，如有視覺和觸覺的機器人和能與人對答的機器人等等?，F(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展智能控制的誕生將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)，解決一些以往的自動控制解決得不好或者不能解決的控制問題。將人工智能中的專家系統(tǒng)、學習控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法相結(jié)合，形成一些新的、具有獨特性能的智能自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展自動控制(AutomaticControl)研究的問題:自動控制系統(tǒng)分析(Analysis)(1)穩(wěn)定性(Stability)(2)動態(tài)特性(DynamicPerformance)(3)靜態(tài)特性(StaticPerformance)(4)魯棒性(Robustness)自動控制系統(tǒng)綜合(Synthesis)／設(shè)計(Design)CPreyu自動控制研究的問題內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

控制和自動化的應(yīng)用領(lǐng)域機械制造自動化農(nóng)業(yè)自動化服務(wù)自動化辦公自動化電力系統(tǒng)自動化智能建筑航空航天系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)生物控制生態(tài)與環(huán)境控制社會經(jīng)濟控制大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工程自動化應(yīng)用舉例自動化生產(chǎn)機械自動化生產(chǎn)線自動化車間自動化工廠工業(yè)生產(chǎn)直角坐標機器人自動化生產(chǎn)機械繞線機搬運機器人裝配機器人自動化生產(chǎn)機械注塑機高速五軸龍門銑床自動化生產(chǎn)機械汽車自動焊接生產(chǎn)線全自動裝配生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)線奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)車間自動搬運車自動立體倉庫現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展

無人加工車間

無人組裝車間現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展智能機器人和水下機器人1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床

現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心（沈陽第一機床廠）數(shù)控機床國產(chǎn)100公斤點焊機器人機器人足球機器人機器人干活機器人機器人2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功太空飛行機械制造自動化單機自動化、剛性生產(chǎn)線；數(shù)控機床、加工中心和柔性生產(chǎn)線；柔性制造。機械制造是現(xiàn)代工業(yè)重要的組成部分，對國民經(jīng)濟建設(shè)有非常巨大的影響。機械制造自動化技術(shù)從20世紀50年代至今，經(jīng)歷了三個階段：機械制造向著計算機集成制造系統(tǒng)/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)方向發(fā)展。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)一種靈活、通用、高精度、高效率的“柔性”自動化生產(chǎn)技術(shù)—數(shù)字控制（簡稱數(shù)控）技術(shù)。

數(shù)控系統(tǒng)是由程序、輸入輸出設(shè)備、計算機數(shù)字控制裝置、可編程序控制器、主軸驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動裝置等組成。柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem,FMS）是在計算機直接數(shù)控(DirectNumericalControl,DNC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高度自動化加工形式，不僅能進行自動化生產(chǎn)，而且還能在一定范圍內(nèi)完成不同工件的加工任務(wù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用自動控制、電子計算機、遙感等技術(shù)，實現(xiàn)部分生產(chǎn)作業(yè)和管理自動化，提高作業(yè)質(zhì)量、效率和安全、省力等效果。農(nóng)業(yè)自動化主要包括耕耘、栽培、收割、運輸、排灌、作物管理、禽畜飼養(yǎng)等過程以及溫室的自動控制和最優(yōu)管理。農(nóng)業(yè)自動化采松果機器人挖樹根機器人農(nóng)業(yè)自動化飛機清洗機器人服務(wù)自動化家用清潔機器人服務(wù)自動化電力系統(tǒng)自動化安全供電的自動化

—過電壓保護、過電流保護、接地保護

—對汽溫、汽壓、真空度、水位、爐膛壓力、燃燒情況以及汽輪發(fā)電機的電流、電壓、軸承溫度等等參數(shù)需要進行檢測和監(jiān)控。電力系統(tǒng)自動化供電質(zhì)量的控制

——電壓質(zhì)量和頻率質(zhì)量電壓質(zhì)量直接影響到用戶的用電質(zhì)量。電壓過高會損害用電電器，或響應(yīng)其壽命；電壓過低則電燈不亮，熒光燈不能啟動，甚至會由于轉(zhuǎn)矩不夠而燒壞電動機。供配電自動化智能建筑將現(xiàn)代建筑技術(shù)與信息技術(shù)有機結(jié)合，設(shè)計和建造安全、舒適、高效、節(jié)能、方便靈活的現(xiàn)代化建筑。通過綜合布線系統(tǒng)與各種信息終端來“感知”建筑物內(nèi)各個空間的信息，經(jīng)過計算機處理作出相應(yīng)對策，使建筑物具有某種“智能”。使用者和管理者可對供熱、供水、空調(diào)、電氣、電梯、照明、音樂、防火、防盜、電話、傳真、閉路電視、計算機通信、購物、保健等實現(xiàn)按需控制，對關(guān)鍵部位或特殊部位進行監(jiān)控，并提供與互聯(lián)網(wǎng)的有效連接。智能建筑三大要素智能建筑包含三大基本要素：樓宇自動化(BA)系統(tǒng)、通信自動化(CA)系統(tǒng)和辦公自動化(OA)系統(tǒng)。樓宇自動化系統(tǒng)樓宇自動化系統(tǒng)集成就是將樓宇自動化的各個子系統(tǒng)予以結(jié)合，在高一層由中央監(jiān)控系統(tǒng)的計算機進行最佳決策，使樓宇自動化各子系統(tǒng)的聯(lián)動運轉(zhuǎn)機制達到最有效、最合理的程度。

樓宇自動化系統(tǒng)集成停車場管理系統(tǒng)自動抄表系統(tǒng)供配電監(jiān)控系統(tǒng)BAS系統(tǒng)樓宇自控系統(tǒng)消防報警系統(tǒng)綜合保安系統(tǒng)樓宇管理系統(tǒng)上海世博中心大連期貨大廈智能建筑飛行器控制現(xiàn)代飛行器有很多種類，例如飛機、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、直升機、運載火箭、宇宙飛船、航天飛機等。不同種類的飛行器具有不同的用途，同一種飛行器也由于功能、性能不同而分為不同類型。飛行器控制的內(nèi)容非常豐富：

——導(dǎo)航系統(tǒng)；

——制導(dǎo)系統(tǒng)；

——姿態(tài)控制系統(tǒng)；

——飛行控制電子綜合系統(tǒng)；

——測試與發(fā)射控制系統(tǒng)。

太空飛行器的智能控制國際空間站是一座有兩個足球場大小的空間站，將成為人類歷史上第一個完備的太空實驗室。神州二號飛船2000年，我國成功發(fā)射了神舟二號飛船。飛船在太空飛行的幾天中，進行了一系列的空間材料、空間天文和空間生物等實驗。神州四號飛船2002年底，我國成功發(fā)射了神舟四號飛船，這是最后一次無人飛船，飛行108圈后于2003年1月5日返回地球。神州五號飛船2003年10月15日我國成功發(fā)射了神舟五號飛船。航天員楊利偉成為我國第一個在太空遨游了21小時的中國人。神州六號飛船2005年10月12日9時神舟六號飛船點火升空。航天員費俊龍、聶海勝在太空遨游115小時32分鐘后重返神州。神州七號飛船2008年9月25日21時10分神舟七號飛船點火升空。航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬在太空遨游68小時27分鐘繞地球飛行了45個圈后重返地球。神州七號飛船10月5日，中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)負責人公布，神舟七號飛船伴飛小衛(wèi)星順利完成前期空間觀測任務(wù)，共下傳1000多幅飛船多角度圖像，均清晰完整。

智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于包括高速公路、城市道路、橋梁等設(shè)施的龐大運輸網(wǎng)絡(luò)，也可應(yīng)用于數(shù)量日益增多的各種車輛，從而達到：——提高公路交通的安全性。

——降低能源消耗，減少汽車運輸對環(huán)境的影響——提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力——提高汽車運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益智能交通系統(tǒng)的主要內(nèi)容

出行與運輸管理系統(tǒng)公共交通運營系統(tǒng)商用車輛運營系統(tǒng)電子收費系統(tǒng)應(yīng)急管理系統(tǒng)先進的車輛控制和安全系統(tǒng)生物控制具體研究方向有：生物控制系統(tǒng)—血壓、呼吸、體溫、神經(jīng)、內(nèi)分泌控制系統(tǒng)等；遺傳及其控制神經(jīng)控制生物行為控制仿生學仿生技術(shù)信息仿生：包括感官仿生，細胞內(nèi)和細胞間通信、動物間通信仿生，以及智能仿生等方面。控制仿生：包括體內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運動控制、動物的定向?qū)Ш?、生態(tài)系統(tǒng)的漲落等。力學仿生：是關(guān)于動物飛行、運動動力學的研究?；瘜W仿生：研究生物體內(nèi)一些特殊的化學過程，以便使這些過程也能在工業(yè)中實現(xiàn)。醫(yī)學仿生：研究用人工仿制品代替人的有機體的某一部分。生態(tài)與環(huán)境控制生態(tài)控制——用系統(tǒng)和信息觀點與方法分析、設(shè)計、規(guī)劃和控制人工生態(tài)系統(tǒng)、資源的合理利用和再循環(huán)、環(huán)境的綜合治理和優(yōu)化以及在新的生態(tài)平衡格局下人類怎樣適應(yīng)和協(xié)調(diào)。環(huán)境控制——將環(huán)境當作受控的開放系統(tǒng)，研究、實施有效的控制行為，使人們的生存環(huán)境質(zhì)量維持在一個良好的水平。環(huán)境控制中的控制行為主要有三個方面：局部污染處理、綜合環(huán)境治理和環(huán)境系統(tǒng)管理。社會經(jīng)濟控制將社會經(jīng)濟系統(tǒng)（SocioeconomicSystem）看成是一個具有反饋調(diào)節(jié)，特別是信息反饋的控制系統(tǒng)；對社會經(jīng)濟系統(tǒng)進行定量的描述與處理，以求達到最優(yōu)控制，作出有效、合理的經(jīng)濟決策;社會經(jīng)濟控制的主要任務(wù)是：給出最優(yōu)的經(jīng)濟決策，通過最優(yōu)的經(jīng)濟管理，實現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟指標。大系統(tǒng)控制大系統(tǒng)是指規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)?，F(xiàn)代大型企業(yè)的多級計算機管理和控制系統(tǒng)全國或地區(qū)性供電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度、管理和優(yōu)化運行系統(tǒng)大都市的交通管理與控制系統(tǒng)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)航天運載火箭、洲際導(dǎo)彈……在現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上，形成了所謂的大系統(tǒng)理論。主要研究內(nèi)容有大系統(tǒng)建模、分析與綜合等方面，包括研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模型簡化、控制方案、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及最優(yōu)化等。系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學和電子計算機等工具，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動控制等進行分析、研究，從而達到最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標。

系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程涉及的領(lǐng)域非常廣泛，除了各種工程領(lǐng)域，還涉及社會、經(jīng)濟、政治、軍事、文化、教育等領(lǐng)域。系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍包括社會系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)以及流通服務(wù)系統(tǒng)、人體對象系統(tǒng)等。

系統(tǒng)工程目前被人們廣泛重視并取得有價值結(jié)果的應(yīng)用領(lǐng)域有宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)工程、區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)工程、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程、能源系統(tǒng)工程、水資源系統(tǒng)工程、運輸系統(tǒng)工程、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程、工程項目管理系統(tǒng)工程、人口系統(tǒng)工程、軍事系統(tǒng)工程等。

內(nèi)容提要控制系統(tǒng)的基本要求

72

檢測技術(shù)在自動控制中的作用

3自動控制系統(tǒng)的分類

45自動控制技術(shù)簡要發(fā)展史

自動化學科的應(yīng)用領(lǐng)域

61自動控制的基本概念控制和自動化的展望

控制和自動化的展望

自動化技術(shù)的發(fā)展水平是一個國家在高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展水平的重要標志之一，涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、商業(yè)、家用電器、個人生活諸多方面?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）在制造業(yè)中產(chǎn)生了利用計算機不僅實現(xiàn)單元生產(chǎn)柔性自動化，并把制造過程（產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃與控制、生產(chǎn)過程等等）集成為一個統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)想，同時企圖對整個系統(tǒng)的運行加以優(yōu)化。主要的目標包括：

——降低生產(chǎn)成本；

——提高生產(chǎn)效率；

——提高生產(chǎn)的柔性，增強產(chǎn)品對市場的適應(yīng)性；

——提高產(chǎn)品質(zhì)量；

——減少生產(chǎn)準備時間和庫存；

——增加企業(yè)員工對企業(yè)的滿足感；

——增加用戶滿意度。數(shù)控技術(shù)、計算機輔助設(shè)計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）等；立體倉庫與自動化物料運輸系統(tǒng)；自動化裝配與工業(yè)機器人；計算機輔助生產(chǎn)計劃制定、計算機輔助生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度；質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)；辦公自動化與經(jīng)營輔助決策。CIMS涉及的技術(shù)機器人及應(yīng)用機器人作為人類20世紀最偉大的發(fā)明之一，在短短的40年內(nèi)發(fā)生了日新月異的變化。機器人已經(jīng)不僅成為先進制造業(yè)不可缺少的自動化裝備，而且正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。用于制造環(huán)境下的工業(yè)機器人（如焊接、裝配、噴涂、搬運等機器人）；機器人化工程機械：隧道鑿巖機、大型噴漿機、機器人化裝載機、自動攤鋪機等；用于非制造環(huán)境下的特種機器人（如水下機器人、