自动控制的发展课件

自动控制的发展自动控制的发展1自动控制的发展1一、前言自自动动控控制制是是人人类类在在认认识识世世界界和和发发明明创创新新的的过过程程中中发发展展起起来来的的一一门门重重要要的的科科学学技技术术。依依靠靠它它，人人类类可可以以从从笨笨重重，重重复复性性的的劳劳动动中中解解放放出出来来，从从事事更更富富创创造造性性的的工工作作，自自动动化化技技术术是是当当代代发发展展迅迅速速，应应用用广广泛泛，最最引引人人瞩瞩目目的的高高技技术术之之一一，是是推推动动新新的的技技术革命和新的产业革命的关键技术。术革命和新的产业革命的关键技术。李泽湘李泽湘自动控制与人类进步自动控制与人类进步2一、前言自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的二.自动控制发展阶段1.1.古典控制阶段古典控制阶段(Early Control)(Early Control)(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)2.2.萌芽阶段萌芽阶段(The Rudiment Period)(The Rudiment Period)(1705(1705年年-1872-1872年年)3.3.经典控制经典控制(The Classical Period)(The Classical Period)(1872(1872年年-1950-1950年年)4.4.现代控制现代控制 (Modern Control)(Modern Control)(1950(1950年至今年至今)3二.自动控制发展阶段3三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)l代表作：代表作：水钟水钟指南车指南车水运仪象台水运仪象台提花织布机提花织布机l代表人物：代表人物：斯提比西乌斯斯提比西乌斯马钧、祖冲之马钧、祖冲之张衡张衡宋应星宋应星 4三、古典阶段(1400B.C.-1705年)代表作：4三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)水钟，别名：刻漏，也叫漏壶；水钟，别名：刻漏，也叫漏壶；5三、古典阶段(1400B.C.-1705年)水钟，别名：刻漏三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)6三、古典阶段(1400B.C.-1705年)6三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)指南车：指南车：又称司南车，是中国古代用来指示方向的一又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。种机械装置。7三、古典阶段(1400B.C.-1705年)指南车：http:/ 9三、古典阶段(1400B.C.-1705年)指南车：101011111212三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)水运仪象台：以水为动力，集浑仪、浑象、报时水运仪象台：以水为动力，集浑仪、浑象、报时于一体的天文钟。于一体的天文钟。准确跟踪天体运行准确跟踪天体运行13三、古典阶段(1400B.C.-1705年)水运仪象三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)东东汉汉科科学学家家张张衡衡曾曾经经在在天天体体仪仪上上安安装装了了一一套套传传动动装装置置漏漏水水转转浑浑天天仪仪，利利用用相相当当稳稳定定的的漏漏刻刻的的水水推推动动铜铜球球，均均匀匀地地绕绕金属轴转动金属轴转动.后后来来，唐唐朝朝的的一一行行和和梁梁令令瓒瓒、宋宋代代的的苏苏颂颂和和韩韩公公廉廉等等人人，把把天天体体仪仪和和自自动动报报时时装装置置结结合合起起来来，发发展展成成为为世世界界上上最最早早的的天天文钟文钟水运仪象台水运仪象台.14三、古典阶段(1400B.C.-1705年)东汉科学三、古典阶段(1400B.C.-1705(1400B.C.-1705年年)16371637年年中中国国明明代代宋宋应应星星所所著著天天工工开开物物记记载载有有程程 序序 控控 制制 思思 想想(CNC)(CNC)的的提提花花织织机机结构图。结构图。15三、古典阶段(1400B.C.-1705年)15四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)l代表作：代表作：水位自动调节器水位自动调节器fly-ball governorOn Governors论调整器的一般原理论调整器的一般原理“东方东方”号蒸汽船号蒸汽船l代表人物：代表人物：.(波尔祖诺夫波尔祖诺夫)James WattJames Clerk Maxwell.维什聂格拉斯基维什聂格拉斯基J.M.Gray16四、萌芽阶段(1705年-1872年)代表作：16四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)18 18世纪是蒸汽机快速发展的时期，蒸汽机成为机械工世纪是蒸汽机快速发展的时期，蒸汽机成为机械工程最瞩目的成就。程最瞩目的成就。蒸汽机之父蒸汽机之父托马斯托马斯.纽可门，约翰纽可门，约翰.考利考利17四、萌芽阶段(1705年-1872年)18世纪是蒸汽四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)1765 1765年，俄国工程师年，俄国工程师波尔祖诺夫波尔祖诺夫发明了发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器，这在俄国被蒸汽机锅炉的水位自动调节器，这在俄国被认为是世界第一个自动调节器。认为是世界第一个自动调节器。18四、萌芽阶段(1705年-1872年)1765年，俄四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)1788年年,英国英国JamesWatt用离心式调用离心式调速器控制蒸汽机的速度速器控制蒸汽机的速度.19四、萌芽阶段(1705年-1872年)1788年,英四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)1868年年,James Clerk Maxwell On GovernorsProceedings of the Royal Society of LondonVol.16,pp.270-28320四、萌芽阶段(1705年-1872年)1868年,James四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)1872年年,.维什聂格拉斯基维什聂格拉斯基论调节器的一般原理论调节器的一般原理法国科学院院报法国科学院院报21四、萌芽阶段(1705年-1872年)1872年,21四、萌芽阶段(1705(1705年年-1872-1872年年)18661866年，英国年，英国J.M.GrayJ.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽设计出第一艘全自动蒸汽轮船轮船“东方东方”号号(Great Eastern).(Great Eastern).22四、萌芽阶段(1705年-1872年)1866年，英国J.M五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)代表作：代表作：Routh-HurwitzRouth-Hurwitz判据判据数字控制系统数字控制系统LyapunovLyapunov定理定理伺服机构理论伺服机构理论Nyquist-Nyquist-米哈伊洛夫判据米哈伊洛夫判据火炮控制器火炮控制器BodeBode图图气压反馈控制器气压反馈控制器根轨迹法根轨迹法汽车装配流水线汽车装配流水线负反馈放大器负反馈放大器控制论控制论PIDPID控制方法控制方法工程控制论工程控制论PIDPID参数的最佳调整法参数的最佳调整法通信的数字理论通信的数字理论代表人物：代表人物：Routh,Hurwitz,W.Evans,Lyapunov,Routh,Hurwitz,W.Evans,Lyapunov,钱学森钱学森,H.S.Black,H.Bode,Nyquist,N.Wiener,H.S.Black,H.Bode,Nyquist,N.Wiener,H.Hazen,C.Shannon,etc.H.Hazen,C.Shannon,etc.23五、经典控制(1872年-1950年)代表作：23五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1877年年，EdwardJohnRouth.ATreatiseontheStabilityofMotion.London,U.K.:Macmillan1895年年，AdolfHurwitzOntheconditionsunderwhichanequationhasonlyrootswithnegativerealparts.MathematischeAnnelen,vol.46:273-28424五、经典控制(1872年-1950年)1877年，Edwar五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1892年，年，A.M.LyapunovTheGeneralProblemoftheStabilityofMotion华丽的分割线25五、经典控制(1872年-1950年)1892年，A.M.五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)19271927年年8 8月月6 6日，美国日，美国H.S.BlackH.S.Black提出改进放大器性能的负提出改进放大器性能的负反馈方法反馈方法(Negative Feedback Amplifier)(Negative Feedback Amplifier)。贝尔实验室贝尔实验室26五、经典控制(1872年-1950年)1927年8月6日，美五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1932年年，Harry Nyquist,Regeneration TheoryBell System Technical JournalVol.11,pp.126-147.1940年年，Hendrik Wade Bode贝尔实验室贝尔实验室华丽的分割线27五、经典控制(1872年-1950年)1932年，Harry五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)Walter R.Evansl1948年，年，Graphical analysis of control systemsVol.67，pp.547-551.l1950年，年，Control system synthesis by root locus methodVol.69，pp.6669.时域、频域、根轨迹经典控制理论中三分天下！时域、频域、根轨迹经典控制理论中三分天下！28五、经典控制(1872年-1950年)Walter R.E五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)PIDPID控制控制用于船舶驾驶的伺服机构用于船舶驾驶的伺服机构Nicolas MinorskyDirectional Stability of Automatically Steered Bodies Journal of American Society NavalEngineers,Vol.42(2),pp.280-309,192229五、经典控制(1872年-1950年)PID控制用于船舶驾五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1942年，年，J.G.Ziegler and N.B.Nichols Optimum settings for automatic controllersTrans.ASME,Vol.64,pp.759-768.30五、经典控制(1872年-1950年)30五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)19131913年，美国福特年，美国福特(Ford Motor)(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车汽车公司建成最早的汽车装配流水线。装配流水线。31五、经典控制(1872年-1950年)1913年，美国福特(五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1925年，美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器，气压反馈控制器32五、经典控制(1872年-1950年)1925年，美国E.五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1934年,HaroldHazen，Theoryofservo-mechanismsJournaloftheFranklinInstitute，vol.218(3)，并于并于1939年在年在MIT建立伺服机构实验室建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)33五、经典控制(1872年-1950年)1934年,Haro五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1948年，年，Norbert Wiener完成了专著：完成了专著：Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine,The MIT Press,Cambridge(Mass.),Wiley and Sons,New York,1948.控制论（对信息传递和控制的研究,尤涉及人及动物大脑与机器及电子装置的差异）34五、经典控制(1872年-1950年)1948年，Norbe控制论（对信息传递和控制的研究,尤涉及人及动物大脑与机器及电子装置的差异）包括：时间序列；信息和通信；反馈和振荡；计算机和神经系统；控制论和精神病理学；学习和自生殖机；脑电波与自行组织系统。Cybernetics35控制论（对信息传递和控制的研究,尤涉及人及动物大脑与机器及五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)1948年，在贝尔实验室工作的年，在贝尔实验室工作的C.Shannon发表专著发表专著The Mathematical Theory of Communication。36五、经典控制(1872年-1950年)1948年，在贝尔实验五、经典控制(1872(1872年年-1950-1950年年)l1954年，我国科学家钱学森完成了专著工程年，我国科学家钱学森完成了专著工程控制论（控制论（Engineering Cybernetics）。）。37五、经典控制(1872年-1950年)1954年，我国科学家六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）代表作：代表作：极大值原理极大值原理机器人机器人动态规划法动态规划法导弹导弹现代控制理论现代控制理论卫星卫星非线性控制理论非线性控制理论航天器航天器模糊控制理论模糊控制理论数字控制系统数字控制系统鲁棒控制理论鲁棒控制理论数控机床数控机床自适应控制理论自适应控制理论代表人物：代表人物：L.S.Pontryagin,R.Bellman,R.E.Kalman,K.S.Pavlovitch,J.Engelberger,L.Zadeh,G.Zames,K.J.Astrom,H.H.Rosenbrock,W.M.Wonham,R.Brockett,A.Isidori,etc38六、现代控制（1950年至今）代表作：38六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1956年，苏联科学年，苏联科学家家L.S.Pontryagin发表发表“最优过程数学理论最优过程数学理论”，提出极大值原理，提出极大值原理(Maximum Principle)39六、现代控制（1950年至今）1956年，苏联科六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1957年年，美美 国国Richard Bellman发发表表 著著 名名 的的 Dynamic Programming，建建立最优控制的基础。立最优控制的基础。同同年年，国国际际自自动动控控制制联联合合会会(IFAC)成成立。立。Richard Bellman(1920-1984)40六、现代控制（1950年至今）1957年，美国R六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）R.E.KalmanOnthegeneraltheoryofcontrolsystemsResearchInstituteforAdvancedStudy,Baltimore,MD,USA;IRETransactionsonAutomaticControl,PublicationDate:Dec.1959Volume:4,Issue:3Onpage(s):110-11041六、现代控制（1950年至今）R.E.Kalman41六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）Lotfi Askar Zadeh:Information and Control 1965：Fuzzy Sets，8(3):338-3531968：Fuzzy Algorithms，12(2):94-102 42六、现代控制（1950年至今）Lotfi Askar Zad六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1967年，瑞典学年，瑞典学者者Karl Johan strm提出最小二乘辩识，解提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法；估计问题和定阶方法；六年后，提出了自适应六年后，提出了自适应调节器，建立自适应控调节器，建立自适应控制的基础。制的基础。43六、现代控制（1950年至今）1967年，瑞典学者Kar六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1976年，年，Roger W.Brockett Volterra series and geometric control theoryAutomatica,pp.167-176.1989年，年，Alberto IsidoriNonlinear control systems:An Introduction.New York:Springer-Verlag.44六、现代控制（1950年至今）1976年，Roger W.六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1981年，年，George ZamesFeedback and Optimal Sensitivity:Model Reference Transformations,Multiplicative Semi-norms,and Approximate InversesIEEE Transactions on Automatic Control，1981，pp.301-320；45六、现代控制（1950年至今）45六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1952年，美国年，美国MIT的的Servomechanism Laboratory研制研制出第一台数控机床。出第一台数控机床。46六、现代控制（1950年至今）1952年，美国MIT的Ser六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）机器人技术机器人技术UnimateandJosephEngelberger47六、现代控制（1950年至今）机器人技术Unimate an六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）导弹技术导弹技术48六、现代控制（1950年至今）导弹技术48六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）导弹技术导弹技术49六、现代控制（1950年至今）导弹技术49六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）l1957年年10月月4日，前苏联成功发射人类历史上日，前苏联成功发射人类历史上第一颗人造地球卫星第一颗人造地球卫星Sputnik I。人造地球卫星：人造地球卫星：50六、现代控制（1950年至今）1957年10月4日，前苏联成六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）l1961年年4月月12日，前苏联成功完成了人类历史上第一次日，前苏联成功完成了人类历史上第一次载人宇宙飞行载人宇宙飞行Yury Alekseyevich Gagarin。载人航天（一）：宇宙飞船载人航天（一）：宇宙飞船51六、现代控制（1950年至今）1961年4月12日，前苏联成六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）l1969年年7月月16日上午，巨大的日上午，巨大的“土星土星5号号”火箭载着火箭载着“阿波罗阿波罗11号号”飞船从美国肯尼迪发射场点火升空，开始飞船从美国肯尼迪发射场点火升空，开始了人类首次登月的太空飞行。了人类首次登月的太空飞行。l尼尔尼尔阿姆斯特朗、埃德温阿姆斯特朗、埃德温奥尔德林、迈克尔奥尔德林、迈克尔科林科林斯斯 载人航天（二）：人类登月载人航天（二）：人类登月52六、现代控制（1950年至今）1969年7月16日上午，巨大六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）1981年年4月月12日日7时，哥伦比亚号从卡纳维拉尔角起飞。时，哥伦比亚号从卡纳维拉尔角起飞。2003年年2月月01日日9时，哥伦比亚号航天飞机坠毁。时，哥伦比亚号航天飞机坠毁。载人航天（三）：航天飞机载人航天（三）：航天飞机53六、现代控制（1950年至今）1981年4月12日7时，哥伦六、现代控制（六、现代控制（19501950年至今）年至今）2003.10.152003.10.16，我国成功完成了第一次载人宇宙飞行。，我国成功完成了第一次载人宇宙飞行。2005.10.122005.10.17，我国再次成功实现载人宇宙飞行。，我国再次成功实现载人宇宙飞行。2008.09.252008.09.28，神七，神七2011.11.12011.11.17，神八，神八2012.06.162012.06.29，神九，神九载人航天（四）：神舟飞船载人航天（四）：神舟飞船54六、现代控制（1950年至今）2003.10.152003七、结束语七、结束语 近近几几十十年年来来，随随着着计计算算机机和和网网络络技技术术的的发发展展，自自动动控控制制技技术术在在一一些些传传统统的的工工程程领领域域发发挥挥着着越越来来越越重重要要的的作作用用。不不仅仅如如此此，自自动动控控制制技技术术还还扩扩展展到到生生物物、经经济济、环环境境、医医疗疗等等很很多多生生产产与与生生活活领领域域，成成为为现现代代社社会活动不可缺少的重要组成部分。会活动不可缺少的重要组成部分。55七、结束语 近几十年来，随着计算机和网络技术的发