水壶。受水壶中水逐渐增加，
浮舟托起木箭上升。将木箭
的顶端与铜表尺刻度对照，
得到时间。
55
国外：出现反馈控制装置
➢ 希腊人凯特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年 在油灯中使用浮子调节器以保持油面高度稳定。
➢ 现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒 贝尔，使用了温度反馈控制。
➢ 邓尼斯·帕平最先发明了蒸汽阀的压力控制器。 ➢ 1765年，普尔佐诺夫发明了浮子阀门式水位
天才般的博士论文《运动稳定性的 一般问题》中提出了李亚普诺夫方 法，即李亚普诺夫第一法(间接法) 和李亚普诺夫第二法(直接法)。其 中李雅普诺夫第二法不仅可用于线 性系统而且可用于非线性时变系统 的分析与设计。
李雅普诺夫
16 16
3.4 PID控制理论—第六章
➢ 1922年，美国N. Minorsky基于 船舶驾驶的伺服结构提出位置控 制系统的分析，并对PID三作用 控制给出控制规律的公式。
33
(一) 经典控制理论
1. 最早： 中国：产生“控制”的思想，而非理论
指南车
候风地动仪
漏水转浑天仪
4
铜壶滴漏
整件滴漏由四个铜壶组成，
分别是日壶、月壶、星壶、
受水壶。保持星壶的水位恒
定是滴漏计时准确的关键。源自星壶上部有一个小洞，如果月壶滴下的水多了，便从这
里流出，使星壶的水量保持
恒定，以便均匀地滴水给受
调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动控制。
66
2. 闭环自动控制系统的出现与应用
➢ 欧洲工业革命的标志：James Watt于 1765年在萨维利发明的蒸汽机的基础 上改进的现代意义上的蒸汽机。
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构 建了蒸汽机的转速自动控制系统，此 系统在锅炉压力和负荷变化的条件下， 通过离心式调速器自动调节进气阀门 的开度，使蒸汽机转速维持在一定的 詹姆斯·瓦特 范围内。
稳定性
麦克斯韦
99
➢ 1872年，俄国维什聂格拉斯基对蒸汽机 的稳定性问题进行研究，在论文《论调整 器的一般原理》中将线性微分方程简化成 由调整对象和调整器组成的系统，同时结 合直接作用于蒸汽机的调速器的特性，指 出如何选择参数才能保证系统稳定。 ➢ 1878年，他还对非线性继电器型调整器 进行了研究。
➢ 1942年，美国Tatlor仪器公司的 J.G. Ziegler和N.B. Nichols给出 PID控制器的最优参数整定法。
尼柯尔斯
17
这一时期讨论的问题主要是系统的稳定性和
稳态偏差，所用的数学工具是微分方程解析法。
这些是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法
为控制理论的时域分析法。
由于电子元器件的非线性特性不便用代数判
奈氏判据是频率响应法的基 础，为具有高质量的动态品质和 静态准确度的军用控制系统提供 了所需的分析工具。
乃奎斯特
20 20
➢ 1938年，贝尔实验室的美国应用 数学家H.W. Bode进一步研究通信 系统频域的方法，提出频域响应的 半对数坐标图描述法(Bode图)，使 频率特性的绘制更适于工程设计。
据来分析其稳定性；而有些系统不仅对稳定性和
稳态精度有要求，且对过渡过程的快速性和平稳
性亦做出一定的要求，特别是第二次世界大战期
间，需要控制系统具有准确的跟踪与补偿能力，
促使反馈控制系统的研制与理论研究有了很大的
发展。
18 18
3.5 负反馈理论的发展与应用 ➢ 1927年，贝尔实验室的美国电气
工程师H.S. Black首先提出基于误 差补偿的前馈放大器，在此基础上 最终提出负反馈放大器并对其进行 数学分析。
负反馈可以通过降低增益来改善器 件的线性性能。但如果放大器没有正确 地设计为负反馈，那么放大器会产生振 荡现象，从而使工作变得不稳定。
—如何判断系统是否稳定？
布莱克
19 19
3.6 奈氏判据——第五章
➢ 1932年，贝尔实验室的美国物理 学家H. Nyquist在傅氏变换的基础 上提出以频率特性为基础的稳定 性判据。此判据不仅可以判断系 统的稳定性，而且可以用来分析 系统的稳定裕量。
徐寿
黄鹄号复原图
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华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱 动的全自动蒸汽轮船“东方”号
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3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平 面的根的数目，从而将当时各种有 关稳定性的孤立的结论和非系统的 结果统一起来，开始建立有关动态 稳定性的系统理论。
维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理 论的奠基人。
10 10
➢ 1807年，美国机械师R. Fulton设 计出世界上第一艘蒸汽机带动车轮 拨水的“克莱蒙特”号蒸汽轮船， 故其被称为“轮船之父”。
克莱蒙特号下水
罗伯特·富尔顿
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➢ 1865年，在安庆内军械所由徐寿、 华蘅芳设计建造了我国第一艘明轮 推进的蒸汽机轮船“黄鹄”号。
劳斯
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➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了 解Routh工作的情况下，独立给出 了根据多项式的系数决定多项式的 根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根 据特征方程的系数来判断高阶系统 的稳定性。
赫尔维茨
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3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
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转速自动控制原理
缺点：调速系统会出 现振荡问题，当振荡 过大时会造成系统的 不稳定。(稳态性能及 动态性能差，存在稳 态误差——第三章)
如何解决？
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3. 经典控制理论的发展阶段
3.1 稳定性代数判据—第三章 ➢ 1868年，英国J.C. Maxwell以离
心式调速器为背景，在论文《论 调节器》中指出速度反馈控制系 统中出现的不稳定问题，可通过 线性常微分方程从理论上给出四 阶以下的稳定条件-取决于特征方 程的根是否具有负实部
自动控制的一般概念和基本要 求
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
22
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
(一) 经典控制理论 (二) 现代控制理论 (三) 智能控制理论