•典型的控制过程 ___ 伸手去取一件物品的过程
大脑通过神经系统传递信息操控手移向目标物品，眼睛将 手和物品等信息传递给大脑，并有大脑将此信息进行处理后决 定前进方向和速率，再将此结果用于操作手（臂）的动作。整 个过程虽简单迅速，但不失为一个完整的控制过程。
杯子的位置 人眼
偏差
大脑
指令
手臂
手的位置
贝尔曼 (1945)动 态规划
庞特里亚 金(1959) 极大值原 理
卡尔曼(1960)《控 制系统一般理论》 状态空间描述、 能控、能观
• 2008奥运会降雨量控制 2008年8月8日晚20~24时，一条暴雨云带自西南向东 北顽强地向北京城进发，向“鸟巢”进发，但气象部门 自2008年8月8日下午16时到23时39分，共在北京21个作 业点持续发射1104枚火箭弹，最终将其成功拦截在北京 城外。
• 2008年北京奥运会主火炬控制
1.2.3 反馈、调节与决策
调节 (Regulation) ：通过系统的反馈信息 自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、 压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之 内的过程。

调节：以反馈为基础。
闭环控制：以反馈为基础。 控制 开环控制：无反馈。
1.2.3 反馈、调节与决策
决策(Decision Making)：为最优地达到目 标，对若干准备行动的方案进行选择。
3.2实现技术与需求推动了现代控制理论的形成与发展
计算机与航天需求推动了现代控制理论的形成
电子管 计算机 （1946）
晶体管 计算机 （1959）
集成电路 计算机 （1964）
阿波罗计算 机控制系统 1961-1975
1970
1950
1960
空间飞行 器和导弹 的登陆、 导航与跟 踪的需求 推动
自动化发展简史的启示
控制系统的发展推动了经典控制理论的发展与形成
蒸汽机调速器推动了反馈系统的稳定分析
蒸汽机 调速器 1788
1880
1900
1920
麦克斯韦(1868) 《论调节器》
劳斯判据 (1877)
注：麦克斯韦推导出蒸汽机 调速器的微分方程，并分析 稳定性，是对反馈控制稳定 性的第一次系统的研究
日常 生活
空调：室内的温度 汽车的方向和速度 洗衣机
人体温度和血压 计划生育和人口控制
工业 生产
电网电压 电机转速 锅炉的温度和压力 机器人的控制
生物 工程
市场经济中的商品质量和价格的控制
1.2 基本概念和术语
1.2.1 举例：水温的手动控制和自动控制
在手动控制系统中，图中的操作员要用 手（通过感觉）来测试水温，并将其与他要 求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同 时他要决定他的手对阀门的控制动作。

如何科学地进行决策是各项工作顺利 开展的重要保证，也是本学科近年来研 究和发展的新领域之一。

1.3 控制理论与自动化技术发展简史

一
二 三
自动装置的出现和应用（18世纪以前）

自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代） 局部自动化时期 (20世纪40-50年代)


四
五
综合自动化时期（20世纪50-90年代）
主火炬直径3m多、行程11m多，运行控制误差不到2mm，精确度达 到万分之二。
根据反馈信息，控制系统能够自动调整设备运行方向、速度。其中 燃烧塔火焰调节装置、长明火燃烧器、高能点火器、回旋式燃烧器等， 均获得国家知识产权局实用新型专利。
•
“神舟七号”---“神舟十号”和“天宫一号”飞船控制
无论从功能、结构、设计以及实现的角度来看，神舟七号都是一个极为 复杂的大系统，而这个复杂的大系统又是由航天员系统、飞船应用系统、载 人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统等七 个子系统组成。这七个子系统又由各自相应的子系统组成，组合在一起就形 成了展现在世人面前的具有特定功能的神七飞天系统。
1.1常见的控制现象和自动化技术
1.1.2 一起进入到自动化时代
3.电气化时代 20世纪初，发电机、变压器、电灯、电网、电 动机等的广泛应用，人类社会进入电气化时代。 4.自动化（信息）时代 21世纪是自动化时代，在自动化时代中，不仅 能量变换，而且信息变换都可由机器来完成。 半导体、集成电路、无线电、电子计算机等的 先后问世，这些技术几乎同步解决了信息变换的 速度问题。
在自动控制系统中，图中的测温计 （传感器）代替上面的手测试水温，用跟给 定水温值比较后的差值对调节阀进行调节， 从而调节蒸汽的进入量，使水温朝给定值方 向变化，实现对水温（控制量）的控制。
控制信号 操作量 目标值 ＋ 误差 控制量 ○ 控制器 驱动器 控制对象
－
传感器
上例中涉及到的基本概念有： 1）控制（Control)： 定义为“为达到某种目的，对某一对象施加 所需的操作。” 含有“调节/调整”，“管理/ 监督”，“运用/操作”等意思。
1.2.2 系统与控制 系统(System)：由相互关联、相互制约、 相互影响的一些部分组成的具有某种功能的 有机整体。 如构成系统的组成部分本身也是系统， 则称之为子系统。

对于一个具体的系统，
系统环境：系统以外的部分。 系统边界：系统与系统环境的分界。
1.2.2 系统与控制 系统输入：系统环境对系统的作用。
控制信号 操作量 目标值 ＋ 误差 控制量 ○ 控制器 驱动器 控制对象
－
传感器
8）反馈控制方式： 反馈控制方式就是测出控制对象的输出量， 同目标值进行比较得到偏差值，然后对控制对象 进行控制以减少乃至消除偏差。
9）手动控制： 由人本身通过判断和操作进行的控制叫做手 动控制。 10）自动控制： 由控制装置自动进行的控制叫自动控制。 自动控制是关于受控系统的分析、设计和运 行的理论和技术。
轮船自动 掌舵系统 （1911） PID方法
M9火炮 指挥控 制系统 1943
1950
奈奎斯特稳定 性（1932）
Zicglcr-Nichols 埃文斯(1948) (1942)PID参数 根轨迹 伯德图 整定方法 (1945)
在贝尔实验室中 解决电话通讯系 统的问题 飞机导航与 控制问题
数学工具 1、拉普拉斯变换(1805-1827)
二、自动化技术形成时期
公元1788年 J.瓦特发明离心式调速器


19世纪末詹姆斯·瓦特发明蒸汽机的同时发 明了离心式调速器，离心式调速器是最初的 控制装置。离心式调速器能够自动调节进气 阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。这是 现代自动化发展中的第一个里程碑。 但是随着离心调速器的蒸汽机的普及，人们 发现调速器舞蹈（摆动）现象，即某种使用 条件下，蒸汽机的转速和调速器的套筒位置 都周期性的发生很大变化，即系统会发生震 荡（不稳定）。这就迫使一些科学家对控制 系统的稳定性问题进行了进一步的研究。
轮船掌舵系统，电话系统和火炮系统推动了经典控制理论的产生与发展
采用PID控制并 可以自动调节增 益来补偿海洋环 境带来的干扰
对轮船位置控 制系统有了一 个清晰的分析， 并推导出了PID 控制律 布莱克(1928) 负反馈放大器 轮船自动 掌舵系统 （1922） 电话 系统
1935 1940
1910
1）指南车
一种具有能自动离合齿轮 系装置的车辆。是一种马 拉的双轮独辕车。无论车 转向何方，都能使其上的 木人的手臂始终指向南方。
2)饮酒速度的自动调节 这是一种竹制饮酒 管。 饮酒时吸地太 快或太慢，小孔都会 被饮酒管中的小鱼自 动堵塞，这种浮子式 阀门可以用来保持均 匀的饮酒速度。
3）铜壶滴漏——中国古代的自动 计时（测量时间）装置，又称刻漏或
第一章 绪论



1.1 1.2 1.3 1.4
常见的控制现象和自动化技术 基本概念和术语 控制理论和自动化技术发展史 自动化与自动化学科、专业
1.1常见的控制现象和自动化技术
1.1.1 控制的身影随处可见
2008年8月8日，作为北京奥运会重头戏之一 的开幕式，将此次奥运会三大理念之一的“科技 奥运”展现得淋漓尽致。创新方案和高新技术的 大量结合，使得北京向世界完美呈现了一场精彩 的文化视觉盛宴。北京奥运会开幕式采用了历届 奥运会最复杂的技术系统，应用了大量世界尖端 的新技术，涉及多个领域，包括地面升降舞台、 焰火、地面LED系统、指挥系统、通信系统等。此 外，航天材料也被运用到了开幕式上。
三
、局部自动化时期
1.经典控制理论的形成和发展
2.局部自动化的应用
三、局部自动化时期
1. 经典控制理论的形成和发展 1932年，奈奎斯特（Nyquist)提出代数稳定判 据 1945年，伯德（H·W·Bode)提出传递函数 1948年，伊文思（N·Evans）提出根轨迹法 1948年，维纳（N · Wiener)发表控制论—关 于在动物和机器中控制和通信的科学。这标 志着控制论的出现。
集成自动化时期 （20世纪90年代至今）

1.3 控制理论与自动化技术发展简史
一、自动装置的出现和应用
自动化技术源远流长。人类自古以来就不断的 创造一些巧妙的自动装置，用以减少或代替劳 动。中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装 置，其中比较著名的有下述的：指南车 、铜 壶滴漏 、饮酒速度的自动调节、计里鼓车、 候风地动仪等等。
自动化概论
林小峰 广西大学电气工程学院 gxulinxf@
参考文献
1.周献中.《自动化导论》. 科学出版社 2.戴先中.《自动化学科概论》.高等教育出版社. 3.教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会.《自 动化学科专业发展战略研究报告》.高等教育出版社. 4.万百五.《自动化（专业）概论》. 武汉理工大学出 版社. 5.龚元明.《电气信息科学》.新时代出版社. 6.冯飞等.《新能源技术与应用概论》．化学工业出版 社.