自动控制原理 2008年度浙江省精品课程 杭州电子科技大学 “自动控制原理”精品课程课题组 http://wljx.hdu.edu.cn/eol/jpk/course/index.jsp?courseId=2220 2008.9

主要内容 自动化专业概述 课程性质与定位 课程内容 课程目标 与其他课程的联系 课程要求 考核方式 参考书目

一、自动化专业概述 自动化与自动控制 自动控制技术的发展与人类文明进步 控制科学与工程学科 我国自动化专业的特点

1、自动化与自动控制 自动化（Automation）——机器或装置在无人干预情况下按指定的程序或指令自动地进行操作或运行。广义上，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。 自动控制（Automatic Control）——是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。

两者的区别：通常自动化主要应用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等人造系统的控制问题；而自动控制除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。 由于自动化与自动控制具有明显的工程特点，一般将本学科称为控制科学与工程（Control Science and Engineering）。

2、自动控制技术的发展与人类文明进步 I.早期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900) (0) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. ~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》(600B.C.) (1) 秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.) 西汉漏壶

(2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年) (3) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)

(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年) (5) 中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)

(6) 英国J. Watt基于机械式调节原理用离心式调速器实现了蒸汽机的速度控制(1788年)

(7) 英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。 荷兰科学家C. Hugens (1629-1695)利用反馈控制原理发明了高性能的钟摆与天文望远镜。

(8) J.C. Maxwell (1831- 1879), 法国科学家，于1868年发表文章“On Governors（论调节器）, 成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。

(9) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年) (10) 英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船 “东方”号(Great Eastern)(1866年)

(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。 操江号(62mx10m), 392匹马力，600T排水，备炮9门

II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935) (0) Wright Brothers 于1903年12月17完成了人类历史上首次动力飞行，开创了航空业的新篇章。 (1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)

(2) E. Sperry (1860-1930), 创立Sperry公司。由他们设计和制造的陀螺仪和各种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼雷、火炮、雷达和飞机上。L.Sperry(1892-1923), 在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺仪全自动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做出了重要的贡献。

(3) 美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)，并成功应用于美国军舰控制。 (4) 美国MIT的V. Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)——美国现代工程之父，1964年获美国总统科学奖（National Medal of Science）。

(5) 美国H. S. Black发明了电子放大器负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) ,为现代通讯技术奠定了基础。(1927) 1957年获IEEE Medal。——“毫不夸张地说，没有Black的发明，就没有今天的长距离电话和电视网络” H. S. Black （AT&T）贝尔实验室研究员

(6) 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)

III. 经典控制(Classical Control)(1935-1950) (1) 美国贝尔实验室的H. Bode (1938)，以及H.Nyquist(1940)提出频率响应法 H. Bode H. Nyquist

(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942) (3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。——1964年获总统科学奖。 N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory

(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939) H. Hazen

(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想。(1937) (6) J. Von Neuman (1903-1957)发明首台数字计算机，创立Game theory。

(7) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C (7) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948)——信息论之父 C. E. Shannon

（8）李郁荣（Y.W. Lee, 1904-1989), 广东人，N. Wiener的首位博士生(1930年)，曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为Wiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969），与Shannon一起成为该系最知名的两个学科带头人。主要工作包括随机通讯（statistical communication theory）和电路理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为MIT的最伟大的教育家之一。 L.J. Chu(1913-1973)，毕业于上海交大，MIT电机系教授，Radiation Lab 雷达研究最重要的奠基者。 Y.W. Lee

(9) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled Data System) (10) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 (11) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的《工程控制论》(Engineering Cybernetics) (1954)

IV 现代控制(Modern Control) (1950- ) 二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。

(1) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956) (2) 美国R. Bellman（UCL）在RAND Coporation数学部的支持下，发表著名Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957) (3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)

(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)

G.S. Brown（1907-1996）, H. Hazen的学生,数控机床之父。1939年，Brown为海军的4名学员开设了首门控制课，把自动控制引入到正规的工程教育中。 “工程学生必须全面地接受深层次的科学训练…科学主导工程（Science dominates engineering）”，“课堂教学与实验教学必须紧密地结合起来”，是G. Brown教授最著名的两条教育理念。

(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957) 1957. Laika. Sputnik 2 Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space

Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film. K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.

(6) 美国G. Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，1959年，被称为机器人之父的J (6) 美国G. Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，1959年，被称为机器人之父的J. Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation Inc ——PUMA

(7) 1968年，日本Kawasaki（川崎）公司从Unimation买进技术。目前，Yaskawa（安川）公司已成为世界最大机器人公司。机器人技术体现了电子控制和驱动，传感器以及运动机构一体化的新思想。日本Yaskawa公司的工程师把这叫做Mechatronics(机电一体化技术)(1972) (8) 美籍匈牙利人R. E. Kalman（1930～）发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960) R. E. Kalman

(9) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961) 1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour. 宇宙哥伦布-加加林 In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I. A stamp issued by Russia to memorize Y. Gagarin Capsule used in first manned orbit of earth

(10) 1963年, 美国的Lofti Zadeh与C. Desoer（UCB）发表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。 C. Desoer (11) 美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)

(12) 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A (12) 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。 N.A. Armstrong

(13) 瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor。 K. J. Astrom (14) 英国H.H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach(1974) 。

(15) 美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)

(16) 美国ARPA计算机网络初步建成(1971) (17) 日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)

(18) 美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A (18) 美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。 R. Brockett

(19) 加拿大G. Zames提出H∞ 鲁棒控制设计方法(1981年) Gorge Zames (20) 美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年)

(22) 中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986) (21) 美国A. Bryson 和Y.C Ho 发表Applied Optimal Control (1969)。Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论(1983) Yu C. Ho P. Kokotovic A. Bryson (22) 中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)

(23) 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996) (24) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索

(25) 神舟飞船（2003，2005）

(26) IEEE Control Systems Award 获得者。

(27)二十世纪自动控制领域中最有影响的25篇经典论文 （25 seminal papers in control） [1].NYQUIST, H., "Regeneration theory," Bell Syst. Tech. J., vol. 11, 1932, pp.126-147 [2].BLACK, H.S., "Stabilized feedback amplifiers," Bell Syst. Tech. J., vol. 14, 1934, pp.1-18 [3].BODE, H.W., "Relations between attenuation and phase in feedback amplifier design," Bell Syst. Tech. J., vol. 19, pp. 421-454, 1940 [4].WIENER, N., "The linear filter for a single time series - Chapter III", from: Extrapolation, Interpolation, and Smoothing of Stationary Time Series, pp. 81-103, 1949 [5].EVANS, W. R., "Control system synthesis by root locus method," Trans. Amer. Institute of Electrical Engineers, 69, pp. 66-69, 1950 [6].BELLMAN, R., "The structure of dynamic programming processes," Chapter 3 of "Dynamic Programming,“ Princeton University Press, Princeton NJ 1957, pp. 81-89 [7].PONTRYAGIN, L.S., "Optimal control processes," Uspekhi Mat. Nauk, USSR, Vol. 14, 1959, pp. 3-20. (English translation: Amer. Math. Society Trans., Series 2, vol. 18, 1961, pp. 321-329.) [8].KALMAN, R.E. "Contributions to the theory of optimal control," Bol. Soc. Mat. Mexicana, vol. 5, 1960, pp. 102-119

[9].KALMAN, R.E. "A new approach to linear filtering and prediction problems," Trans. ASME (J. Basic Engineering), vol. 82D, no.1, March 1960, pp. 35-45 [10].FELDBAUM, A.A., "Dual control theory, Parts I and II", Automation and Remote Control, Vol. 21, No. 9, April 1961, pp. 874-880 and Vol. 21, No. 11, May 1961, pp. 1033-1039. (Russian originals dated September 1960, 1240-1249 and November 1960, pp. 1453-1464) [11].POPOV, V.M., "Absolute stability of nonlinear systems of automatic control," Auto. Remote Control, vol. 22, No. 8, February 1962, pp. 857-875. (Russian original dated August 1961, pp. 961-979) [12].BRYSON, A.E. and DENHAM, W.F., "A steepest-ascent method for solving optimum programming problems," Trans. ASME. J. Appl. Mechanics, June 1962, pp. 247-257 [13].YAKUBOVICH, V.A., "Solution of certain matrix equations appearing in automatic control," DAN (Doklady Akademii Nauk SSSR), vol.143, No.6, 1962, pp. 1304-1307 [14].KALMAN, R.E., "Mathematical description of linear dynamical systems," SIAM J. Control, vol. 1, 1963, pp. 152-192 [15].ZAMES, G., "On the input-output stability of time-varying nonlinear feedback systems--Part I: Conditions derived using concepts of loop gain, conicity, and positivity; Part II: Conditions involving circles in the frequency plane and sector nonlinearities," IEEE Trans. Aut. Control, AC-11, April 1966 pp. 228-238, July 1966, pp. 465-476 [16].LaSALLE, J.P., "An invariance principle in the theory of stability," in Differential Equations and Dynamical Systems," J. Hale & J.P. LaSalle, Eds., Academic Press, 1967, pp. 277-286

[17]. WONHAM, W. M. and MORSE, A. S [17].WONHAM, W.M. and MORSE, A.S., "Decoupling and pole assignment in linear multivariable systems: A geometric approach," SIAM J. Control, vol. 8, pp. 1-18, 1970 [18].BROCKETT, R.W., "System theory on group manifolds and coset spaces," SIAM J. Contr., vol. 10, 1972, pp. 265-284 [19].SUSSMANN, H.J. and JURDJEVIC, V., "Controllability of nonlinear systems," J. Diff. Eqns., vol. 12, 1972, pp 95-116 [20].WILLEMS, J.C., "Dissipative dynamical systems - Part I: General theory," Arch. Ratl. Mech. and Analysis, vol.45, pp 321-351, 1972 [21].ASTROM, K.J. and WITTENMARK, B. "On self-tuning regulators," Automatica, vol. 9, pp. 185-199, 1973 [22].HERMANN, R. and KRENER, A.J., "Nonlinear controllability and observability," IEEE Trans. on Automatic Control, AC-22, pp. 728-740, 1977 [23].LJUNG, L., "Analysis of recursive stochastic algorithms," IEEE Trans. Automatic Control, Vol. 22, 1977, pp. 551-575 [24].GOODWIN, G.C., RAMAGE, P.J. and CAINES P.E., "Discrete time multivariable adaptive control," IEEE Trans. Automatic Control, Vol. 25, 1980, pp. 449-456 [25].ZAMES, G., "Feedback and optimal sensitivity: model reference transformations, multiplicative seminorms, and approximate inverses," IEEE Trans. Aut. Control, AC-26, 1981, pp. 301-320

3、控制科学与工程学科（一级学科） 控制科学与工程的核心问题是信息，包括信息提取、信息传播、信息处理、信息存贮和信息利用。 我国自动化本科专业：自动化系、自动控制系、信息与控制工程系。

控制科学与工程（一级学科） 控制理论 与控制工程 检测技术与自动化装置 模式识别与智能系统 系统工程 飞行器导航制导与控制

4、我国自动化专业的特点 多学科交叉特点——利于培养宽口径人才 突出的方法论特点——利于培养创新人才 系统、集成的特点——利于培养将才、帅才

二 课程性质与定位 广义科学技术体系结构 自动化科学的定位与任务 自动化技术的定位与任务 自动化与自动科学技术的关系 “自动控制原理”的课程性质与定位

1、广义科学技术体系结构

2、自动化科学的定位与任务 定位：一门技术科学、一门应用基础科学 研究的基本任务： 为自动化技术（包括设计、制造、控制和管理计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程控制系统CIPS等先进自动化系统）和控制工程（包括控制航天器这样的设备）提供科学理论基础。 致力于带有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究，使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用。

3、自动化技术的定位与任务 定位：一门工程应用技术 研发的基本任务： 一方面将自动化科学原理与方法转换为工程实用技术（包括工具和手段），使之能应用于工程实际，将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力； 另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼、抽象成为科学问题，为自动化科学研究提供新的研究对象。

4、自动化与自动科学技术的关系 ——相互依存关系 自动化科学与技术是自动化的源泉与基础； 其物化是自动化设备与系统； 其应用包括自动化设计、自动化制造、 自动化工程、自动化管理、 自动化决策、自动化运行等。 自动化（应用） 是自动化科学与技术的用武之地； 是自动化专业毕业生的主要用武之地。

5、“自动控制原理”的课程性质与定位 自动化专业的专业基础课、学位课、考研主要专业课程 属于自动化科学范畴，研究一些共性的、具有普遍规律的问题。

三、课程内容 课堂讲授部分（44学时） 自动控制的一般概念 动态系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法 线性系统的频率分析法 线性系统的校正方法

实验部分（6学时） 倒立摆控制系统演示实验 典型一阶、二阶系统及其阶跃响应 二阶系统频率特性测量

四、课程目标 要求学生初步掌握自动控制系统的基本概念与原理 掌握经典控制理论中的主要系统分析方法 掌握其校正与设计技术，了解其应用。 通过对自动控制基本理论的系统学习，使得学生不仅加深对控制问题本身的理解，而且了解到目前所学内容的某些应用方面和进一步研究的方向，为今后的研究与技术工作奠定良好的理论基础。

五、与其它课程的联系 基础知识：高等数学、线性代数、积分变换、复变函数、信号与系统、计算机基础； 后续课程：现代控制理论、计算机控制技术、智能控制等；有关采样控制的内容放在计算机控制技术课程讲授。 后续实践环节：自动控制理论课程设计、工程训练、毕业实习、毕业设计。

六、课程要求 按时听课 认真听讲，遵守课堂纪律 按时、独立完成作业 遇到问题及时解决（老师、同学、图书馆） 多看参考书，多方面理解课程内容 勤于思考、善于发现问题 注意理论学习和实际应用之间的联系

七、考核方式 平时考勤、课堂测验和作业上交、完成情况10％ （无故缺课达到总课时的三分之一或两次不交作业者取消考试资格） 期中考试成绩20％ 期末考试成绩70％

八、参考书目 胡寿松. 自动控制原理（第四版）. 北京: 科学出版社, 2002 李友善. 自动控制原理（上册）. 北京: 国防工业出版社, 1989 [美]Katsuhiko Ogata著. 现代控制工程（第四版）. 卢伯英，于海勋译. 北京: 电子工业出版社, 2005 鄢景华. 自动控制原理. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1996 程鹏. 自动控制原理. 北京：高等教育出版社，2003 R.C. Dorf and R.H. Bishop, Modern Control Systems, 10th Edition, Prentice-Hall, 2005 G.F. Franklin, J.D. Powell, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd Edition, Addison-Wesley, 1994