自动控制原理及其应用
概述
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1.1自动控制理论的发展阶段
1.2自动控制的一般概念
1.3自动控制系统的组成
1.4自动控制系统的类型
1.5对控制系统性能的要求
1.6MATLAB软件
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1.1自动控制理论的3个发展阶段
·1.经典控制理论(19世纪初)
传递函数
时域法
复域法(根轨迹法)
频域法
·2.现代控制理论(20世纪60年代)
线性系统自适应控制
最优控制鲁棒控制
最佳估计容错控制
系统辨识集散控制
·3.智能控制理论(20世纪70年代)
专家系统模糊控制
神经网络遗传算法
经典控制理论
自动控制理论是在人类征服自然的生产实践活动中孕育、产生并随着社会生产和科学技术的进步而不断发展、完善起来的。
早在古代，劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识，发明了许多闪烁着控制理论智慧火花的杰作。例如，我国北宋时期天文学家苏颂和韩公廉建造的水运仪象台，就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统；1681年，法国物理学家、发明家巴（D．Papin）发明了用作安全调节装置的锅炉压力调节器；1765年，俄国人普尔佐诺夫（I．Polzunov）发明了蒸汽锅炉水位调节器等。
对人类社会生产的发展产生巨大推动作用，从而被世界公认为第一个自动控制系统的是1788年英国人瓦特（J．Watt）发明的飞球调节器，解决了蒸汽机的速度控制问题，如下图所示。
负反馈在蒸汽机速度控制中的应用
飞球调节器的发明进一步推动了蒸汽机的应用，促进了工业生产的发展。但是，有时为了提高调速精度，蒸汽机速度反而出现大幅度振荡，其后相继出现的其他自动控制系统也有类似的现象。由于当时还没有自动控制理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，不少人为提高离心式调速机的控制精度进行了改进研究。有些人认为系统振荡是因为调节器的制造精度不够，从而努力改进调节器的制造工艺，这种盲目的探索持续了大约一个世纪之久。
1868年，英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell）发表“论调速器”论文，第一次指出不应该单独讨论一个离心锤，必须从整个控制系统出发推导出微分方程，然后讨论微分方程解的稳定性，从而分析实际控制系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析就变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。
此后，英国数学家劳斯（E．J．Routh）和德国数学家胡尔维茨（A．Hurwitz）分别在1877年和1895年独立建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。这些方法奠定了经典控制理论中时域分析法的基础。
1932年，美国物理学家奈奎斯特（H．Nyquist）研究了长距离电话线信号传输中出现的失真问题，运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频域响应法的基础。随后，伯德（H．W．Bode）和尼柯尔斯（N．B．Nichols）在20世纪30年代末和40年代初进一步发展了频域响应法，形成了经典控制理论的频域分析法，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。
第二次世界大战期间，反馈控制方法被广泛用于设计和研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技术，促成了许多新的见解和方法的产生。同时，还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。
1948年，美国科学家伊万斯（W．R．Evans）创立了根轨迹分析方法，为分析系统性能随系统参数变化的规律性提供了有力工具，被广泛应用于反馈控制系统的分析、设计中。
以传递函数为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析、设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。到20世纪50年代，经典控制理论发展到相当成熟的地步，形成了相对完整的理论体系，为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。
在经典控制理论的研究中，所使用的数学工具主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研究对象基本上是单输入单输出线性定常系统，所以研究的对象和范围有限，还不能解决许多控制中的复杂问题，如时变参数问题、多变量问题、强耦合问题等。
尽管如此，经典控制理论的形成，对于第二次世界大战以来控制学科的发展起到了推动作用。经典控制理论在工业控制和军事技术中的广泛应用，推动了现代科学技