广东海洋大学：《自动控制原理》课程教学资源（教学内容）第一章 绪论 §1.2 反馈的含义及其作用

1.2自动控制理论发展概述 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、并随者社会生产和科学 技术的进步而不断发展、完善起来的。 早在古代，芳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概仑的直观认识，发明 了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。例如，我国北宋时代（公元1086~1089年）苏颂和 韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台，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DennisPapin发明了用做安全调节装置的锅炉压力调节器：1765年俄国人普 尔佐诺夫(1.Polzunov)发明了蒸汽锅炉水位调节器等等。 1788,英国人瓦特(James Watt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器，解决了蒸汽 机的速度控制问题，引起了人们对控制技术的重视。以后人们曾经试图改善调速器的准确性， 却常常导致系统产生振荡。 实践中出现的问题，促使科学家们从理论上进行探索研究。1868年，英国物理学家麦 克斯韦(J.C.Maxw)通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特速度 控制系统中出现的不稳定问题，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。此后，英国数学家 劳斯(E.J.Routh)和德国数学家古尔维茨(A.Hurwitz)分别在18刀年和189年独立地建立 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，奠定了频率响应法 的基础。随后，伯德(H.W.Bodc)和尼柯尔斯N.B.Nichols)在20世纪30年代末和 40年代初进一步将频率响应法加以发展，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，迫切要求拓展己有的控制技术，促使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

1 1.2 自动控制理论发展概述 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 了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。例如，我国北宋时代（公元 1086～1089 年）苏颂和 韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台，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 DennisPapin 发明了用做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等。 1788，英国人瓦特（James Watt）在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器，解决了蒸汽 机的速度控制问题，引起了人们对控制技术的重视。以后人们曾经试图改善调速器的准确性， 却常常导致系统产生振荡。 实践中出现的问题，促使科学家们从理论上进行探索研究。1868 年，英国物理学家麦 克斯韦（J．C．Maxwell）通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特速度 控制系统中出现的不稳定问题，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。此后，英国数学家 劳斯(E．J．Routh)和德国数学家古尔维茨(A．Hurwitz)分别在 1877 年和 1895 年独立地建立 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，奠定了频率响应法 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 年代初进一步将频率响应法加以发展，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，促使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

以传递函数作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。 经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系统为主的单输入单输出系统，还不能解 决如时变参数问题，多变量、强耦合等复杂的控制问题。 20世纪50年代中期，空间技术的发展迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统 的最优控制问题（例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度，低消耗控制）。实 践的需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术的发展也从计算手段上为控制理论的发 展提供了条件，适合于描述航天器的运动规律，又便于计算机求解的状态空间描述成为主要 的模型形式。俄国数学家李雅普诺夫(A.M.y apunov)1892年创立的稳定性理论被引用到 控制中。1956年，前苏联科学家庞特里亚金(Pontryagin)提出极大值原理：同年，美国数 学家R.贝尔曼(R.Bellman)创立了动态规划。极大值原理和动态规划为解决最优控制问 题提供了理论工具。1959年美国数学家卡尔曼(R.Kalman)提出了著名的卡尔曼滤波器， 1960年卡尔曼又提出系统的可控性和可观测性问题。到20世纪60年代初，一套以状态方 程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原 理和方法基本确定，现代控制理论应运而生。 现代控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适用于多变量、 非线性、时变系统。现代控制理论在航空、航天、制导与控制中创造了辉煌的成就，人类迈 向宇宙的梦想变为现实。 为了解决现代控制理论在工业生产过程应用中所遇到的被控对象精确状态空间模型不 易建立、合适的最优性能指标难以构造、所得最优控制器往往过于复杂等问题，科学家们不 懈努力，近几十年中不断提出一些新的控制方法和理论，例如自适应控制，模糊控制，预测 控制，容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制等，大大地扩展了控制理 论的研究范围。 控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在 研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并 扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制理论的深入发展， 必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展。 2

2 以传递函数作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。 经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系统为主的单输入单输出系统，还不能解 决如时变参数问题，多变量、强耦合等复杂的控制问题。 20 世纪 50 年代中期，空间技术的发展迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统 的最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度，低消耗控制)。实 践的需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术的发展也从计算手段上为控制理论的发 展提供了条件，适合于描述航天器的运动规律，又便于计算机求解的状态空间描述成为主要 的模型形式。俄国数学家李雅普诺夫(A．M．Lyapunov) 1892 年创立的稳定性理论被引用到 控制中。1956 年，前苏联科学家庞特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理；同年，美国数 学家 R．贝尔曼（R．Bellman）创立了动态规划。极大值原理和动态规划为解决最优控制问 题提供了理论工具。1959 年美国数学家卡尔曼（R．Kalman）提出了著名的卡尔曼滤波器， 1960 年卡尔曼又提出系统的可控性和可观测性问题。到 20 世纪 60 年代初，一套以状态方 程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原 理和方法基本确定，现代控制理论应运而生。 现代控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适用于多变量、 非线性、时变系统。现代控制理论在航空、航天、制导与控制中创造了辉煌的成就，人类迈 向宇宙的梦想变为现实。 为了解决现代控制理论在工业生产过程应用中所遇到的被控对象精确状态空间模型不 易建立、合适的最优性能指标难以构造、所得最优控制器往往过于复杂等问题，科学家们不 懈努力，近几十年中不断提出一些新的控制方法和理论，例如自适应控制，模糊控制，预测 控制，容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制等，大大地扩展了控制理 论的研究范围。 控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在 研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并 扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制理论的深入发展， 必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展