目录

  • 1 课程学习指南
    • 1.1 课程导读
    • 1.2 课程知识体系
  • 2 绪论
    • 2.1 单元导学
    • 2.2 概述
    • 2.3 工程控制论的研究对象与任务
    • 2.4 系统及模型
    • 2.5 反馈
    • 2.6 控制系统的分类及性能指标
    • 2.7 课程思政
    • 2.8 章测验
    • 2.9 工业自动化视频
    • 2.10 自动控制系统案例
    • 2.11 我国自动控制领域专家
  • 3 拉普拉斯变换与反变换
    • 3.1 单元导学
    • 3.2 拉普拉斯变换
    • 3.3 拉普拉斯变换的基本性质
    • 3.4 拉普拉斯反变换
    • 3.5 用拉普拉斯变换对解常微分方程
    • 3.6 课程思政
    • 3.7 章测验
  • 4 系统的数学模型
    • 4.1 单元导学
    • 4.2 系统的数学模型
    • 4.3 传递函数的基本概念
    • 4.4 典型环节的传递函数
    • 4.5 传递函数方框图的结构及建立
    • 4.6 传递函数方框图的化简
    • 4.7 带扰动的反馈控制系统
    • 4.8 利用MATLAB建立系统数学模型
    • 4.9 课程思政
    • 4.10 章测验
  • 5 系统的时间响应分析
    • 5.1 单元导学
    • 5.2 时间响应的概念、组成
    • 5.3 系统特征根对自由响应项的影响
    • 5.4 一阶系统基本概念
    • 5.5 一阶系统的时间响应分析
    • 5.6 二阶系统的基本概念及单位脉冲响应分析
    • 5.7 二阶系统的单位阶跃响应分析
    • 5.8 二阶欠阻尼系统的瞬态性能指标
    • 5.9 高阶系统的时间响应分析
    • 5.10 误差与偏差的基本概念
    • 5.11 稳态偏差与稳态误差的求解
    • 5.12 利用MATLAB分析系统时间响应
    • 5.13 课程思政
    • 5.14 章测验
  • 6 系统的频率特性分析
    • 6.1 单元导学
    • 6.2 频率特性的基本概念
    • 6.3 频率特性分析
    • 6.4 Nyquist图概念、典型环节的Nyquist图
    • 6.5 一般系统的Nyquist图
    • 6.6 Bode图概念、典型环节的Bode图
    • 6.7 一般系统的Bode图
    • 6.8 频率特性的特征量、最小相位系统与非最小相位系统
    • 6.9 利用MATLAB分析系统频率特性
    • 6.10 课程思政
    • 6.11 章测验
  • 7 系统的稳定性分析
    • 7.1 单元导学
    • 7.2 系统稳定性的初步概念
    • 7.3 Routh稳定判据
    • 7.4 辐角原理
    • 7.5 Nyquist稳定判据
    • 7.6 Nyquist稳定判据应用
    • 7.7 Bode稳定判据
    • 7.8 系统的相对稳定性
    • 7.9 利用MATLAB分析系统的稳定性
    • 7.10 课程思政
    • 7.11 章测验
  • 8 系统的性能指标与校正
    • 8.1 单元导学
    • 8.2 系统的性能指标
    • 8.3 系统的校正
    • 8.4 相位超前校正
    • 8.5 相位滞后校正
    • 8.6 相位滞后——超前校正
    • 8.7 系统的PID校正
    • 8.8 反馈校正及顺馈校正
    • 8.9 利用MATLAB设计系统校正
    • 8.10 课程思政
    • 8.11 章测验
我国自动控制领域专家

J.C.Maxwell :控制理论的源头

以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史,若从目前公认的第一篇理论论文, J.C.Maxwell 1868年发表的"论调节器"算起,至今不过一百多年.然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了

维纳:控制学科的鼻祖

18941126日维纳出生在美国密苏里州哥伦比亚市的一个犹太人的家庭中.他的父亲是哈佛大学的语言教授.维纳自幼聪慧,1906(12)便进入土夫兹学院学习,1909(15)时获数学学士学位.1913(19)以关于数理逻辑的论文获哈佛大学博土学位. 1933年任美国国家科学院院士, 1948年他发表了划时代的著作《控制论》控制论的基本含义是:现代的自动机器和人都是由感觉装置(器官),动作装置(器官),传递信息的系统(神经系统)所组成的一种系统.自动机器和人都是在接收,处理,传递和存贮信息,并利用信息去完成动作,实现与外界的联系.在系统工作中,反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作.动作结果由感觉装置(器官)检测出来,并反馈回去与给定信号相比较.如果比较有偏差,偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作,直到偏差信号消失为止更简单地说:控制论指的是感觉和机器方面的控制和通讯.控制论就是研究动物 (包括人类),自动机器和有机体的控制和通讯的理论

我国自动控制领域专家

钱学森1911—2009

 1911年祖籍杭州,生于上海应用力学,工程控制论,系统工程科学家1934年毕业于上海交通大学,1939年在加州理工学院获博士学位并担任过加州理工学院航空系副教授,麻省理工学院航空系副教授,空气动力学教授,1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任教授中国控制学科最重要的奠基人,中国自动化学会首任理事长中国力学学会,中国自动化学会,中国宇航学会,中国系统工程学会名誉理事长,中国科学院学部主席团名誉主席,中国科学技术协会名誉主席曾任国防科学技术委员会副主任和中国科学技术协会主席 在应用力学,工程控制论,系统工程等多领域取得出色研究成果,在中国航天事业的创建与发展等方面作出了卓越贡献1957年选聘为中国科学院院士(学部委员)1999年获"两弹一星功勋奖章"

张钟俊1915-1995

 1915出生于浙江嘉善,自动控制学家,电力系统自动化专家,中国自动控制、系统工程教育和研究的开拓者之一。 1934年毕业于交通大学获学士学位1938年获美国麻省理工学院博士学位上海交通大学教授 1948年,张钟俊写成世界上第一本阐述网络综合原理的专着《网络综合》,同年在在中国最早讲授自动控制课程《伺服机件》张钟俊长期从事系统科学、控制理论与应用的研究,在将系统工程用于战略规划和将控制理论用于工程设计方面取得丰富的成果和贡献,开创了中国自动控制教育和研究的先河,他是中国自动化发展进程的开拓者和带头人,也是中国系统工程的首批倡导者和践行者,为中国的电力系统、自动化技术和科学管理等领域培养了一大批专门人才,关于其影响有北钱(钱学森)南张(张钟俊)之说。1980当选为中国科学院院士(学部委员)

关肇直1919-1982

 1919年生于天津市原籍广东海南县数学家,系统与控制学家,中国科学院院士中国现代控制理论的开拓者与传播人,中国科学院系统科学研究所的第一任所长。关肇直1941年毕业于燕京大学数学系;1947年赴法留学,师从大数学家、一般拓朴学和泛函分析的奠基人弗雷歇(Frechet)院士研究泛函分析;1949年新中国成立,他中断学业,回到祖国,回国后即和别的同志一起协助郭沫若进行组建中国科学院的筹备工作;1952年参加筹建中国科学院数学研究所的工作;1979年参与中国科学院系统科学研究所的创建;1980年当选为中国科学院学部委员(院士)。关肇直一生致力于数学控制科学系统科学的研究和发展,从六十年代开始,为了军工和航天等事业的发展,他投入到现代控制理论的研究、推广和应用工作,在人造卫星测轨,导弹制导,潜艇控制等项目中作出一系列重要贡献。

屠善澄1923-2017

浙江嘉兴人。自动控制技术专家,中国工程院院士。中国人造卫星工程开拓者之一。中国自动化学会的创建人之一。 长期从事导弹、卫星、载人飞船控制系统的研究、设计工作。为东方红二号试验通信卫星研制与发射试验做了突出的贡献。为促进中国自动化科学技术的交流与发展和国际间的友好往来做出了重要贡献。长期担任兼职教授,首批博士生导师,培养了许多自动控制科技人才。1994当选为中国工程院院士。

张嗣瀛1925-2019

192545日生于山东章丘,自动控制专家,中国科学院院士青岛大学教授、博士生导师。1948年毕业于武汉大学机械系,曾任东北大学自动控制系教授、自动化研究所所长1957年至1959年在前苏联莫斯科大学数学力学系进修自动控制理论;1978年晋升为教授;1983年任博士生导师;1986年创办了《控制与决策》并出任主编;1997年当选为中国科学院院士 1999年创立青岛大学复杂性科学研究所并担任所长;2005年创办了《复杂系统与复杂性科学》并担任主编;2013年设立助困励志奖学金1997年当选为中国科学院院土。张嗣瀛早期从事运动稳定性及最优控制的研究,其中有新型的有限时间区间稳定性。他还曾参加反坦克导弹的研制,解决了控制系统的关键问题,取得突出实效。此后在微分对策的研究中,提出并论证了定性微分对策的极值性质,给出了定性极大值原理,使定量、定性两类问题都统一在极值原理的基础上,形成新体系,并给出一系列应用。

梁晋才(1927-

19271217日出生于北京,原籍广东省佛山市南海区,中国工程院院士,航天自动控制专家,中国航天科技集团公司第八研究院研究员。20世纪60年代,梁晋才参与搞的第一个型号是仿制某型号地空导弹,对弹上自动驾驶仪进行反设计及掌握生产技术,在反设计过程中,利用非线性控制理论分析了舵系统的自振问题,从而在理论上解释了在实际生产中出现的问题,在此基础上又进行了对原有型号的改进并加以提高;梁晋才组织并主持一个攻关小组,以中国国外一个半液浮陀螺为参考原型进行仿制,他组织技术人员和车间工人师傅一起出谋划策,边解剖、边分析,边拟草图、边进行生产,在三个月内突破了各种技术难点,研制出了第一个半液浮陀螺。1979年起,梁晋才主持中国第一个半主动寻的某中低空导弹武器系列(海用和陆用)的研制,任总设计师,在导引头、引信、雷达等一系列重大技术关键、型号研制上取得突破。1986年,梁晋才在陆上和海上的定型试验取得成功,又主持研制成功该武器系统的(乙)型,提高了舰队作战能力,填补了中国中低空舰空和野战防空导弹的两大空白。1989年,梁晋才主持该武器系统(丙)型导弹的研制、主持设计新的气动布局,并采用静不稳定控制,提高了导弹机动性,扩大了作战空域,取消自动驾驶仪的自由陀螺,缩短了反应时间;梁晋才主持总体方案的论证,对继承性、先进性及可行性做了全面综合考虑,采用了新的布局和控制技术,制定了计划流程,利用仿真手段缩短了研制周期,使该型号突破了条件限制,在各次鉴定性飞行试验中获得成功。

吴澄(1940-

194014日出生于浙江桐乡,自动控制专家,中国工程院院士清华大学自动化系教授、博士生导师  国家CIMS工程技术研究中心主任。1962年吴澄清华大学电机工程系本科毕业;1966年清华大学硕士研究生毕业后留校任教,先后担任讲师、副教授、教授;1981年至1983年在美国凯斯西储大学进修;1995年当选为中国工程院院士;2017年担任清华大学智能无人系统研究中心主任。吴澄主要研究领域包括复杂生产系统的优化调度、复杂工业自动化系统的建模、设计、优化及实现等 1987年至1992年主持多学科科技人员联合攻关,共同完成了中国第一个计算机集成制造系统(CIMS)实验工程,解决了中国企业综合信息化的总体关键技术,获国家教委科技进步一等奖,国家科技进步二等奖。在研究攻关的同时,为中国企业的信息化做了大量工作,200多家各种行业的应用示范企业绝大多数均取得了明显的经济效益和社会效益,走出了一条符合国情的企业信息化成功之路。

柴天佑(1947-

19471120日出生于兰州,男,汉族,甘肃兰州人,控制理论与控制工程专家。中共党员。1985年于东北工学院获博士学位。IEEE Fellow, IFAC Fellow。曾任国际自动控制联合会(IFAC)技术局成员及IFAC制造与仪表技术协调委员会主席(1996-1999)。现任东北大学学术委员会主任(2011~),国家自然科学基金委员会信息科学部主任(2010~),中国自动化学会副理事长,《自动化学报》主编。长期从事复杂工业过程控制、优化和综合自动化的基础研究与工程技术研究。提出了多变量自适应解耦控制理论与方法,与智能控制、计算机集散控制技术相结合,主持研制出智能解耦控制技术及系统。提出了以综合生产指标优化为目标的全流程智能优化控制理论与技术,主持研制了生产全流程智能优化控制系统和综合自动化系统,并成功应用于流程工业,取得了显著的社会经济效益。发表SCI论文220余篇,其中1篇论文获IFAC杂志Control Engineering Practice 2011-2013 最佳论文奖。应邀在美国、英国、加拿大、日本等国举行的IFACIEEE国际会议上作大会特邀报告30余次。作为第一完成人获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖共四项,省部级特等奖、一等奖十一项。已培养博士90余名,硕士210余名。两次获得全国五一劳动奖章,2002年获何梁何利基金科学与技术进步奖,2003年获辽宁省科技功勋奖,2005年获全国先进工作者荣誉称号,2010年获第一届杨嘉墀科技奖一等奖。2007年在IEEE系统与控制联合会议上被授予控制研究杰出工业成就奖,2017年获亚洲控制协会Wook Hyun Kwon 教育奖。2003年当选为中国工程院院士。

黄琳(1935-

19351130日生于江苏扬州。 控制科学专家,中国科学院院士。现为北京大学力学与工程科学系教授。黄琳院士一直从事系统稳定性与控制理论方面的研究工作,早在1959年结合飞机安定性分析提出多维系统衰减时间概念并给出估计方法,该成果作为中国的两项成果之一参加1963年第二届国际自动控制联合会IFAC)学术大会;1964年就解决了现代控制理论中的一些基本问题:给出单输入系统极点配置定理,并且给出了二次型最优控制的存在性、唯一性与线性控制律。后来又给出了输出反馈实现二次型最优控制的充要条件,并指出在一般情况下该问题无解。1986年,首先给出了稳定多项式其凸组合保持稳定的充要条件,及利用顶点集与边界集判断多面体多项式族稳定的一组充分条件。随后与美国学者一起给出并证明了分析多项式系统族稳定性的棱边定理,有效地降低了计算复杂性,被业界誉为里程碑式的结果。与国内学者合作给出了更为基础的边界定理,在多项式稳定性理论中相继提出了值映射、参数化等概念,建立了一系列重要定理,形成了一套系统的理论体系。进一步在鲁棒控制前沿领域,控制器与对象同时摄动问题、积分二次约束问题、模型降阶问题、非线性系统总体性质等方面指导开展了一系列研究工作,做出了有价值的成果。1993年 至1997年,主持国家八五重大基金项目《复杂控制系统理论的几个关键问题》(验收评价为优)。此外先后主持973项目子课题,攀登项目子课题,以及多项面上项目的研究任务。出版三部著作,其中《系统与控制理论中的线性代数》被评为科学出版社1984年优秀科技图书,《稳定性理论1996年获国家教委优秀学术著作特等奖,2003年由科学出版基金优先资助出版《稳定性与鲁棒性的理论基础》,在该书中首次将鲁棒性与稳定性这两个基本概念统一于同一框架下,提炼与总结了相关的基础理论成果。目前正主持基金委重点项目《非线性力学系统的控制》。目前研究兴趣在航空航天中复杂运动控制、非线性力学系统的总体特性及其控制等。

王子才(1932-

山东省聊城人,自动控制、系统仿真专家,中国工程院院士哈尔滨工业大学控制与仿真中心教授、博士生导师。1951年至1957年在哈尔滨工业大学学习。1957年毕业后留校工作,从事自动控制专业从事教学科研工作;历任助教、讲师、副教授、教授,曾任哈尔滨工业大学控制与仿真中心主任。2001年当选为中国工程院院士。王子才在自动控制、系统仿真领域,发展了伺服系统理论,提出并实现了复合驱动控制系统、变阻尼及大摩擦系统的控制技术。提出了建模算法评估的系统仿真基础理论新思想、复杂大系统分布式仿真工程设计方法、多种建模方法以及复杂仿真系统评估理论与方法,首次研制成功分布式仿真系统。提出了次时间最优控制理论及设计方法、一类非线性系统建模与最优控制设计方法。

卢强(1936-

1936519日出生于安徽无为,自动控制和电力系统动态学专家,中国科学院院士瑞典皇家工程科学院外籍院士,清华大学教授、博士生导师。1954年卢强考入清华大学电机系,先后获得学士学位、硕士学位;1964年研究生毕业后留校任教;1984年前往美国科罗拉多州立大学,担任客座教授;1987年回国后继续在清华大学工作,先后担任副教授、教授、博士生导师;1991年当选中国科学院院士(学部委员2003年当选为IEEE Fellow2006年当选为瑞典皇家工程科学院外籍院士;2011年当选中国电机工程学会会士 20世纪80年代,卢强开拓了电力系统最优控制领域,推动了学科发展。将变分法及其他有关数学分支理论、现代控制理论、电力系统动态学、计算机软件及仿真技术有机地结合起来,建立了电力系统线性最优控制新学科体系。将电力系统最优控制理论与方法推广至多机系统,发展了多机系统分散最优控制理论,著有《输电系统最优控制》,按此理论研制的线性最优励磁控制装置自1987年开始投入我国各大电网使用,对改善和提高电力系统运行的安全稳定性发挥了重要作用。20世纪90年代,将微分几何理论与电力系统动态学和计算机科学交叉集成,创立了电力系统非线性分散最优控制的微分几何方法体系,发表专著《电力系统非线性控制》近年来,又进一步研究解决了电力系统非线性鲁棒控制问题。20014月美国克鲁渥(Kluwer)学术出版社出版了他著的《非线性控制理论与电力系统动态》(英文)一书。这是目前世界上第一部系统地论述电力系统非线性和非线性鲁棒控制问题的学术专著。与此同时他主持的微机非线性励磁控制器和调速器的研制工作取得了突破。励磁控制器的研制中有所突破。卢强创建了电力系统混成控制理论,并用于东北互联系统、上海电力系统和深圳电网智能调度自动化系统,提出并组织了世界上第一座无补燃压缩空气储能发电系统的研发。卢强是国内外公认的电力系统非线性最优鲁棒控制学科体系的开拓者和奠基人。

陈翰馥(1937-

19372月生于浙江杭州,原籍浙江绍兴,自动控制理论专家,中国科学院院士IEEE Fellow第三世界科学院院士IFAC Fellow,国际系统与控制科学院院士。现任中科院数学与系统科学研究院系统科学研究所研究员。1961年毕业于苏联列宁格勒大学数学力学系;1962年成为中科院数学所新成立的控制理论研究室的首批成员;1994年任中科院系统控制开放实验室首任主任。 60-70年代研究随机系统的能观性、不用初值的状态估计,给出最优随机奇异控制。80年代起研究系统辨识、适应控制和随机逼近。在辨识方面,给出常用辨识算法的收敛速度、估出闭环控制系统的参数。在适应控制方面,用扰动方法,使参数估计趋于真值,同时使性能指标接近或达到最优。在随机逼近方面,提出变界截尾算法,引进确定性的直接分析方法,去掉了对回归函数的限制性条件,对噪声要求降到最低,使随机逼近应用范围大为拓广,成功地用到随机适应镇定控制、大范围优化、离散事件动态系统等领域。

郭雷(1961-

196111月出生于山东淄博,控制科学家,中国科学院院士第三世界科学院院士瑞典皇家工程科学院外籍院士,中国科学院国家数学与交叉科学中心主任、第十三届全国人民代表大会常务委员会副秘书长 。曾任中国科学院数学与系统科学研究院院长。1982年郭雷从山东大学数学系毕业之后考入中国科学院系统科学研究所,先后获得硕士、博士学位;1984年硕士毕业后在留所工作,先后担任助理研究员、副研究员、研究员;1987年前往澳大利亚国立大学,进行博士后研究工作;1994年获得首届国家杰出青年科学基金资助;1998年担任中国科学院系统控制重点实验室主任;1999年担任中国科学院系统科学研究所所长;2001年当选为中国科学院院士;2002年当选为第三世界科学院院士;2003年担任中国科学院数学与系统科学研究院院长;2005年担任上海系统科学研究院院长;2007年当选为瑞典皇家工程科学院外籍院士;2014年担任第十二届全国人民代表大会常务委员会副秘书长 [3]  长期从事系统与控制科学研究,特别是随机与不确定性动力系统的估计、滤波与控制理论等。代表性成果包括:1)解决了随机系统著名自校正调节器收敛性和线性二次型最优适应控制等若干基本理论难题;2)建立了自适应滤波算法的一般数学理论并使其对反馈随机系统的应用成为可能;3)发现并证明了关于反馈机制最大能力与局限的一系列基本定理和临界常数;4)建立了具有局部相互作用的一类典型非线性大群体系统的同步理论;5)提出了基于博弈的控制系统和量子反馈控制能力研究等。