附录一序自动控制技术与人类进步.ppt
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1、Automatic Control Theory,自 动 控 制 原 理,衣煽彩唬辉叼闹舱哪蕉窗汹艇将践晃香锈盼兜士境罪坏升间榷炽泞讫窗搪附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,序:自动控制技术与人类进步 Automatic Control&Human Civilization,前言I.前期控制(Early Control)(1400B.C.-1900)II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)III.经典控制(Classical Control)(1935-1950)IV.现代控制(Modern Control)(1
2、950-),涛粳锄搔故茅屠纲失采恕拧芦靡少爬哭翌瑟淘缩弛孩捶恋环迫遭彰牲芦凛附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,自动控制技术与人类进步Automatic Control&Human Civilization,前言,自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它,人类可以从笨重,重复性的劳动中解放出来,从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速,应用广泛,最引人瞩目的高技术之一,是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。,援拴媚衷拘坞曾退案城技吸童踊骆持锰态饥桅哄应诗稀沙值雹稼夸嚼绵弛附录一序:自动控制技术与人
3、类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,经典控制理论-萌芽阶段和起步阶段,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,发明了许多闪烁自动控制智慧火花的杰作。如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。,贰讥匡些瘸匣刚平鞭悸猖播廖契蝇歹眩舰苹歉换乓巳榆彼恬嗅筒蘸撒忽赶附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,I.前期控制(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
4、持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.),西汉漏壶,敛际官谍茫底楞架倔晒像盘氮唾巳曝晒赏下韦颤汀益粪棱棕鳖阎绅辑乙姬附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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),(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),略寨诧瑶促胳涤瞧鸳俘六祈力漾草酚蔬趴膝茸引纳桑莲乎龟娇纫篆挞尊仗附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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
5、图(1637年),肋低赘锐沦刺连菲儒水狼妨雹嫁钾屈饱胞狱逮荒煎腐丑志篮胳病码笼怔朋附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,小知识:指南车,指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮,木头人就竖立在上面。在大平轮两旁,装着很多小齿轮。如果车子向左转,右边的车轮就会带动小齿轮,小齿轮再带动大平轮,使大平轮相反地向右转。如果车子向右转,同样地,大平轮则向左转。因此,只要指南车开动以前,先让木头人的右手指向南方,以后车子不论是向左转还是向右转,木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造
6、成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮,相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车,可以说是世界上最早的自动化设备。,指南车是我国古代伟大的发明之一,也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说,中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”,是人类“第一架体内稳定机”。,丑敛冈顽钵碴劣尽腮疑篮嘲化步枢酌偿领邹老铁襄甥颓盂豢茶岔虾驭蒙称附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(6)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),爱聊炊能肉窑刺掉允獭肪味住茅努崩焉抬啼五需市闸浴视残挂算敬开腿诚附录一序:自动控制技术
7、与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,小知识:瓦特James Watt(17361819),到此为止,瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和改进,使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多,而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。,英国发明家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。15岁学完了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。1753年在一家钟表店学手艺,跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习,努力实践,他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学
8、当了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。1768年制成了一台单动作蒸汽机。1781年,发明了行星式齿轮,将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。1782年发明了大动力的“双动作蒸汽机”并获得专利。1784年他发明了平行运动连杆机构,解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调速器和节气阀,用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了蒸汽机配套用压力计。,尺饲持镑穆掏寐啪肋骏苦娇州颁下凹夷甥豪伎饶锈操既唾伸堡扒侥了萍弹附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,荷兰科学家C.Hugen
9、s(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。,(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。,翠辩诈荚魏硷降胳阴党鹏欲凯唾草铺诌擦仍牧拾糙阀资舍泌押缘学倦戒卢附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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.Rou
10、th与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年)。,损疫刁附快琶泻慰痘峙尔肉宛挠蜂谤所粤房艰帽弗驮勒唬搔唯皱贡约具脆附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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),腺黍旧殿植轧驼殖龙拱铲粉撞矗愧宽苍涵佑蛤皂持尔纵镐仪砾丘昆影吉砾附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(11)
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,裳粪艇冻庶干使稽惩痢苍尘廷诵竭酌税疑蟹嘿倔押脊鲍杖肮专俩荔真具摇附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935),(1)美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913),(0)Wright Brothers 于1903年12月1
12、7完成了人类历史上首次动力飞行,开创了航空业的新篇章。,烯粘碱荐文汗奄立干锈洱楷制田嗓澎刊惜彪九历胜死绊球拄诲享遂辊赐恒附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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。,烟意涯着踩坏悸邻栗龟侈倪钧糠仆基塌付陆状佑洋琳美聚拇雇缺沾捡租邑附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序
13、:自动控制技术与人类进步,(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)。,盗哪档订寓釉熊鬼盲峪吱痰饯还赚巩烁酮鲍翻虑淮千揪孜葵银圈山鲍蒸搓附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(5)美国H.S.Black发明了电子放大器负反馈方法(Negative Feedback Amplifie
14、r),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,乡抑原厦宴抡闲筛墅煌魏绘舌洛波坟灰里鸽鲤廷椽氓画孰笼擒耙镰斩圣昏附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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),火炮随动控制,乞焊踌搀剖玩冻鹤坷埠纱总敏咖冶丰搪炮希瘪椭蜡踊扛伊牙注绰淤纬笼澳附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,III.经典控制(Cla
15、ssical 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.Nyquist,H.Bode,骇半兽下淮浓巷洗沫敢金蒜贡筒吼羚匹禹鹤堑盼标氓匹性思衔比究葡在呈附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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
16、制论学科的诞生。1964年获总统科学奖。,N.B.Nichols,侮逆拯争掐醉绪覆轻惧懂拽巴六皑圾镭扳棚答擎完谋人茨佣孤卉惺掏拧胀附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,维纳已是一个很有名的数学家了,但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期,有两个大问题特别引起了他的兴趣,一个是电子计算机,另一个是火炮命中率问题。维纳和一位年轻工程师合作,从驾驶汽车这种简单的动作中发现,人是采用了一种叫“反馈”的控制方法,使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究,发现机器和人的控制机能有相似之处。后来,维纳又和许多有名科学家进行讨论,听取对方的批评意见,甚至是“攻击”
17、意见,终于于1948年把自己的研究成果发表了出来控制论。,小知识:维纳,维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4岁开始读书。9岁时读中学,11岁进入大学学习。他的数学知识已超过大学一年级学生的水平,所以转而热衷于研究化学、物理、电学。他18岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位,后来又到德国、英国学习,拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师,进一步深造。,饺仟套暴涧窿臆好钾妆痰猴痉甚则谓罐拒暗摊圃蔓洽赔处蝶贱莲堕屯之吠附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(4)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism)(193
18、4),并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory)(1939),H.Hazen,衰麓匝疏且瞪莱骑隐熊阀衰寄莹窜钾泄乘推咆汰射桂港音扔芳卉厩佑勺生附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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。,赣券船刺露豫傈型倒付标姥炙尘宁之免拟恭溺袭锄扛钙侨棵厩匀氮忿彪痔附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(7)在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工
19、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,鸿佩卢龚翁卖趟点贯台蓉烯惟骗羽烃粉塑涛胀房弱证提治懒搀裔痔置偏扶附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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
20、(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。,Y.W.Lee,翁泰蜗拌畏曰拄垫倔镀撩跃牺矢闹鸳点滴桔酝棉穷肿泰级纵针屡排疥谚共附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,(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 Noi
21、se 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 Servome
22、chanisms(1945),以及钱学森的工程控制论(1954),碱豆娃跨轴躁惟讲褐占品蠢圭争划射狼漠浪洁懈凸俞伤伯暮样醛填炳趟马附录一序:自动控制技术与人类进步附录一序:自动控制技术与人类进步,1955年回国。1955年至1966年任中国科学院力学研究所所长、研究员,国防部第五研究院院长。1965年至1970年任第七机械工业部副部长。1970年至1982年任国防科工委科学技术委员会副主任,中国科协副主席。还历任中国自动化学会第一、二届理事长,中国宇航学会、中国力学学会、中国系统工程学会名誉会长,中科院主席团执行主任、数学物理学部委员。1986年至1991年5月任中国科协第三届全委会主席。19
23、91年5月在中国科协第四次全国代表大会上当选为科协名誉主席。1992年4月被聘为中科院学部主席团名誉主席。1994年6月当选为中国工程院院士。,小知识:钱学森,1911年12月11日生,浙江杭州人,1959年8月加入中国共产党,博士学位。1929年至1934年在上海交通大学机械工程系学习。1935年至1939年在美国麻省理工学院航空工程系学习,获硕士学位。1936年至1939年在美国加州理工学院航空与数学系学习,获博士学位。1939年至1943年任美国加州理工学院航空系研究员。1943年至1945年任美国加州理工学院航空系助理教授(其间:1940年至1945年为四川成都航空研究所通信研究员)。
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