Page 13 - 当代控制理论及应用技术概论

第一章 控制理论概述

中层是一间没有窗户的密室，里面放置浑象。天球的一半隐没在地平之下，
另一半露在地平的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰
的起落等天象的变化。 下层包括报时装置和全台的动力机构等。
2. 起步阶段
随着科学技术与工业生产的发展，到十七、十八世纪自动控制技术逐渐应

用到现代工业中。1681 年法国物理学家、发明家巴本（D. Papin）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。1788 年，英国人瓦特（J. 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。
飞球加速器（离心调速器）：就是有两个飞球，一转起来以后，因为离心力，飞
球就往外胀。飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒在移动，就带
动执行机构动作，这是最早的瓦特的离心调速器。
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。自动

控制技术的逐步应用，加速了第一次工业革命的步伐。
3. 发展阶段
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，
解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的
稳定性代数判据，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）和德国数学家胡尔维茨（A. Hurwitz）
把麦克斯韦的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别在 1877 年

和 1895 年各自提出了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则两个著名
的稳定性判据—劳斯判据和胡尔维茨判据。这些方法基本上满足了 20 世纪初期
控制工程师的需要，奠定了经典控制理论中时域分析法的基础。

由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932 年美国
物理学家奈奎斯特（H. Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，建立了
以频率特性为基础的稳定性判据，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用
控制系统提供了所需的分析工具。随后，伯德（H.W. Bode）和尼科尔斯（N.B.
Nichols）在 1930 年代末和 1940 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。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基

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