自動控制理論發(fā)展歷史

1、自動化控制理論發(fā)展歷史（ 太原理工大學(xué)）摘要： 本文主要回顧了“自動控制理論”的產(chǎn)生與發(fā)展過程，通過對不同時期，不同階段的理論研究成果的簡要介紹，掌握經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論和智能控制系統(tǒng)理論知識理論框架，進而加深對“自動化控制理論”認知。關(guān)鍵詞：自動控制理論 產(chǎn)生與發(fā)展過程 理論框架結(jié)構(gòu)  控制論一詞Cybernetics，來自希臘語，原意為掌舵術(shù)，包含了調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督等多方面的涵義。1因此”控制”這一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，控制理論與技術(shù)也自然而然地在人們認識自然與改造自然的歷史中發(fā)展起來。 根據(jù)控制理論的理論基礎(chǔ)及所能解

2、決的問題的難易程度，我們把控制理論大體的分為了三個不同的階段。這種階段性的發(fā)展過程是由簡單到復(fù)雜、由量變到質(zhì)變的辯證發(fā)展過程。一、經(jīng)典控制論階段（20世紀50年代末期以前） 經(jīng)典控制理論，是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎?單輸入控制系統(tǒng)進行分析與設(shè)計的理論4 1、控制系統(tǒng)的特點 單輸入-單輸出系統(tǒng)的，線性定?；蚍蔷€性系統(tǒng)中的相平面法也只含兩個變量的系統(tǒng)。 2、控制思路 基于頻率域內(nèi)傳遞函數(shù)的“反饋”和“前饋”控制思想，運用頻率特性分析法、根軌跡分析法、描述函數(shù)法、相平面法、波波夫法，解決穩(wěn)定性問題。 3、發(fā)展事件回顧45 1）我國古人發(fā)明的指南車就應(yīng)用了反饋的原理 2）1788年J.Wat

3、t在發(fā)明蒸汽機的同時應(yīng)用了反饋思想設(shè)計了離心式飛擺控速器，這是第一個反饋系統(tǒng)的方案。 3）1868年J.C.Maxwell為解決離心式飛擺控速器控制精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，發(fā)表論調(diào)速器，提出了用基本系統(tǒng)的微分方正模型分析反饋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法。 4）1868年，韋士乃格瑞斯克闡述了調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)理論。 5）1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判斷線性系統(tǒng)穩(wěn)定性方法6）1876年俄國學(xué)者N.A.維什涅格拉諾基發(fā)表著作論調(diào)速器的一般理論，對調(diào)速器系統(tǒng)進行了全面的理論闡述。7）1895年勞斯與古爾維茨分別提出了基于特征特征根和行列式的穩(wěn)定性代數(shù)判別方法。 8）1927年

4、H.S.Black發(fā)現(xiàn)了采用負反饋線路的放大器，引入負反饋后，放大器系統(tǒng)對擾動和放大器增益變化的敏感性大為降低。 9）1932年H.Nyquest采用頻率特性表示系統(tǒng)，提出了頻域穩(wěn)定性判據(jù)，很好地解決了Black放大器的穩(wěn)定性問題，而且可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，奠定了頻域法分析與綜合的基礎(chǔ)。 10）1934年，H.L.Hazen發(fā)表關(guān)于伺服機構(gòu)理論 11）1938年，A.B維哈伊洛夫發(fā)表頻域法，這標志著經(jīng)典控制理論的誕生。 12）1945年H.W.Bode發(fā)表了著作網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計，完善了系統(tǒng)分析和設(shè)計的頻域方法。并進一步研究，開發(fā)了伯德圖。 13）1948年，N.Weiner發(fā)表了控制

5、論關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)一書，標志著控制論的誕生。14）1948年，W.R.Evans提出了系統(tǒng)的根軌跡分析法，是一種易于工程應(yīng)用的，求解閉環(huán)特征方程根的簡單圖解法。進一步完善了頻域分析方法。 15）1954年，錢學(xué)森出版了工程控制論，全面總結(jié)了經(jīng)典控制理論，標志著經(jīng)典理論的成熟。 4、主要成果 PID控制規(guī)律的產(chǎn)生，PID控制原理簡單易于實現(xiàn)，具有一定的自適應(yīng)性與魯棒性，對于無時間延遲的單回路控制系統(tǒng)很有效，在工業(yè)過程控制中任然被廣泛應(yīng)用。二、現(xiàn)代控制論階段（50年代末期至70年代初期） 現(xiàn)代控制理論，基于時域內(nèi)的狀態(tài)空間分析法，著重時間系統(tǒng)最優(yōu)化控制的研究。 1、控制系統(tǒng)的特點

6、 為多輸入-多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)可以是線性或非線性，定?；驎r變的，單變量與多變量，連續(xù)與離散系統(tǒng)。 2、控制思路 基于時域內(nèi)的狀態(tài)方程與輸出方程對系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)變量進行實施控制，運用極點配置、狀態(tài)反饋、輸出反饋的方法，解決最優(yōu)化控制、隨機控制、自適應(yīng)控制問題。 3、發(fā)展事件回顧3 1）1959年，蘇聯(lián)學(xué)者龐德亞金(L.S. Pontryagin)等學(xué)者創(chuàng)立了極大值原理， 并找出最優(yōu)控制問題存在的必要條件，該理論解決控制量有約束情況 下的最短時間控制問題，提供方法。 2）1953-1957年間，美國學(xué)者貝爾曼（R.Bellman）創(chuàng)立了解決最優(yōu)控制 問題的動態(tài)規(guī)律，并依據(jù)最優(yōu)性原理，發(fā)展了變分學(xué)中的H

7、amilton -Jaccobi理論 3）1959年，卡爾曼（R.E.Kalman）提出了濾波器理論，1960年卡爾曼對系統(tǒng)采用狀態(tài)方程得描述方法，提出了系統(tǒng)的能控性、能觀測性。證明了二次型性能指標下線性系統(tǒng)最有控制的充分條件，進而提出了對于估計與預(yù)測有效地卡爾曼濾波，證明了對偶性。 4）羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ) 5）20世

8、紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用反面做出了貢獻。4、主要成果 現(xiàn)代控制理論的提出，促進了非線性控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、魯棒性控制、智能控制等分支學(xué)科的發(fā)展。進而為解決因工業(yè)過程的復(fù)雜性而帶來的困難。三、大系統(tǒng)理論階段與智能控制理論階段（70年代初期至現(xiàn)在）大系統(tǒng)理論，是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴重、信息不完備的信息與控制系統(tǒng)4智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機器人。1、控制系統(tǒng)的特點是指眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等52、控制思路基于

9、時域法為主，通過大系統(tǒng)的多級遞階控制、分解協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論，解決大系統(tǒng)的最優(yōu)化。53、發(fā)展事件回顧6 1）60年代初期，Smith提出采用性能模式識別器來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制法以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。 2）1965年Zadeh創(chuàng)立模糊集和論，未解決負載系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學(xué)工具。 3）1966年,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。 4）1967年，Leondes和Mendel正式使用“智能控制”，標志著智能控制思路已經(jīng)形成。70年代初期，傅京孫、Gloriso和Saridis提出分級遞階智能控制。并成功應(yīng)用于核反應(yīng)、城市交通控制領(lǐng)域。 5）70年代中期，M

10、amdani創(chuàng)立基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器，并成功用于工業(yè)控制。 6）80年代以來專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用對智能控制器著促進作用現(xiàn)代控制理論、經(jīng)典控制理論和大系統(tǒng)理論對比表如圖1.1所示。表1.1 各階段理論比較經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)理論對 象單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)線性與非線性、定常與時變、單變與多變量、連續(xù)與離散系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴重、信息不完備的信息系統(tǒng)方 法頻域法時域矩陣法時域法數(shù)學(xué)工具拉氏變換矩陣與向量空間理論控制論、運籌學(xué)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)狀態(tài)方程與輸出方程子系統(tǒng)基本內(nèi)容 時域法、頻域法、根軌跡法、描述函數(shù)法、相平面法、代數(shù)與幾何穩(wěn)定判據(jù)、

11、校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、Z變化法 線性系統(tǒng)基礎(chǔ)理論（包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、運動的分析、穩(wěn)定性的分析、能控性與能觀測性、狀態(tài)反饋與觀測器）、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)濾波及魯棒性控制。多級遞階控制，分解-協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制、大系統(tǒng)型模降階理路主要問題穩(wěn)定性性問題最優(yōu)化問題系統(tǒng)的最優(yōu)化控制裝置無源與有源RC網(wǎng)絡(luò)數(shù)字計算機數(shù)字計算機著眼點輸出狀態(tài)方程與輸出方程大系統(tǒng)的最優(yōu)化評 價具體情況具體分析，適宜處理較簡單系統(tǒng)的控制問題具有優(yōu)越性，更適合處理復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題應(yīng)用控制和管理的思路，適用于多學(xué)科交叉綜合的研究控制領(lǐng)域總體來說，“自動控制理論”就是一門研究自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的科學(xué)，是控制理論與控制工程學(xué)科的主要內(nèi)容。控制理論與控制工程作為一門學(xué)科，研究并且提出有關(guān)自動控制系統(tǒng)設(shè)計和分析的理論與方法，用于指導(dǎo)工程實踐。7參考文獻1維納著, 郝季仁譯. 控制論 科學(xué)出版社，19612項國波.控制論的發(fā)展 北京：電器時代，2005.