控制理論與控制工程的發(fā)展與應用

孫崢

摘 要：控制理論作為二十世紀的三項科學革命之一，在現代科學技術及計算機技術快速發(fā)展的背景下不斷發(fā)展和完善，在促進各個領域的發(fā)展中有著至關重要的作用，可以說控制理論與控制工程廣泛應用到各行各業(yè)是時代發(fā)展的潮流趨勢。本文就此分析了控制理論與控制工程的發(fā)展與應用，旨在給相關科研人員進行難題突破提供一定的參考。

關鍵詞：控制理論；控制工程；發(fā)展與應用

二十世紀產生的相對論、量子論和控制論并稱為三項科學革命，是人類進一步認識客觀世界的重要理論。隨著現代科學技術及計算機技術的不斷進步，控制理論與控制工程不僅涉及到工業(yè)、農業(yè)、交通運輸業(yè)等傳統(tǒng)領域，而且逐步滲透到生物、信息、通訊等新興領域。因此，把控制理論與控制工程有效的應用到更多的問題解決中，已成為相關科研人員進行問題解決的關鍵手段。

1 控制理論與控制工程的發(fā)展

1.1 控制理論的產生

控制理論作為一門應用性很強的學科，其產生可以追溯到十八世紀中葉英國的第一次技術革命中。瓦特于1765年發(fā)明蒸汽機后，把離心式飛錘調速器原理應用到蒸汽機轉速控制中，標志著以蒸汽為原動力的機械化時代到來。之后工程界把控制理論應用于調速系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究上來。

隨著通訊和技術處理技術的快速發(fā)展，電氣工程師們研究出了以實驗為基礎的頻域響應分析法，美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特于1932年發(fā)表的《反饋放大器穩(wěn)定性》一文中，提出系統(tǒng)穩(wěn)定性奈奎斯特判據，后來被推廣到條件穩(wěn)定性和開環(huán)不穩(wěn)定研究上?？刂苿?chuàng)始人維納在總結前人的成果基礎上，寫成《控制論——或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》一文，奠定了控制理論基礎。

1.2 控制理論與控制工程的發(fā)展

第一階段：二十世紀40～60年代，即古典控制理論時期。這一時期，主要是對單輸入單輸出問題進行解決，而解決這些問題所運用到的方法主要有傳遞函數、根軌跡、頻率特性等，且大多數研究的是是線性定常系統(tǒng)，而對非線性系統(tǒng)研究使用的相平面法變量不超過兩個，該控制理論能有效的解決生產過程中的單輸入單輸出問題。其代表有1945年伯德提出的伯德圖法等。

第二階段：二十世紀60～70年代，即現代控制理論時期。這一時期隨著空間技術的發(fā)展，控制理論逐漸向高性能方向發(fā)展，主要是對相對復雜問題進行解決。充分使用數學計算機進行分析設計和實時控制，這一過程中出現的非線性、時變、多輸出多輸入等相對比較復雜的系統(tǒng)控制問題已遠遠超出了古典控制理論的范圍，為此提出了最優(yōu)控制方法，隨后又產生自適應控制系統(tǒng)，使現代控制理論提出并不斷完善。其代表有1961年龐特里亞金的極大值原理。

第三階段：二十世紀70年代至今，主要是大系統(tǒng)理論和智能控制時期。大系統(tǒng)理論主要是對控制理論廣度的拓展，利用控制和信息的觀點，對各種大系統(tǒng)的結構、設計、方案等技術理論進行研究；智能化控制主要是對控制理論深度的開掘，對人類智能活動和信息傳遞控制規(guī)律等進行研究，并研制出仿人智能的工程控制和信息處理系統(tǒng)，其代表就是智能機器人的發(fā)明。

2 控制理論與控制工程的應用

2.1 控制理論不只是一門學科，是哲學，是世界觀，是方法論

二十一世紀比較流行的是3C技術，即計算機技術、通信技術和控制技術，且計算機技術是中心，通信技術是關鍵，控制技術是根本，所以控制學科已發(fā)展成為一門基礎學科。而且控制理論和控制工程中的系統(tǒng)結構、系統(tǒng)穩(wěn)定、系統(tǒng)智能、系統(tǒng)反饋等理論思想除了在自然科學各領域有廣泛應用外，還滲透到人文科學中。所以有專家認為控制理論已不單純只是一門學科，而是發(fā)展成為哲學、世界觀和方法論。

控制理論和控制工程具有基本概念的普適性和獨特性等特點，且在其應用中的關鍵與核心主要是兩個概念：

第一，系統(tǒng)概念。隨著社會經濟的發(fā)展，系統(tǒng)問題已成為社會關注的焦點和熱點，特別是社會中的復雜系統(tǒng)及科學課題，這是控制理論發(fā)展和完善的必然趨勢，控制理論和控制工程除了要進行結構和性質研究外，更要對系統(tǒng)運行進行調控。

第二，反饋概念。這一概念是控制理論的核心，是區(qū)別于其他學科及理論應用的根本。反饋可以讓控制系統(tǒng)盡可能的具備人類智能的特點，可以對實際應用過程中的數據、結構等不確定因素進行監(jiān)控和調整，提高工作效率。

2.2 “一種控制，兩種研究方法，三種系統(tǒng)”的應用

⑴“一種控制”，即最優(yōu)控制。最優(yōu)控制是控制理論和控制工程應用的核心內容，主要就是在滿足一定的約束條件基礎上，選擇最優(yōu)控制策略，使性能指標極大化或者極小化，讓系統(tǒng)控制通過基本條件及綜合方法（就是受控的運動過程或動力學系統(tǒng)）取得最優(yōu)化效果。

⑵“兩種研究方法”，即PDI控制器和Kalman濾波器。PDI控制器和Kalman濾波器作為控制理論與控制工程的典型研究方法，在實際系統(tǒng)中得到廣泛的應用。這兩種方法不僅可以應用于線性模型，而且還可以應用到很多非線性系統(tǒng)的證明中。

⑶“三種系統(tǒng)”，即開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和符合控制系統(tǒng)。根據不同的具體應用使用不同的系統(tǒng)。比如說水槽內水位的控制和電加熱器中的溫度控制，主要利用的是自動控制和閉環(huán)系統(tǒng)。

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