論自動控制理論的發(fā)展歷程

劉頊

摘 要：自動控制經(jīng)過數(shù)十年世界范圍的發(fā)展，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都有著十分重要的作用。這些年，自動控制理論在各領(lǐng)域都有著極廣泛的應(yīng)用。本文旨在對自動控制理論的發(fā)展及趨勢進(jìn)行綱領(lǐng)性分析和探討，加深對自動控制理論的了解與進(jìn)一步認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：自動控制理論；發(fā)展；現(xiàn)狀；未來展望

引言

隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，自動控制技術(shù)在不斷進(jìn)步、不斷完善起來?？刂评碚撓蚋v深、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，無論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)、還是在研究方法上都產(chǎn)生了實質(zhì)性的飛躍，在信息與控制學(xué)科研究中注入了蓬勃的生命力，啟發(fā)并擴(kuò)展了人的思維方式，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰倪\動機(jī)理。

1 自動控制理論的簡介

1.1 自動控制的定義

自動控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。自動控制是工程科學(xué)的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今天稱作自動控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支。

1.2 自動控制理論的基本概念

在已知控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，求取系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)，并找出這些性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系就是對自動控制系統(tǒng)的分析，而在給定對象特性的基礎(chǔ)上，按照控制系統(tǒng)應(yīng)具備的性能指標(biāo)要求，尋求能夠全面滿足這些性能指標(biāo)要求的控制方案并合理確定控制器的參數(shù)，則是對自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。

1.3 自動控制的歷史

利用反饋來控制系統(tǒng)有著悠久的歷史。最早的反饋控制出現(xiàn)在公元前330年的古希臘，運用在一種改進(jìn)的浮球控制器裝置上?，F(xiàn)代歐洲的第一個反饋系統(tǒng)出現(xiàn)在15世紀(jì)荷蘭人發(fā)明的溫度控制器中。18世紀(jì)，瓦特的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器被公認(rèn)是第一臺應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的自動反饋控制器，這是將自動控制技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)中的最早代表。1932年奈奎斯特提出了研究控制系統(tǒng)的頻率發(fā)。1948年伊文思提出了根軌跡法，這兩大重大貢獻(xiàn)，是自動控制理論和控制技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。建立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的控制理論成為經(jīng)典控制理論。

第二次世界大戰(zhàn)前，美國和西歐的自動控制理論，在發(fā)展方式上與俄國和東歐有很大差別。在美國，應(yīng)用反饋的主要促進(jìn)因素是電話系統(tǒng)的發(fā)展。與此相反，前蘇聯(lián)接觸的數(shù)學(xué)家和機(jī)械學(xué)家在控制理論領(lǐng)域占主流。因此，俄國的理論更傾向與運用不同方程的時域公式。

2 自動控制基本理論的發(fā)展簡史

2.1 穩(wěn)定性理論的早期發(fā)展

人們很早就開始關(guān)注穩(wěn)定性的問題。牛頓可能是第一個關(guān)注動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的人。動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化起步或加速時的行駛穩(wěn)定性，還可以改進(jìn)牽引力的特性。

2.2 頻域理論的形成——智能化

在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)理論建立之后，1928年-1945年以美國AT&T公司Bell實驗室（BellLabs）的科學(xué)家們?yōu)楹诵?，又建立了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的頻域方法。

頻域（頻率域）——自變量是頻率，即橫軸是頻率，縱軸是該頻率信號的幅度，也就是通常說的頻譜圖。頻譜圖描述了信號的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該頻率信號幅度的關(guān)系。

對信號進(jìn)行時域分析時，有時一些信號的時域參數(shù)相同，但并不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關(guān)，這就需要進(jìn)一步分析信號的頻率結(jié)構(gòu)，并在頻率域中對信號進(jìn)行描述。

2.3 根軌跡法

1948年，W.R.Evans提出了一種求特征根的簡單方法，并且在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。這一方法不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統(tǒng)某一參數(shù)的全部數(shù)值關(guān)系，當(dāng)這一參數(shù)取特定值時，對應(yīng)的特征根可在上述關(guān)系圖中找到。這種方法叫根軌跡法。根軌跡法具有直觀的特點，利用系統(tǒng)的根軌跡可以分析結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，還可分析參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。

3 自動控制技術(shù)的早期發(fā)展

在我國古代，具有反饋控制原理的控制裝置就已經(jīng)出現(xiàn)。這方面最有代表性的例子當(dāng)屬古代的計時器“水鐘”（在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”）。公元235（三國時期）的馬均及公元477年（劉宋時期）祖沖之等還曾制造過具有開環(huán)控制指南車。并發(fā)明了齒輪及差動齒輪機(jī)。

4 自動控制的發(fā)展前景

自動控制是指應(yīng)用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標(biāo)?，F(xiàn)代化工廠向規(guī)模集約化方向發(fā)展時，生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的可靠性、運算能力、擴(kuò)展能力、開放性、操作及監(jiān)控水平等方面提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。隨著工業(yè)自動化控制理論、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向?qū)⑾蛑悄芑?、網(wǎng)絡(luò)化、全集成自動化等方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 智能化

對于各種規(guī)摸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng)，僅僅采用常規(guī)的控制措施是無法完成綜合自動化的。不過人們發(fā)現(xiàn)，如果把人的智能和自動化技術(shù)結(jié)合起來，卻能收到令人滿意的效果。

關(guān)于智能控制，目前尚無統(tǒng)一的定義。有一種觀點認(rèn)為智能控制是自動控制、運籌學(xué)和人工智能三個主要學(xué)科相互結(jié)合和滲透的產(chǎn)物，這種觀點包含了兩層含義，一方面它指出了智能控制產(chǎn)生的背景和條件，即人工智能理論和技術(shù)的發(fā)展及其向控制領(lǐng)域的滲透，以及運籌學(xué)中的定量優(yōu)化方法逐漸和系統(tǒng)控制理論相結(jié)合，這樣就在理論和實踐兩方面開辟了新的發(fā)展途徑，提供了新的思想和方法，為智能控制的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)化

隨著互連網(wǎng)技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，未來的企業(yè)為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展需要，多將通過以太網(wǎng)接口，建立基于WINDOWSNT或WINDOWS2000構(gòu)成的企業(yè)級局域網(wǎng)，控制系統(tǒng)與管理層和現(xiàn)場儀表級的數(shù)據(jù)交換日益增加，控制系統(tǒng)的計算機(jī)與財務(wù)、銷售和管理層的計算機(jī)實現(xiàn)連網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，極大地提高企業(yè)的管理水平。連網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如企業(yè)局域網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。企業(yè)管理級各網(wǎng)絡(luò)間可以采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相互連接。管理級的各通訊網(wǎng)絡(luò)可以采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型），其中星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、建網(wǎng)容易、節(jié)點故障容易排除等優(yōu)點被大量采用。

4.3 全集成自動化

自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，自動化控制的概念也發(fā)生著巨大的變化。在傳統(tǒng)的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、分離的技術(shù)和不同廠家的產(chǎn)品搭配起來的。現(xiàn)在用的工業(yè)用機(jī)器人實現(xiàn)了高度的自動化，即一旦程序確定，就不需要更多的人工干預(yù)了。但是這些機(jī)器人對于周圍的環(huán)境變化無法靈活響應(yīng)，這也是計算機(jī)科學(xué)應(yīng)該著重解決的一個問題。先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)通過革新傳感器的反饋功能可以達(dá)到靈活的目的。

結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也愈來愈深入廣泛。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的一部分。隨著時代進(jìn)步和人們生活水平的提高，在人類探知未來，認(rèn)識和改造自然，建設(shè)高度文明和發(fā)達(dá)社會的活動中，自動控制理論和技術(shù)必將進(jìn)一步發(fā)揮更加重要的作用。