自動控制理論發(fā)展及其應(yīng)用探索

羅淇艦

（重慶大學(xué)，重慶 400030）

自動控制理論在日常的生產(chǎn)經(jīng)營生活中所起到的作用越來越重要，這種作用影響著現(xiàn)代生活與工業(yè)生產(chǎn)制造的各個方面，從機(jī)械工廠車間的自動生產(chǎn)流水線到校正線性系統(tǒng)，都需要運(yùn)用到自動控制理論。自動控制能夠在復(fù)雜多變的外部客觀環(huán)境以及不可更改的條件下得到了更為方便的運(yùn)用。比如，人類在高壓高溫條件下的高精度操控作業(yè)，又比如人們在工廠中被要求的精準(zhǔn)而又快速的操作。在自動控制裝置的幫助之下，人類可以突破生理客觀條件的限制，完全解放自我。

1 自動控制理論的概念和特點(diǎn)

（1）自動控制理論的概念。自動控制是有別于人工控制的獨(dú)立概念。自動控制能夠通過外加一定的自動控制裝置按照已經(jīng)設(shè)定好的運(yùn)行規(guī)律對設(shè)備、機(jī)器或者生產(chǎn)過程中特定的工作狀態(tài)進(jìn)行自動化的操作，從而能夠全面替代人力工作，并達(dá)到人們期望的狀態(tài)指標(biāo)或者性能。自動控制技術(shù)能夠有效地提升產(chǎn)品的質(zhì)量或者企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，并克服人工在惡劣環(huán)境中不能工作的不足點(diǎn)，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)在該種環(huán)境中依舊能夠正常進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營的期望。控制論中，“反饋”和“系統(tǒng)”是自動控制理論的核心概念。其中，反饋是自動控制理論中最為核心的概念，這個概念能夠應(yīng)付各種風(fēng)險因素對于被控制系統(tǒng)的影響。另外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)槿蜓芯空邔?fù)雜性科學(xué)研究或者復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)行越來越多的研究，而控制理論需要解決的主要問題在于調(diào)控系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)以及分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在自動控制系統(tǒng)中，自動控制理論是能夠研究變量的變化規(guī)律并對其進(jìn)行改進(jìn)的途徑。

（2）自動控制理論的特點(diǎn)。自動控制理論具備以下兩個特點(diǎn)：①自動控制理論對定量研究較為重視，在控制理論的研究當(dāng)中數(shù)學(xué)方法和理論得到廣泛運(yùn)用；②自動控制理論能夠從實(shí)踐中獲取豐富的理論來源，同時其理論的科學(xué)命題具有十分廣泛的社會實(shí)踐背景。自動控制理論的兩個特點(diǎn)源于自動控制理論包含的“系統(tǒng)”和“反饋”的兩個概念。

2 自動控制理論的發(fā)展過程

（1）自動控制理論的產(chǎn)生與形成。在實(shí)際的科學(xué)研究當(dāng)中，理論的萌芽、形成和發(fā)展常常隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展而逐步進(jìn)行。2000 多年前，我國曾發(fā)明了指南車，這種產(chǎn)品屬于能夠進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的機(jī)器。18 世紀(jì)，瓦特將蒸汽機(jī)的汽錘調(diào)節(jié)器發(fā)明出來，這是世界上最早的自動控制裝置。汽錘調(diào)節(jié)器的誕生加速了世界第一次工業(yè)革命的步伐，其發(fā)明表明控制理論進(jìn)入起步階段。19 世紀(jì)，Maxwell 發(fā)表了線性常微分方程的穩(wěn)定性分析，其后，H.Nyquist 的“穩(wěn)定裕量”和穩(wěn)定判據(jù)、Hurwitz 和Routh 的穩(wěn)定性依據(jù)、W.R.E-vans 的“根軌跡法”、H.W.Bode 的頻率法也逐步出現(xiàn)在世人面前。在這些前人的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)典的反饋控制的理論基礎(chǔ)形成，它是由美國自動控制理論的創(chuàng)始人Wiener.N 所提出。

（2）自動控制理論的發(fā)展。自動控制理論的發(fā)展主要分為三個階段。第一個階段是20 世紀(jì)40 年代～20 世紀(jì)50年代，該階段為經(jīng)典控制理論。第二階段是20 世紀(jì)60 年代的現(xiàn)代控制理論，該理論是從線性代數(shù)的理論研究基礎(chǔ)上得來。第三階段在20 世紀(jì)70 年代末萌芽，為智能控制理論，該理論在發(fā)展和形成的過程當(dāng)中融合了運(yùn)籌學(xué)、自動控制、信息論以及自動控制等多個學(xué)科的理論基礎(chǔ)知識。

（3）經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。20 世紀(jì)40 年代～20 世紀(jì)50 年代為經(jīng)典控制理論的時期，該理論的主要研究對象為系統(tǒng)中的各組成環(huán)節(jié)、元件的狀態(tài)以及能夠用線性微分方程描述特性的控制系統(tǒng)。18 世紀(jì)，自動控制技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中受到逐漸的應(yīng)用，這種應(yīng)用加速了世界第一次工業(yè)革命的腳步，這個時期最具代表性意義的是蒸汽機(jī)離心調(diào)速器。1868 年，Maxwell 提出穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)；1895 年，Routh 與Hurwitz 提出勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)，1932 年，Nyquist 提出頻率響應(yīng)法，1948 年Ewans 提出根軌跡法。經(jīng)典控制理論即建立在根軌跡法與頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)之上。1948 年，《控制論》被美國控制論的奠基人Weiner 提出并出版，該書的出現(xiàn)推動了反饋的概念，并為該學(xué)科奠定了理論基礎(chǔ)。

（4）現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。20 世紀(jì)60 ～20 世紀(jì)70 年代，經(jīng)典控制理論的局限性導(dǎo)致現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生。新理論的研究范圍包括單入單出、多入多出以及線性和非線性問題，涉及的范圍較廣，應(yīng)用的范圍也較為廣闊。該理論的產(chǎn)生主要是為了結(jié)論魯棒控制、多入多出以及最優(yōu)控制等較為復(fù)雜的問題?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展體現(xiàn)了控制理論的信息化、智能化以及自動化的發(fā)展趨勢，其發(fā)展并逐步走向成熟的過程反映了人類社會由機(jī)械化時代走向電氣化時代。這段時期的主要理論與人物如下：1957 年，Bellman 等提出的動態(tài)規(guī)則；1959 年，布西和Kalman 提出的狀態(tài)空間法和卡爾曼濾波理論；1961 年，龐特里亞金提出的極小（大）值原理。

（5）智能控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。智能控制是指驅(qū)動智能機(jī)械設(shè)備自動實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程，這個概念的理論基礎(chǔ)是運(yùn)籌學(xué)、人工智能、信息論和控制論等學(xué)科的交叉理論知識。20 世紀(jì)70 年代，“智能控制”概念由傅京孫教授最早提出。他在1965 年就已經(jīng)把人工智能學(xué)科的規(guī)則運(yùn)用到學(xué)習(xí)系統(tǒng)當(dāng)中。這說明1965 年是智能控制理論的萌芽時間。1977 年，美國學(xué)者Saridis 在傅京孫教授所提出的二元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，提出三元結(jié)構(gòu)，即自動控制、人工智能和運(yùn)籌學(xué)的交叉。而中南大學(xué)的蔡自興教授在Saridis 的基礎(chǔ)上將三元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)展為自動控制、人工智能、運(yùn)籌學(xué)、信息論的交叉的四元結(jié)構(gòu)，智能控制的理論體系也得以形成和進(jìn)一步完善。

智能控制是人類通過微機(jī)以及其他多種途徑來模擬人類在日常生產(chǎn)經(jīng)營活動中的智能控制和決策行為的過程，它是人工智能和自動控制的交集。盡管智能控制理論還未形成較為完整和成熟的理論體系，僅僅只是發(fā)展了十幾年，但是，現(xiàn)有的智能控制的成果與理論發(fā)展表明其正在成為自動控制領(lǐng)域的熱門學(xué)科之一。人工智能的發(fā)展受益于信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)如今人工智能已經(jīng)逐漸成為一門單獨(dú)的學(xué)科，并在實(shí)踐過程中顯示出很強(qiáng)的發(fā)展能力和生命力。因此，盡管將智能控制理論作為第三階段的控制理論還稍顯牽強(qiáng)，但隨著人工智能的廣泛運(yùn)用和不斷認(rèn)可，智能控制理論在未來將更加的前沿、先進(jìn)和令人無法想象。智能制造理論的學(xué)科研究將不斷深入，并在不久的未來逐漸成為自動控制理論的第三階段的重要分支。

3 自動控制理論的理論現(xiàn)狀與現(xiàn)實(shí)運(yùn)用

盡管自動控制理論在生活和生產(chǎn)中的各方面均有所涉及，但是這并不代表經(jīng)典控制理論被自動控制理論所替代。在經(jīng)典控制理論階段，自動控制運(yùn)用于工業(yè)技術(shù)中的各種控制領(lǐng)域上，例如，生產(chǎn)過程、航空航天技術(shù)、通信技術(shù)以及武器控制等方面?，F(xiàn)代控制理論被提出后也被運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境、社會系統(tǒng)、交通管理、經(jīng)濟(jì)科學(xué)以及生物和生命現(xiàn)象的領(lǐng)域研究當(dāng)中。因此，這兩個理論均在各自的領(lǐng)域當(dāng)中運(yùn)用廣泛，所發(fā)揮的作用不可替代。

4 自動控制理論的專業(yè)前景

在現(xiàn)代科技中，自動控制技術(shù)占據(jù)著較大的比重，智能控制技術(shù)能夠在未來的科技發(fā)展中成為行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。我們?nèi)祟悜?yīng)當(dāng)將自動控制理論的內(nèi)容掌握清楚，并在未來的社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技發(fā)展中打造出更加具有科技感和智能的產(chǎn)品。智能手機(jī)、智能家居、智能飛機(jī)等智能化產(chǎn)品和設(shè)備是我們運(yùn)用自動控制理論和智能控制的技術(shù)發(fā)明出來以突破人類的生理和物理界限的產(chǎn)品，通過這些產(chǎn)品人類將更加舒適更加自由，能在機(jī)械設(shè)備上花費(fèi)更少的時間來獲取更高的享受。

5 結(jié)語

科技的日新月異使得社會的發(fā)展越來越快，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的突破性發(fā)展，使人類自身的局限性得以克服。而在不遠(yuǎn)的未來，自動控制技術(shù)將受到人們越來越多的重視，人類將不斷地從重復(fù)的機(jī)械式活動中解放出來，將自動控制技術(shù)運(yùn)用到生活和工作的方方面面。同時，人類對于自動控制理論的研究也將不斷深入，認(rèn)識將不斷提高，對控制系統(tǒng)的要求也會越來越高，因此，自動控制理論有向?qū)I(yè)化方向和綜合方向發(fā)展的兩種趨勢。未來，自動控制的發(fā)展前景將會更加廣闊，人們的生活也將越來越智能化和科技化。人類社會的發(fā)展將會受到自動控制發(fā)展的極大助益。