基于不同階段的自動(dòng)控制理論研究

【摘 要】自動(dòng)控制理論的發(fā)展可大致分為兩個(gè)大的門(mén)類(lèi)：經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論。通過(guò)對(duì)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)介，我們可以了解現(xiàn)代控制理論的發(fā)展歷程，了解控制理論的多種類(lèi)型，、控制理論的研究方法以及它的研究模型，通過(guò)控制理論在生產(chǎn)生活中的重大作用，借此能不斷學(xué)習(xí)與加深對(duì)控制理論的學(xué)習(xí)與體會(huì)。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制理論；發(fā)展歷程；研究方法；模型研究

關(guān)于自動(dòng)控制理論研究所產(chǎn)生的影響，從最初，人們就一直有各種褒貶不一的看法和意見(jiàn)。存在著一些人，他們簡(jiǎn)單地認(rèn)為自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展必將引起勞力過(guò)剩，從而給數(shù)額巨大的人口帶來(lái)失業(yè)等問(wèn)題。但是，任何事情就像一把雙刃劍，都是兩面的，于是就有人辯解，究竟達(dá)到什么程度才可以算得上自動(dòng)化的程度，也有人認(rèn)為這可以減輕人的負(fù)擔(dān)，節(jié)約人力資源，諸如此類(lèi)問(wèn)題，人們看法不一。而事實(shí)上，社會(huì)生產(chǎn)力的產(chǎn)生和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，歸根到底可以總結(jié)為：人類(lèi)地不斷創(chuàng)新創(chuàng)造，從而達(dá)到滿足自身需求的目的，最后把勞動(dòng)力從苦難中解放出來(lái)，從而投入到更富有創(chuàng)造力的工作當(dāng)中。產(chǎn)生于60年代的現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)變量為概念來(lái)作為發(fā)展基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法來(lái)分析全面而又綜合的控制系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)適用于多輸出、多輸入，具有時(shí)變的與或非線性系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論的一大關(guān)鍵是最優(yōu)控制理論，對(duì)需要使用的機(jī)械設(shè)備采取一定的措施，使其生產(chǎn)過(guò)程或者被控制的對(duì)象的某些物理量準(zhǔn)確地按照最初設(shè)定的參考值變化，所以，我們得出：自動(dòng)控制理論就是研究如何改進(jìn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，達(dá)到所需的要求，其任務(wù)就是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)變量的變化規(guī)律及其改進(jìn)的可能性和方法，從而為建設(shè)高性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供必要的理論手段。

所有的理論都是由實(shí)踐發(fā)展而來(lái)的，來(lái)自實(shí)踐后又反作用于實(shí)踐，自動(dòng)控制理論也不例外，它的發(fā)展形成以及擴(kuò)大又一次驗(yàn)證了這種定理，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)王傳波，劉旸.現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的對(duì)比研究。從自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程來(lái)看，我們大致可以將其分為三個(gè)階段，第一階段誕生于上世紀(jì)40-60年代：以傳遞函數(shù)模型來(lái)表示系統(tǒng)的特征，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，解決實(shí)際工程問(wèn)題的經(jīng)典控制理論時(shí)期；第二階段誕生于上世紀(jì)60-70年代：以狀態(tài)方程為模型、時(shí)域分析為方法，來(lái)研究多變量控制系統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論時(shí)期；第三階段是誕生于上世紀(jì)70年代末至今的大系統(tǒng)理論和智能控制理論時(shí)期。這兩大理論系統(tǒng)，一個(gè)是控制理論向大方向發(fā)展，另一個(gè)是控制理論向著智能方向的發(fā)展。自誕生以來(lái)的這三大時(shí)期均能夠代表自動(dòng)控制理論發(fā)展的先進(jìn)水平。大系統(tǒng)理論能夠根據(jù)大系統(tǒng)的多級(jí)別、多層次、多階段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取相對(duì)應(yīng)的“精度”和“粒度”，從而建立廣義化程度的“變粒度”模型，對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。進(jìn)一步的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到最優(yōu)水平。利用集成的廣義化模型進(jìn)行定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析，已引起不少研究人員的興趣。而智能控制系統(tǒng)控制的問(wèn)題的復(fù)雜，控制要求的提高，智能控制給大系統(tǒng)理論提供先進(jìn)的控制算法，大系統(tǒng)理論給分級(jí)遞階智能控制提供協(xié)調(diào)等理論指導(dǎo)，兩者有機(jī)結(jié)合代表了第三期控制理論的發(fā)展方向。大系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)大多規(guī)模龐大，功能綜合，因素眾多，有時(shí)需要采用人機(jī)協(xié)作集人的智能與機(jī)器智能于一體，這就需要進(jìn)一步的理論研究，以消除人機(jī)隔閡達(dá)到從而達(dá)到“人機(jī)合一，物我相融”的高智能水平。

在我們的日常生活中，由于自動(dòng)控制之一技術(shù)在生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用，使得生產(chǎn)過(guò)程向著大型化、連續(xù)化，智能化迅速發(fā)展，于是就出現(xiàn)了許多比較新的控制方法。在工業(yè)工程的過(guò)程控制中，我們必須想到的一個(gè)極其重要的問(wèn)題就是模型的不確定性。在此環(huán)境下，不確定性界限的魯棒控制器的設(shè)計(jì)隨之出現(xiàn)，魯棒控制主要是用來(lái)解決模型的不確定性，即已知系統(tǒng)及不確定性的界限，來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)使得能夠滿足穩(wěn)定性或性能指標(biāo)的要求。在這里的不確定性包括：對(duì)外干擾、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化等一系列可能出現(xiàn)的不確定性，它在處理方法上與自適應(yīng)控制還是存在一些區(qū)別的，自適應(yīng)控制是用來(lái)進(jìn)行模型參數(shù)的識(shí)別進(jìn)而設(shè)計(jì)一種參數(shù)控制器；控制器參數(shù)的調(diào)整在很大程度上取決于模型參數(shù)的更新，但是卻并不能提前把可能出現(xiàn)的不確定性因素考慮進(jìn)去。而魯棒控制在設(shè)計(jì)控制器時(shí)卻是盡量利用這種不確定性來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，其目的就是在不確定參數(shù)出現(xiàn)時(shí)仍然能夠滿足性能指標(biāo)的要求；實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、控制和管理。分布式控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)容易控制，精度高的優(yōu)點(diǎn)，又有儀器儀表控制系統(tǒng)安全可靠，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。此外還有基于靈敏度指標(biāo)的魯棒控制器設(shè)計(jì)：這類(lèi)控制器是在名義系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，然后應(yīng)用一些與靈敏度有關(guān)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)控制器使所設(shè)定的性能指標(biāo)最優(yōu)，如“H控制”等。屬于這類(lèi)方法的主要有：H∞控制理論（1981 年加拿大的Zams提出）；基于其他考慮的設(shè)計(jì)方法：如英國(guó)的Holowitz 1979年提出的定量反饋理論（QPT）等等。

魯棒控制理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、航空航天、交通、一般工業(yè)工程等各個(gè)領(lǐng)域，并取得了很好的成果。尤其是在汽車(chē)自動(dòng)駕駛、航天飛行器控制及導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

回顧控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展歷程，我們可以總結(jié)以下幾個(gè)特點(diǎn)：科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力是社會(huì)發(fā)展的需要：控制技術(shù)的存在以及控制技術(shù)的發(fā)展具有悠久的歷史，但只有當(dāng)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大需求時(shí)，才是它發(fā)展的意義所在，可見(jiàn)，不斷發(fā)展先進(jìn)的控制理論，不斷提高人們的生產(chǎn)發(fā)展技術(shù)，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王軍平，董霞.現(xiàn)代控制工程[M]，西安交大出版社2010

[2] 王傳波，劉旸.現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的對(duì)比研究[J].2016

作者簡(jiǎn)介：

牛文政，性別：男，出生年月：1998.1，名族：漢，籍貫：河北張北縣，學(xué)歷：大學(xué)本科，學(xué)校：華北理工大學(xué)，學(xué)校郵編：063210，專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器

（作者單位：華北理工大學(xué)）