控制理論與控制工程的發(fā)展與應(yīng)用探討

劉祥斌

摘 要： 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制工程也在不斷的發(fā)展和完善?？刂评碚撟鳛榭茖W(xué)革命之一，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推進(jìn)作用。本文對(duì)控制理論與控制工程的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了深入的分析與研究，并做出相應(yīng)總結(jié)，以供參考。

關(guān)鍵詞： 控制理論;控制工程;發(fā)展與應(yīng)用;策略

控制理論與控制工程的主要研究對(duì)象是工程領(lǐng)域中的控制系統(tǒng)。其是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法為研究手段，研究控制系統(tǒng)以及控制方法的理論和技術(shù)。二十世紀(jì)的量子論、控制論和相對(duì)論是科學(xué)革命中的三項(xiàng)重要理論。伴隨控制理論與控制工程研究工作的不斷深入，其研究領(lǐng)域與研究對(duì)象也在不斷變化，不僅涉及到交通、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)還參與了信息、管理、通訊、生物等新技術(shù)領(lǐng)域。在時(shí)代發(fā)展的今天，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)為代表的IT行業(yè)中，計(jì)算技術(shù)是產(chǎn)業(yè)核心，控制技術(shù)是產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而通訊技術(shù)是產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。所以，控制技術(shù)作為現(xiàn)代發(fā)展不可或缺的環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)智能、系統(tǒng)反饋、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論不僅應(yīng)用在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，而且也體現(xiàn)在人文科學(xué)中。因此，控制理論對(duì)控制工程的發(fā)展具有推動(dòng)作用。

一、控制理論的產(chǎn)生背景

控制理論最早出現(xiàn)在十八世紀(jì)中期英國(guó)的第一次技術(shù)革命，在初中歷史中學(xué)過，1765年，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，后來利用離心調(diào)速器控制了蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速，使人類步入了蒸汽時(shí)代。1868年麥克斯韋在《關(guān)于調(diào)速器》中提出，控制系統(tǒng)可以使用微分方程來表達(dá)，其穩(wěn)定性可以應(yīng)用方程根的位置研究，從而挖掘了數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)的研究途徑。勞斯和胡爾維茨分別在1877和1895年，將麥克斯韋的微分方程思想進(jìn)一步擴(kuò)張，提出了用代數(shù)方程的系數(shù)直接辨別，判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。上述方法滿足了上世紀(jì)控制工程師的應(yīng)用需求，從而奠定了良好的控制理論基礎(chǔ)。

伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣工程師研究出了以實(shí)驗(yàn)操作為特征的頻域響應(yīng)分析法。隨后，在美國(guó)工程師奈奎斯特在《反饋放大器穩(wěn)定性》中提出控制系統(tǒng)穩(wěn)定的奈奎斯特判據(jù)。后來，伯德和尼克爾斯對(duì)頻域響應(yīng)分析法結(jié)合奈奎斯特判據(jù)進(jìn)一步發(fā)展成為經(jīng)典控制理論。為技術(shù)工程師在設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)時(shí)提供了的有效理論。

二戰(zhàn)期間，由于軍事工具對(duì)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確的跟蹤及補(bǔ)償能力的迫切需要，頻率相應(yīng)分析法被推廣到離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)中。美國(guó)著名數(shù)學(xué)家維納在做控制論總結(jié)時(shí)，系統(tǒng)地闡述了控制理論的基礎(chǔ)方法，并推廣了反饋調(diào)節(jié)的概念，從而為控制理論學(xué)科奠定了教學(xué)基礎(chǔ)。

二、控制理論的發(fā)展階段

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，推動(dòng)了控制理論的快速發(fā)展?？刂评碚摪l(fā)展總結(jié)歸納為三個(gè)重要階段。

（一）古典控制理論時(shí)期

控制理論發(fā)展第一階段是在二十世紀(jì)40～60年代，為了解決單向輸入輸出問題，主要采用頻域分析法的頻率特性、傳遞函數(shù)、根位置，研究線性定常系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。由于線性定常系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)分析時(shí)利用的相平面法最多不能超過兩個(gè)變量，所以，采用古典控制理論恰好能夠解決單向輸入輸出問題。在控制論的發(fā)展中，這一階段的主要理論方法是伯德提出的伯德圖法和伊文思提出的根軌跡法。

（二）現(xiàn)代控制理論時(shí)期

控制理論發(fā)展第二階段是在二十世紀(jì)的60～70年代，控制工程的高速發(fā)展使其步入了空間技術(shù)時(shí)代。控制工程優(yōu)化了其性能，并有效融合了數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分析設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制。在此過程中，需要處理時(shí)間變化、非線性和多輸入多輸出等一系列控制系統(tǒng)問題。此時(shí)，由于古典控制理論對(duì)解決復(fù)雜控制問題具有局限性，相繼出現(xiàn)了最優(yōu)的控制方法，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)完善了現(xiàn)代控制理論，使其更具有科學(xué)性。這一階段的代表人物有提出極大值原理的龐特里亞金;提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃的貝爾曼;以及發(fā)表估計(jì)器和線性濾波器論文的卡爾曼等。

（三）發(fā)展控制理論時(shí)期

控制理論發(fā)展第三階段是二十世紀(jì)七十年代至今，控制理論逐漸向著“智能控制”和“大系統(tǒng)理論”方向發(fā)展?！爸悄芸刂啤笔窃诳刂评碚撋系纳疃韧诰?，模擬人類信息傳遞與智能活動(dòng)的規(guī)律，研究現(xiàn)代化人工智能的信息處理與工程控制。而“大系統(tǒng)理論”則是在控制理論上的范圍拓展，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和反饋協(xié)調(diào)等問題?？刂评碚摰牟粩喟l(fā)展和完善見證了人類從機(jī)械化走進(jìn)電氣化，再到自動(dòng)化、智能化的過程。

三、控制理論與控制工程具體應(yīng)用

控制理論與控制工程的運(yùn)用可以總結(jié)為一種控制、兩種方法、三種系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

一種控制指的是最優(yōu)控制，是控制理論與控制工程的核心應(yīng)用內(nèi)容。研究最優(yōu)控制要充分滿足其約束條件，進(jìn)而設(shè)計(jì)出最優(yōu)控制方案，并在設(shè)置性能指標(biāo)最值的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效果。

兩種方法是指PDI控制器和kalman濾波器。這兩種系統(tǒng)方法在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，這兩種方法通常用在線性模型中，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。還可以將其應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中做進(jìn)一步定量研究。此外，控制理論和控制系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也較為常見，比如，控制工程中水槽中水位、控制電加熱器的溫度等。

三種系統(tǒng)，即復(fù)合控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中要根據(jù)不同的控制需求應(yīng)用不同的控制系統(tǒng)。

四、結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)以及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，控制理論和控制工程也逐漸由傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用延伸到新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。其不斷的完善和優(yōu)化給人類的生活帶來極大的便利。

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