11-6自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展

自動(dòng)控制理論由經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論組成，它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。2

人類發(fā)明具有“自動(dòng)”功能的裝置的歷史，可以追溯到公元前14～11世紀(jì)在中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺。我國漢朝科學(xué)家張衡發(fā)明了渾天儀和地動(dòng)儀。公元235年，我國發(fā)明了按開環(huán)控制的自動(dòng)指示方向的指南車。公元1086年左右，我國蘇頌等人發(fā)明了按閉環(huán)控制工作的具有“天衡”自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)儀象臺(tái)。古埃及和古希臘出現(xiàn)了半自動(dòng)的簡(jiǎn)單機(jī)器，如教堂廟門自動(dòng)開啟裝置、自動(dòng)灑圣水的銅祭司、投幣式圣水箱和在教堂門口自動(dòng)鳴叫的青銅小鳥等自動(dòng)裝置，這些都是一些互不相關(guān)的原始的自動(dòng)裝置，是一些個(gè)別的發(fā)明。

1．自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展317世紀(jì)以后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，1642年法國物理學(xué)家帕斯卡發(fā)明了能自動(dòng)進(jìn)位的加法器；1657年荷蘭機(jī)械師惠更斯發(fā)明了鐘表；1745年英國機(jī)械師E．李發(fā)明了帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨；1765年俄國機(jī)械師波爾祖諾夫發(fā)明了浮子閥門式水位調(diào)節(jié)器。英國瓦特于1788年發(fā)明的離心式節(jié)速器。1854年俄國機(jī)械學(xué)家和電工學(xué)家康斯坦丁諾夫發(fā)明的電磁調(diào)速器。1868年法國工程師法爾科發(fā)明了反饋調(diào)節(jié)器，通過它來調(diào)節(jié)蒸汽閥，操縱蒸汽船的舵。4

雖然各種簡(jiǎn)單自動(dòng)控制裝置的發(fā)明在18世紀(jì)以前經(jīng)歷了漫長的歷史過程，但是它們對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的形成起到了先導(dǎo)作用；它們都是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的，但是還沒有理論分析和數(shù)學(xué)描述。17～18世紀(jì)是自動(dòng)化技術(shù)的逐漸形成時(shí)期，接下來是近代自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展時(shí)期，數(shù)學(xué)描述和理論分析起到了至關(guān)重要的作用。

2．自動(dòng)控制理論的發(fā)展和形成5

人們最初遇到的是自動(dòng)調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性問題，由于瓦特發(fā)明的離心式調(diào)速器有時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使蒸汽機(jī)產(chǎn)生劇烈的振蕩；到19世紀(jì)又發(fā)現(xiàn)了船舶上自動(dòng)操舵機(jī)的穩(wěn)定性問題。這些問題引起了人們的廣泛關(guān)注，一些數(shù)學(xué)家嘗試用微分方程來描述和分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)最初的數(shù)學(xué)描述是英國物理學(xué)家麥克斯韋（J.C.Maxwell），他在1868年發(fā)表了《論調(diào)速器》的文章，該文章總結(jié)了無靜差調(diào)速器的理論。61876年在法國科學(xué)院院報(bào)上，俄國機(jī)械學(xué)家H.A.維什涅格拉茨基發(fā)表了題為《論調(diào)節(jié)器的一般理論》的文章，進(jìn)一步總結(jié)了調(diào)節(jié)器的理論。

1875年英國數(shù)學(xué)家勞斯（E．J．Routh）提出了著名的勞斯穩(wěn)定判據(jù)。

1895年德國數(shù)學(xué)家赫爾維茨（A．Hurwitz）提出著名的赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。

1892年俄國數(shù)學(xué)家李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）發(fā)表了《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》的專著，以數(shù)學(xué)語言形式給運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的概念下了嚴(yán)格的定義，給出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定的兩種方法。

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到了20世紀(jì)20年代以后，美國開始采用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)器。1922年N.米諾爾斯基發(fā)表了《關(guān)于船舶自動(dòng)操舵的穩(wěn)定性》。

1925年英國電氣工程師O.亥維賽把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問題上，提出了運(yùn)算微積分，求得瞬態(tài)過程。

1927年美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室在解決電子管放大器失真問題時(shí)，電氣工程師H.S.布萊克從電信號(hào)的角度引入了反饋的概念。

1932年美國電信工程師奈奎斯特（H．Nyquist）提出了著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。81934年前蘇聯(lián)科學(xué)家H.H.沃茲涅先斯基發(fā)表了《自動(dòng)調(diào)節(jié)理論》。

1934年美國科學(xué)家H.L.黑發(fā)表了《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》。

1938年前蘇聯(lián)電氣工程師A.B.米哈伊洛夫應(yīng)用頻率法研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出著名的米哈伊洛夫穩(wěn)定判據(jù)。通過理論的發(fā)展和積累，經(jīng)典控制理論逐漸形成，這些論文的發(fā)表標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。

1939年美國麻省理工學(xué)院建立了伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，同年前蘇聯(lián)科學(xué)院成立了自動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究所。9

經(jīng)典控制理論主要是研究單變量單回路控制系統(tǒng)，它包括了對(duì)單變量單回路控制系統(tǒng)的一系列分析方法。1939年美國麻省理工學(xué)院建立了伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，同年前蘇聯(lián)科學(xué)院成立了自動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究所。這是世界上第一批系統(tǒng)與控制的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，他們?yōu)?0世紀(jì)40年代形成經(jīng)典控制理論和發(fā)展局部自動(dòng)化積累了理論和人才，也做了理論上和組織上的準(zhǔn)備。經(jīng)典控制理論是在20世紀(jì)40～50年代完善的。在這一時(shí)期，伯德于1945年提出了基于頻率響應(yīng)的分析與綜合反饋控制系統(tǒng)的伯德圖法。美國電信工程師埃文斯于1948年提出了根軌跡法。10

當(dāng)時(shí)在分析和設(shè)計(jì)反饋伺服系統(tǒng)時(shí)廣泛采用了傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)的概念。最常用的方法是奈奎斯特法（1932年）、伯德法（1945年）和根軌跡法（1948年）。1945年美國數(shù)學(xué)家維納，把反饋的概念推廣到一切控制系統(tǒng)。1948年維納出版《控制論》一書，為控制理論奠定了基礎(chǔ)。同年，美國電信工程師香農(nóng)發(fā)表了《通信的數(shù)學(xué)理論》，為信息論奠定了基礎(chǔ)。維納和香農(nóng)從控制和信息這兩個(gè)側(cè)面研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，維納還從信息的觀點(diǎn)研究反饋控制的本質(zhì)。從此人們對(duì)反饋和信息有了較深刻的理解。11

自動(dòng)控制理論學(xué)科的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)時(shí)期。經(jīng)典控制理論時(shí)期現(xiàn)代控制理論時(shí)期智能控制理論時(shí)期3．自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)歷和研究內(nèi)容

12(1)“經(jīng)典控制理論”時(shí)期經(jīng)典控制理論形成于20世紀(jì)20～50年代，它以拉氏變換或z變換為數(shù)學(xué)工具，以傳遞函數(shù)或z傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題?；緝?nèi)容包括時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率特性法、相平面分析和描述函數(shù)法等。經(jīng)典控制理論雖然能夠較好地解決單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)的問題，但它具有明顯的局限性，突出的是難以有效地應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。13(2)“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期現(xiàn)代控制理論形成于20世紀(jì)50～70年代。這個(gè)時(shí)期由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，控制理論有了重大的突破和創(chuàng)新。它所研究的對(duì)象不再局限于單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的系統(tǒng)，而擴(kuò)展為多變量的、非線性的、時(shí)變的、離散的系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時(shí)變、非線性等自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。14

基本內(nèi)容包括線性系統(tǒng)基本理論、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制理論、自適應(yīng)控制理論和最佳濾波理論等。所謂狀態(tài)空間法，本質(zhì)上是一種時(shí)域分析方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能?，F(xiàn)代控制理論分析和綜合系統(tǒng)的目標(biāo)是在揭示其內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在某種意義上的最優(yōu)化，同時(shí)使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不再限于單純的閉環(huán)形式。

15(3)“智能控制理論”時(shí)期智能控制的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，它是一種能更好地模仿人類智能、能適應(yīng)不斷變化的環(huán)境、能處理多種信息以減少不確定性、能以安全可靠的方式進(jìn)行規(guī)劃、產(chǎn)生和執(zhí)行控制作用、獲得系統(tǒng)全局最優(yōu)的性能指標(biāo)的非傳統(tǒng)的控制方法。智能控制理論是自動(dòng)控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。它突破了傳統(tǒng)的控制中對(duì)象有明確的數(shù)學(xué)描述和控制目標(biāo)是可以數(shù)量化的限制。它的基本內(nèi)容包括專家控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和進(jìn)化控制理論等。16

自動(dòng)控制理論經(jīng)過經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段的發(fā)展，產(chǎn)生了PID控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、多變量控制、智能控制等適用于不同對(duì)象環(huán)境的控制算法，而控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也從單一對(duì)象閉環(huán)控制系統(tǒng)，逐步發(fā)展到單一對(duì)象多環(huán)控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。17本章小結(jié)自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象中某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。