自动控制理论发展历史

1、自动化控制理论发展历史（ 太原理工大学）摘要： 本文主要回顾了“自动控制理论”的产生与发展过程，通过对不同时期，不同阶段的理论研究成果的简要介绍，掌握经典控制理论、现代控制理论、大系统理论和智能控制系统理论知识理论框架，进而加深对“自动化控制理论”认知。关键词：自动控制理论 产生与发展过程 理论框架结构  控制论一词Cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。1因此”控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。 根据控制理论的理论基础及所能解

2、决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。一、经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前） 经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入-单输入控制系统进行分析与设计的理论4 1、控制系统的特点 单输入-单输出系统的，线性定常或非线性系统中的相平面法也只含两个变量的系统。 2、控制思路 基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。 3、发展事件回顾45 1）我国古人发明的指南车就应用了反馈的原理 2）1788年J.Wat

3、t在发明蒸汽机的同时应用了反馈思想设计了离心式飞摆控速器，这是第一个反馈系统的方案。 3）1868年J.C.Maxwell为解决离心式飞摆控速器控制精度和稳定性之间的矛盾，发表论调速器，提出了用基本系统的微分方正模型分析反馈系统的数学方法。 4）1868年，韦士乃格瑞斯克阐述了调节器的数学理论。 5）1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根据代数方程的系数判断线性系统稳定性方法6）1876年俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作论调速器的一般理论，对调速器系统进行了全面的理论阐述。7）1895年劳斯与古尔维茨分别提出了基于特征特征根和行列式的稳定性代数判别方法。 8）1927年

4、H.S.Black发现了采用负反馈线路的放大器，引入负反馈后，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。 9）1932年H.Nyquest采用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，很好地解决了Black放大器的稳定性问题，而且可以分析系统的稳定裕度，奠定了频域法分析与综合的基础。 10）1934年，H.L.Hazen发表关于伺服机构理论 11）1938年，A.B维哈伊洛夫发表频域法，这标志着经典控制理论的诞生。 12）1945年H.W.Bode发表了著作网络分析和反馈放大器设计，完善了系统分析和设计的频域方法。并进一步研究，开发了伯德图。 13）1948年，N.Weiner发表了控制

5、论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一书，标志着控制论的诞生。14）1948年，W.R.Evans提出了系统的根轨迹分析法，是一种易于工程应用的，求解闭环特征方程根的简单图解法。进一步完善了频域分析方法。 15）1954年，钱学森出版了工程控制论，全面总结了经典控制理论，标志着经典理论的成熟。 4、主要成果 PID控制规律的产生，PID控制原理简单易于实现，具有一定的自适应性与鲁棒性，对于无时间延迟的单回路控制系统很有效，在工业过程控制中任然被广泛应用。二、现代控制论阶段（50年代末期至70年代初期） 现代控制理论，基于时域内的状态空间分析法，着重时间系统最优化控制的研究。 1、控制系统的特点

6、 为多输入-多输出系统，系统可以是线性或非线性，定常或时变的，单变量与多变量，连续与离散系统。 2、控制思路 基于时域内的状态方程与输出方程对系统内的状态变量进行实施控制，运用极点配置、状态反馈、输出反馈的方法，解决最优化控制、随机控制、自适应控制问题。 3、发展事件回顾3 1）1959年，苏联学者庞德亚金(L.S. Pontryagin)等学者创立了极大值原理， 并找出最优控制问题存在的必要条件，该理论解决控制量有约束情况 下的最短时间控制问题，提供方法。 2）1953-1957年间，美国学者贝尔曼（R.Bellman）创立了解决最优控制 问题的动态规律，并依据最优性原理，发展了变分学中的H

7、amilton -Jaccobi理论 3）1959年，卡尔曼（R.E.Kalman）提出了滤波器理论，1960年卡尔曼对系统采用状态方程得描述方法，提出了系统的能控性、能观测性。证明了二次型性能指标下线性系统最有控制的充分条件，进而提出了对于估计与预测有效地卡尔曼滤波，证明了对偶性。 4）罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 5）20世

8、纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用反面做出了贡献。4、主要成果 现代控制理论的提出，促进了非线性控制、预测控制、自适应控制、鲁棒性控制、智能控制等分支学科的发展。进而为解决因工业过程的复杂性而带来的困难。三、大系统理论阶段与智能控制理论阶段（70年代初期至现在）大系统理论，是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息与控制系统4智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人。1、控制系统的特点是指众多因素复杂的控制系统，如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统等52、控制思路基于

9、时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。53、发展事件回顾6 1）60年代初期，Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。 2）1965年Zadeh创立模糊集和论，未解决负载系统的控制问题提供了强有力的数学工具。 3）1966年,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。 4）1967年，Leondes和Mendel正式使用“智能控制”，标志着智能控制思路已经形成。70年代初期，傅京孙、Gloriso和Saridis提出分级递阶智能控制。并成功应用于核反应、城市交通控制领域。 5）70年代中期，M

10、amdani创立基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功用于工业控制。 6）80年代以来专家系统、神经网络理论及应用对智能控制器着促进作用现代控制理论、经典控制理论和大系统理论对比表如图1.1所示。表1.1 各阶段理论比较经典控制理论现代控制理论大系统理论对 象单输入-单输出线性定常系统线性与非线性、定常与时变、单变与多变量、连续与离散系统规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息系统方 法频域法时域矩阵法时域法数学工具拉氏变换矩阵与向量空间理论控制论、运筹学数学模型传递函数状态方程与输出方程子系统基本内容 时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何稳定判据、

11、校正网络设计、Z变化法 线性系统基础理论（包括系统的数学模型、运动的分析、稳定性的分析、能控性与能观测性、状态反馈与观测器）、系统辨识、最优控制、自适应控制、最优滤波及鲁棒性控制。多级递阶控制，分解-协调原理、分散最优控制、大系统型模降阶理路主要问题稳定性性问题最优化问题系统的最优化控制装置无源与有源RC网络数字计算机数字计算机着眼点输出状态方程与输出方程大系统的最优化评 价具体情况具体分析，适宜处理较简单系统的控制问题具有优越性，更适合处理复杂系统的控制问题应用控制和管理的思路，适用于多学科交叉综合的研究控制领域总体来说，“自动控制理论”就是一门研究自动控制系统稳定性的科学，是控制理论与控制工程学科的主要内容。控制理论与控制工程作为一门学科，研究并且提出有关自动控制系统设计和分析的理论与方法，用于指导工程实践。7参考文献1维纳著, 郝季仁译. 控制论 科学出版社，19612项国波.控制论的发展 北京：电器时代，2005.