控制理论发展史

控制理论的产生与发展

同学们，我们都知道：控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。洗衣机智能控制电冰箱温度控制第一阶段:经典(自动)控制理论

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段

如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：1.两千年前我国发明的

指南车，就是一种开

环自动调节系统。指南车2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我国发明的水运仪象台，

就是一种闭环自动调节系

统。水运仪象台二起步阶段

随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（）解决了蒸汽机调速

系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳

定性代数判据。马克斯韦尔（）1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）3.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。

奈奎斯特4.1948年伊万斯（）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。

建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父——韦纳2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森

从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。第二阶段现代控制理论

科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼4.罗森布洛克（）、欧文斯（）和麦克法轮（）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，并探讨了传递函数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3.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin4.罗森布洛克（）、欧文斯（）和麦克法轮（）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，并探讨了传递函数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世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。

与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。

朗道L.D.Landau第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而

出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、

“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结

构方案、总体设计中的分解方法和协调等

问题的技术基础理论。复杂大系统控制智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

息传递过程的规律，研制具有某些拟人

智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制复杂系宜统理论欠：把系统的精研究拓广呢到开放复弃杂巨系统衫的范流筹，以勇解决复杂懂系统的控垃制为目标闪。回顾控制恨理论的发三展历程可块以看出，不它的发展斥过程反映唯了人类由偶机械化时盖代进入电扇气化时代尿，并走向池自动化、睡信息化、储智能化时究代。复杂航蓬天器控那制现代控制蕉理论基础灵的内容为:线性系满统理论络最殿优控制瓶理论最优估计崖理论榆系康统辨识理略论自适应鲜控制理玩论佛智俱能控制止理论现代控胁制理论备基础的明内容现代控班制理论徐与经典笼控制理自论的差摄异

经典控制理论

现代控制理论

研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程

多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程

研究方法传递函数法(外部描述)

状态空间法(内部描述)

研究工具拉普拉斯变换

线性代数矩阵

分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法

复域、实域，可控和可观测

设计方法PID控制和校正网络

状态反馈和输出反馈

其他

频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制

易于实现实时控制和最优控制现代控制牧理论的应按用比起经典标控制理论,现代控制忆理论考虑艇问题更全晒面、更复灶杂,主要表研现在考夸虑系统抓内部之勤间的耦恭合,系统外部篇的干扰,但符合竿从简单茄到复杂祥的规律评。现代镇控制理搬论已经阅应用在朴工业、艇农业、券交通运逆输及国宁防建设国等各个娱领域。倒立摆瓜稳定控柏制单级倒立烧摆稳定控谁制二级倒立愧摆稳定控惰制导弹稳定汇控制空空导丛弹稳定单控制地空导斤弹稳定贯控制航天器控悲制月球车控号制卫星控始制机器人艇控制空间机器烧人控制足球机器晌人控制指南车没与司南贤、指南鼻针等相戚比在指推南的原禾理上截饺然不同蓄。它的血车箱里低装着非们常巧妙誓而复杂威的机械帮。是一闷种双轮豪独辕车板。它的如中央有态一个大夺平轮，触木头人吉就竖立丛在上面牺。在大墙平轮两奶旁，装仔着很多具小齿轮债。如果庸车子向标左转，彻右边的坏车轮就岂会带动乐小齿轮航，小齿梁轮再带纠动大平拨轮，使屠大平轮娘相反地藏向右转于。如果市车子向模右转，冷同样地熟，大平旗轮则向牙左转。派因此，橡只要指拢南车开左动以前斗，先让恭木头人味的右手子指向南够方，以果后车子垦不论是迅向左转享还是向越右转，娃木头人叔的右手膨就总是御指向南让方。指焦南车是说利用齿虾轮的原丙理造成穗的。这迅种齿轮仁传动类谷似现代供汽车用赞的差动间齿轮，丢相当于毒汽车中写差动齿旺轮的逆将向使用焦原理。壮这种指灵南车，迎可以说扛是世界给上最早陶的自动织化设备从。指南车指南车是裤我国古代雾伟大的发骗明之一，侵也是世界侵上最早的痛控制论机脾械之一。牵用英国著疮名科学史撒专家李约搭瑟的话说巾，中国古戏代的指南宪车“可以废说是人类艺历史上迈帖向控制论芒机器的第该一步”，酒是人类“魄第一架体项内稳定机电”。整个水狭运仪象悄台高12米，宽7米，共分3层，相浓当于一潜幢四层阔楼的建楚筑物。假最上层抬的板屋票内放置羡着1台浑仪典，屋供的顶板怕可以自墙由开启主，平时碑关闭屋吊顶，以芝防雨淋括，这已斩经具有秆现代天但文观测里室的雏悄型了；扇中层放外置着一裤架浑象予；下层革又可分蛮成五小醒层木阁桑，每小寒层木阁罗内均安调排了若谋干个木促人，5层共有162个木人，益它们各司蛋其职：每叨到一定的勇时刻，就烫会有木人懒自行出来扰打钟、击进鼓或敲打债乐器、报味告时刻、辅指示时辰惜等。在木核阁的后面航放置着精子度很高的斧两级漏刻包和一套机乘械传动装绝置，可以刊说这里是牌整个水运闷仪象台的“心脏”部分，阿用漏壶钱的水冲颜动机轮巾，驱动易传动装膝置，浑低仪、浑晒象和报忽时装置闸便会按坏部就班神地动作梦起来。这台仪器蛮的制造水洒平堪称一星绝，充分议体现了我化国古代人有民的聪明沈才智和富题于创造的笋精神。水运仪稍象台水运仪艺象台是夕我国古永代一种杂大型的泛天文仪铺器，由遗宋朝天腾文学家射苏颂等绒人创建亦。它是间集观测丘天象的唱浑仪、且演示天拆象的浑绒象、计国量时间宗的漏刻脾和报告迈时刻的指机械装摧置于一时体的综永合性观乳测仪器袋，实际岂上是一衰座小型赔的天文目台。到此为挨止，瓦宅特完成摇了对蒸耍汽机的鸽整套发搞明过程砌。经过气他的一蒙系列重惜大的发抹明和改巩进，使钢蒸汽机这的效率去提高到挑原来纽护科门机堵的3倍多，而亮且配套齐码全、性能哥优良、切反合实用。吵瓦特由此筒博得了第根一部现代警蒸汽机——高效率并瓦特蒸咽汽机的羽发明者芝称号。瓦特Jam袭esW抬att（Jame斯sWat茧t,17督36～1819）英国手发明家姑、工程意师。173熟6年1月19日生于躺苏格兰帮的一个轧小镇格芳里诺克蹄。1753年他在家策钟表店学吐手艺。15岁学完活了《物理学原鹊理》并获得了俯丰富的木挎工、金属售冶炼和加许工等工艺税技术。1753年他在稠一家钟旱表店学岛手艺。175麻3年又跟有毙名的机械厚师摩尔根扯当学徒。达经过刻苦宗学习，努课力实践，源他已能制在造难度较嚷高的象限岔仪、罗盘肢、经纬仪灵等。1756年在格拉抱斯哥大学旗当了仪器姜修理员。1765年发明了筛把冷凝过舒程从汽缸箩中分离出六来的分离毫式冷凝器桃。冷凝器阀的发明在潜蒸汽机的救发展中起杨了关键性秘的作用。176舱8年他制成碌了一台单乡丰动作蒸汽歼机。178铜1年，他鞋发明了尾行星式那齿轮，题将蒸汽繁机活塞顾的往运兼动变为找旋转运副动1782年他发明瓣了大动力演的“双动顽作蒸汽机概”并获得经专利178舟4年他发忽明了平恼行运动存连杆机覆构，解徐决了双忆动作蒸凤汽机的昼结构问垃题。178圣8年他发答明了离泊心式调识速器和童节气阀花，用来半自动控军制蒸汽薯机的运泉转速度晨。179双0年发明了事蒸汽机配运套用压力喘计。为贝尔电庭话实验室芳的工程师窄，在热噪螺声(Jo月hns陕on-盐Nyq贸uis证tn留ois涛e)和反馈放立大器稳定轿性方面做欠出了很大折的贡献他结早期的理买论性工作戚关于确定兆传输信息颤的需满足吼的带宽要精求，在《贝尔系遍统技术》期刊上发美表了《影响电报即速度传输职速度的因种素》文章，为度后来香农焰的信息论室奠定了基悉础。192启7年，奈率奎斯特截确定了柜如果对售某一带附宽的有牛限时间斧连续信剑号（模肺拟信号页）进行蛙抽样，钓且在抽仇样率达址到一定那数值时浆，根据杂这些抽害样值可住以在接卷收端准织确地恢啄复原信伞号。为摊不使原忽波形产尸生“半独波损失让”，采预样率至康少应为刃信号最计高频率俩的两倍男，这就业是著名诞的奈奎稍斯特采绪样定理拌。奈奎暮斯特1928年发表扣了《电报传段输理论金的一定插论题》。195侮4年，他从般贝尔实验膝室退休。奈奎斯特奈奎斯特灶，美国物伞理学家，1889年出生罚在瑞典么。1976年在德克最萨斯逝世捎。奈奎斯苦特对信息悠论做出了劈燕重大的贡灿献。奈奎隐斯特1907年移民到六美国并于191月2年进入脱北达克丸塔大学钞学习。191估7年在耶脏鲁大学脸获得物吃理学博捷士学位富。1917年～193窗4年在AT&钳T公司工作都，后转入设贝尔电话顽实验室工牛作。物理、劣电学了朗。他18岁时取得厘了哈佛大愧学数学和壶哲学两个色博士学位姜，后来又结到德国、饿英国学习标，拜著名鱼哲学家罗做素、数学冈家希尔伯绳特为师，程进一步深预造。利维纳已是妇一个很有雷名的数学粱家了，但非他对其他宇学科也很袄有兴趣。轻在第二次配世界大战缝末期，有变两个大问阿题特别引承起了他的版兴趣，一恋个是电子刊计算机，路另一个是榜火炮命中站率问题。维纳和横一位年低轻工程碧师合作掀，从驾哄驶汽车舅这种简彻单的动骂作中发重现，人照是采用考了一种汪叫“反庭馈”的迷控制方来法，使鼓汽车按贝要求行惕驶。维志纳又请挡来了神驶经专家岂进行共这同研究鄙，发现自机器和茄人的控性制机能完有相似妇之处。徐后来，韵维纳又粗和许多形有名科瞎学家进煤行讨论锈，听取痕对方的讨批评意港见，甚寨至是“叉攻击”怖意见，蔽终于于194荷8年把自讲己的研狱究成果释发表了骨出来，景叫《控制论》。维纳维纳生于即哥伦比亚弟市一个犹蛮太人家里兔。维纳4岁开始端读书。9岁时读巴中学，11岁进人大父学学习．嘴他的数学唤知识已超垒过大学一虾年级学生帜的水平，误所以转而喝热衷于研碑究化学、195蜡5年回国迈。1955年至194情6年任中国轻科学院力散学研究所疤所长、研特究员，国叮防部第五秘研究院院刷长。196如5年至1970年任第七鼠机械工业中部副部长皂。197塞0年至198错2年任国外防科工垄委科学嫩技术委培员会副多主任，公中国科榴协副主作席。还娃历任中柄国自动扭化学会债第一、壤二届理榨事长，费中国宇往航学会兽、中国姿力学学终会、中现国系统挣工程学浪会名誉国会长，踢中科院巧主席团劲执行主炒任、数裹学物理捕学部委释员。1986年至1991年5月任中豆国科协铺第三届驾全委会摔主席。1991年5月在中国懒科协第四劳次全国代斥表大会上外当选为科疯协名誉主买席。1992年4月被聘为宇中科院学杏部主席团欠名誉主席锋。1994年6月当选为芽中国工程形院院士。钱学森钱学森，1911年12月11日生，价浙江杭砍州人，195健9年8月加入