简论自动控制理论

摘 要：随着社会生产和科学技术发展，自动控制技术在不断进步、不断完善起来。控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，本文简述了自动控制理论的基本知识。

关键词：自动控制 定义 历史

1、控制思想起源的意义

控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。“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。

2、自动控制的定义

自动控制是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工程生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。

3、自动控制理论的基本概念

在已知控制系统结构和参数的基础上，求取系统的各项性能指标，兵找出这些性能指标与系统参数间的关系就是对自动控制系统的分析，而在给定对象特性的基础上，按照控制系统应具备的性能指标要求，寻求能够全面满足这些性能指标要求的控制方案并合理确定控制器的参数，则是对自动控制系统的分析和设计。

4、自动控制的历史

利用反馈来控制系统有着悠久的历史。最早的反馈控制出现在公元前330年的古希腊，运用在一种改进的浮球控制器装置上。Ktesibios的水钟就运用了浮球控制器的远离。大约在公元前250年，为了燃油在油泵中能保持恒定的液位，philon在一种油泵装置中采用了浮球控制器。在公元1世纪，亚历山大港的Heron出版了一本名为Pneumatica的书，概述了很多种应用浮球控制器的例子。

现代欧洲的第一个反馈系统出现在荷兰人Cornelis Drebble（1572-1633）发明的温度控制器中。在1681年，Dennis Papin（1647-1712）发明了第一台用于蒸汽锅炉的压力控制器，这是一种与高压锅炉阀门相识的安全压力控制器。

18世纪，瓦特（James Watt）的蒸汽机离心调速器被公认是第一台应用在工业生产中的自动反馈控制器，这是将自动控制技术应用到工业中的最早代表。它是在1769年为了控制蒸汽机速度改良而来的。整个机械装置，它从旋转轴的输出端测量速度，利用飞球相应的运动来控制阀门，从而控制相应量的蒸汽进入到机器中。随着速度的增加，非球的高度相应增加，它们离轴线的距离也变远，因此阀门渐渐关闭。由于非球的转动需要机械提供能量，所以速度测量的精度不高。在1765年俄国声称发明了历史上第一套反馈系统，急I.Polzunov发明的浮球水位控制器。这种调节器系统，浮球探测到水面的高度值，并用来控制锅炉内进水阀门的开度。在1868年以前的整个时期，自动控制系统的发展仅仅是靠直觉和发明。为了提高控制系统精度，不得不减慢瞬变震荡的衰减，甚至导致系统的不稳定。因此，有必要发展一套自动控制的理论。J.C.Maxwell总结了一套与控制理论结合的理论，而这套控制理论用用了控制器不同的等效模型。他的研究还注意到了和系统性能密切相关的不同参数的影响。与此同时，I.A.Vyshnegradskii也总结出一套控制器的数学理论来。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了研究控制系统的频率发。1948年伊文思提出了根轨迹法，这两大重大贡献，是自动控制理论和控制技术发展史上的里程碑。建立在频率法和根轨迹法基础上的控制理论成为经典控制理论。

第二次世界大战前，美国和西欧的自动控制理论，在发展方式上与俄国和东欧有很大差别。在美国，应用反馈的主要促进因素是电话系统的发展，以及Bell电话实验室的Bode、Nyquist和Black对电子反馈放大器的改进，主要是用频域来描述整个控制过程。与此相反，前苏联接触的数学家和机械学家在控制理论领域占主流。因此，俄国的理论更倾向与运用不同方程的时域公式。

第二次世界大战是自动控制理论的理论和实践得到巨大发展的时期。因为当时，必须设计和制造自动领航系统、火炮位置系统、雷达天线控制系统和其他建立在反馈控制方法基础上的军事系统。这些军事系统的复杂性和优良的性能都要求必须发展不同的控制技术，提高控制系统的性能，以及发展新的理论和方法等。

在1940年前，控制系统的设计是一种伴随着不断试验和失败的过程。而在20世纪40年代后，越来越多的数学和分析方法得到应用，控制工程才真正成为一门独立的工程学科。第二次世界大战后，随着拉氏变换和复频面得到越来越多的应用，频域技术渐渐成为控制领域的主流。20世纪50年代，控制工程领域的重点放在s平面法（特别是根轨迹法）的发展和运用上。而在20世纪80年代，数字计算机作为控制元件日渐普遍。这种有着快速精确计算性能的控制元件的技术，在以前的控制工程中是无法实现的。这些计算机特别适用于同时测量和控制多种变量的系统中。

20世纪50年代末到60年代初，核能、电子计算机以及空间技术的科学发展，对自动控制科学提供了更高的要求。随着人造卫星和空间时代的来临，控制工程拥有了新的巨大推动力，因为有必要为运载火箭和空间探测器设计一种复杂、高精度的控制系统。由前苏联人L.S.Pontryagin，美国人R.Bellman发展的最优化控制的现代理论，以及进来对鲁棒系统的研究，也对时域方法作出了贡献。大型复杂系统的控制，高速度控制操作及高精度控制品质的要求，使经典控制理论的局限性暴露出来，促使人们寻找更完善的控制理论和更高级的控制技术。在这种背景下，贝尔漫等人提出了状态空间法。1960年贝尔漫在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了能控性和能观测性的新概念，被认为是现代控制理论发展的开端。20世纪60年代以后迅速发展的信控制理论，如模糊控制、最优控制、系统辨识、多变量控制、自适应控制、专家系统、人工智能、神经网络控制、大系统理论等，都属于现代控制理论的范畴。与经典控制理论相比，现代控制论内涵十分丰富。例如20世纪70年代后期，提出了大系统理论，它是针对规模十分庞大的系统的控制理论。又如大型钢铁联合企业、大型电力系统、大型通信网、大型交通运输网等大型系统控制需要涉及运筹学、信息论、系统论等方面的理论，才能解决多级递阶控制、多目标综合优化等问题。

参考文献：

[1]左为恒，周林.自动控制理论基础.北京：机械工业出版社，2007.

[2]卢强.控制理论的发展.电网技术，1993，04期.

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