論自動控制理論的發展歷程

劉頊

摘 要：自動控制經過數十年世界范圍的發展，極大地提高了勞動生產率和產品質量，在工農業生產、國防和科學技術領域中，都有著十分重要的作用。這些年，自動控制理論在各領域都有著極廣泛的應用。本文旨在對自動控制理論的發展及趨勢進行綱領性分析和探討，加深對自動控制理論的了解與進一步認識。

關鍵詞：自動控制理論；發展；現狀；未來展望

引言

隨著社會生產和科學技術發展，自動控制技術在不斷進步、不斷完善起來?？刂评碚撓蚋v深、更廣闊的領域發展，無論在數學工具、理論基礎、還是在研究方法上都產生了實質性的飛躍，在信息與控制學科研究中注入了蓬勃的生命力，啟發并擴展了人的思維方式，引導人們去探討自然界更為深刻的運動機理。

1 自動控制理論的簡介

1.1 自動控制的定義

自動控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。自動控制是工程科學的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態系統的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數學的系統理論為基礎。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產生的控制論的一個分支。

1.2 自動控制理論的基本概念

在已知控制系統結構和參數的基礎上，求取系統的各項性能指標，并找出這些性能指標與系統參數間的關系就是對自動控制系統的分析，而在給定對象特性的基礎上，按照控制系統應具備的性能指標要求，尋求能夠全面滿足這些性能指標要求的控制方案并合理確定控制器的參數，則是對自動控制系統的分析和設計。

1.3 自動控制的歷史

利用反饋來控制系統有著悠久的歷史。最早的反饋控制出現在公元前330年的古希臘，運用在一種改進的浮球控制器裝置上?，F代歐洲的第一個反饋系統出現在15世紀荷蘭人發明的溫度控制器中。18世紀，瓦特的蒸汽機離心調速器被公認是第一臺應用在工業生產中的自動反饋控制器，這是將自動控制技術應用到工業中的最早代表。1932年奈奎斯特提出了研究控制系統的頻率發。1948年伊文思提出了根軌跡法，這兩大重大貢獻，是自動控制理論和控制技術發展史上的里程碑。建立在頻率法和根軌跡法基礎上的控制理論成為經典控制理論。

第二次世界大戰前，美國和西歐的自動控制理論，在發展方式上與俄國和東歐有很大差別。在美國，應用反饋的主要促進因素是電話系統的發展。與此相反，前蘇聯接觸的數學家和機械學家在控制理論領域占主流。因此，俄國的理論更傾向與運用不同方程的時域公式。

2 自動控制基本理論的發展簡史

2.1 穩定性理論的早期發展

人們很早就開始關注穩定性的問題。牛頓可能是第一個關注動態系統穩定性的人。動態穩定性控制系統不僅能夠優化起步或加速時的行駛穩定性，還可以改進牽引力的特性。

2.2 頻域理論的形成——智能化

在控制系統穩定性的代數理論建立之后，1928年-1945年以美國AT&T公司Bell實驗室（BellLabs）的科學家們為核心，又建立了控制系統分析與設計的頻域方法。

頻域（頻率域）——自變量是頻率，即橫軸是頻率，縱軸是該頻率信號的幅度，也就是通常說的頻譜圖。頻譜圖描述了信號的頻率結構及頻率與該頻率信號幅度的關系。

對信號進行時域分析時，有時一些信號的時域參數相同，但并不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關，這就需要進一步分析信號的頻率結構，并在頻率域中對信號進行描述。

2.3 根軌跡法

1948年，W.R.Evans提出了一種求特征根的簡單方法，并且在控制系統的分析與設計中得到廣泛的應用。這一方法不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統某一參數的全部數值關系，當這一參數取特定值時，對應的特征根可在上述關系圖中找到。這種方法叫根軌跡法。根軌跡法具有直觀的特點，利用系統的根軌跡可以分析結構和參數已知的閉環系統的穩定性和瞬態響應特性，還可分析參數變化對系統性能的影響。

3 自動控制技術的早期發展

在我國古代，具有反饋控制原理的控制裝置就已經出現。這方面最有代表性的例子當屬古代的計時器“水鐘”（在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”）。公元235（三國時期）的馬均及公元477年（劉宋時期）祖沖之等還曾制造過具有開環控制指南車。并發明了齒輪及差動齒輪機。

4 自動控制的發展前景

自動控制是指應用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設備或工業生產過程進行控制，使之達到預期的狀態或性能指標?，F代化工廠向規模集約化方向發展時，生產工藝對控制系統的可靠性、運算能力、擴展能力、開放性、操作及監控水平等方面提出了越來越高的要求。傳統的DCS系統已經不能滿足現代工業自動化控制的設計標準和要求。隨著工業自動化控制理論、計算機技術和現代通信技術的迅速發展，自動控制系統的未來發展方向將向智能化、網絡化、全集成自動化等方向發展，具體表現在以下幾個方面：

4.1 智能化

對于各種規摸龐大、結構復雜的大系統，僅僅采用常規的控制措施是無法完成綜合自動化的。不過人們發現，如果把人的智能和自動化技術結合起來，卻能收到令人滿意的效果。

關于智能控制，目前尚無統一的定義。有一種觀點認為智能控制是自動控制、運籌學和人工智能三個主要學科相互結合和滲透的產物，這種觀點包含了兩層含義，一方面它指出了智能控制產生的背景和條件，即人工智能理論和技術的發展及其向控制領域的滲透，以及運籌學中的定量優化方法逐漸和系統控制理論相結合，這樣就在理論和實踐兩方面開辟了新的發展途徑，提供了新的思想和方法，為智能控制的發展奠定了堅實的基礎。

4.2 網絡化

隨著互連網技術以及現代通信技術的發展，未來的企業為了適應經濟全球化的發展需要，多將通過以太網接口，建立基于WINDOWSNT或WINDOWS2000構成的企業級局域網，控制系統與管理層和現場儀表級的數據交換日益增加，控制系統的計算機與財務、銷售和管理層的計算機實現連網，實現數據的共享，極大地提高企業的管理水平。連網系統結構如企業局域網系統示意圖。企業管理級各網絡間可以采用標準以太網相互連接。管理級的各通訊網絡可以采用多種網絡拓撲結構（總線型、星型、環型），其中星型拓撲結構以高可靠性、結構簡單、建網容易、節點故障容易排除等優點被大量采用。

4.3 全集成自動化

自動化技術的不斷發展和計算機技術的飛速進步，自動化控制的概念也發生著巨大的變化。在傳統的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、分離的技術和不同廠家的產品搭配起來的?，F在用的工業用機器人實現了高度的自動化，即一旦程序確定，就不需要更多的人工干預了。但是這些機器人對于周圍的環境變化無法靈活響應，這也是計算機科學應該著重解決的一個問題。先進的機器人系統通過革新傳感器的反饋功能可以達到靈活的目的。

結束語

隨著計算機技術的發展和應用，自動控制理論和技術在宇航、機器人控制、導彈制導及核動力等高新技術領域中的應用也愈來愈深入廣泛。不僅如此，自動控制技術的應用范圍現在已擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其它許多社會生活領域中，成為現代社會生活中不可缺少的一部分。隨著時代進步和人們生活水平的提高，在人類探知未來，認識和改造自然，建設高度文明和發達社會的活動中，自動控制理論和技術必將進一步發揮更加重要的作用。