自动化学科概论(论文)

课程论文

              题目：自动控制理论发展的历史及现状

        自动控制理论发展的历史及现状

摘要：本文简要介绍了自动控制理论的定义与基本概念，主要回顾了自动控制理论的发展历史，指出了自动控制基本理论发展的简史，即稳定性理论的早期发展，负反馈放大器及频域理论、根轨迹法以及脉冲控制理论，最后对自动控制理论发展的现实进行说明，进而进一步加深对自动控制理论认知。

关键字：自动控制理论；发展历史；现状

1   引言

在短短一百年中，自动控制理论得到了令人吃惊的发展，对人类社会产生了巨大的影响。从瓦特的蒸汽机、阿波罗的登月到海湾战争，无处不显示着控制技术的威力。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，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。自动控制理论的不断发展，必将会给提高社会生产力，提高人民的生活水平，促进人类的发展。

2   自动控制理论简介

2.1 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。

2.2 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操作，自动控制显得尤其重要。

2.3 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，并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[1]。

2.4 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(17-1712)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[2]。

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。在整个机械装置中，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[3]。

在1765年声称发明了历史上第一套反馈系统，即I.Polzunov发明的浮球水位控制器。这种调节器系统中，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

学理论，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[4][5]。

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[6]。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，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[7]。

3   自动控制基本理论的发展简史

3.1 稳定性理论的早期发展 

人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。1687年，牛顿在他的《数学原理》中对围绕引力中心做圆周运动的质点进行了研究。在牛顿引力理论建立之后，天文学家不断努力以图证明太阳系的稳定性。特别地，拉格朗日和拉普拉斯在这一问题上做了相当的力。

在出现控制系统的稳定问题后，科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。Clerk Maxwell第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人。James Clerk Maxwell是第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的Thomson's governor, Jenkin's governor 以及具有五阶微分方程的Maxwell's governor进行了研究，并给出了系统的稳定性条件[8]。Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河。

同一时期在，1872年N.A.维什聂格拉斯基（1831-15）也对蒸汽机的稳定性问题进行了研究。N.A.维什聂格拉斯基同样利用线性化方法简化问题，用线性微分方程描述由调整对象和调整器组成的系统。这使问题大大简化。N.A.维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基人。 

3.2 负反馈放大器及频域理论的建立 

在控制系统稳定性的代数理论建立之后，1928年－1945年以美国AT&T公司Bell实验室的科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方法。Black首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析。

反馈放大器的振荡问题给其实用化带来了难以克服的麻烦。为此HarryNyquist(18-1976)和其他一些AT&T的通讯工程师介入了这一工作。1932年Nyquist发表了包含著名的“乃奎斯特判据”(Nyquist criterion)的论文，并在1934年加入了Bell Labs。Black关于的负反馈放大器的论文发表在1934年，参考了Nyquist的论文和他的稳定性判据。

这一时期，Bell实验室的另一位理论专家，Hendrik Bode(1905-1982)也和一些数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。1942年，H.Harris引入了传递函数的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。传递函数就是在拉普拉斯变换的基础上引入的,至1945年，控制系统设计的频域方法“波德图”(Bode plots)方法，已基本建立了。

在这同一时期，苏联科学家也在控制系统稳定性的频域分析方面取得了进展。有些学者又将“乃奎斯特判据”称为“乃奎斯特-米哈依洛夫判据”客观地讲，在频域稳定性判别研究中，乃奎斯特不仅在时间上领先，其工作也更完备。现在我们所使用的也主要是乃奎斯特的开环稳定判据除了偏差负反馈控制，扰动控制是另一种重要控制策略。第一个试图制造一个不反映被调量偏差，而应扰动作用的调节器的人是庞赛来。他在1829年曾提出一种有关蒸汽机轴转速自动调节器的线路，利用的就是扰动控制的原理。可是由于当时蒸汽机本身不稳定，他的建议遭到了失败。采用扰动调节原理且在实际上能够工作的第一个自动调节器是1869年由契可列夫所发明的弧光灯光度调节器[9]。

3.3 根轨迹法的建立 

在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位。它同时域法，频域法可称是三分天下。美国电信工程师W.R.Evans在这里包打天下，他的两篇论文Graphical AnalysisofControl System,AIEE Trans. Part II,67(1948),pp.547-551.”和“Control System Synthesis by Root Locus Method, AIEE Trans. Part II,69(1950),pp.66-69”即已基本上建立起根轨迹法的完整理论。Evans所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系统的稳定问题，因此其已经又回到70多年前Maxwell和Routh曾做过的特征方程的研究工作。但Evans用系统参数变化时特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方法。Evans方法一提出即受到人们的广泛重视，1954年，钱学森即在他的名著“工程控制论”中专用两节介绍这一方法，并将其成为Evans方法。 

3.4 脉冲控制理论的建立与发展 

随着计算机技术的诞生和发展，脉冲控制理论也迅速发展起来。在这方面首先作出重要贡献的是乃奎斯特和香农(Shannon)。乃氏首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采样。香农于1949年完全解决了这个问题。香农由此被成为信息论的创始人。线性脉冲控制理论以线性差分方程为基础，线性差分方程理论在三、四十年代中已逐步发展起来。随着拉氏变换在微分方程中的应用，在差分方程中也开始加以应用。利用连续系统拉氏变换同离散系统拉氏变换的对应关系，奥尔登伯格(R.C.Oldenbourg)和萨托里厄斯(H. Sartorious)于1944年，崔普金(Tsypkin)于1948年分别提出了脉冲系统的稳定判据，即线性差分方程的所有特征根应位于单位圆内。由于离散拉氏变换式是函数，又提出了用保变换将Z平面的单位圆内部转换到新的平面的左半面的方法这样即可以使用Routh-Hurwitz判据，又可将连续系统分析的频域方法引入离散系统分析。

求得离散型频率特性后，乃氏稳定判据和其他一切研究线性系统的频率法都可应用，但由于Bode图的应用大受，频率法在离散系统研究也受到。在变换理论的研究方面，霍尔维兹(W.Hurewicz)于1947年迈出了第一步，他首先引进了一个变换用于对离散序列的处理。在此基础上，崔普金于1949年，拉格兹尼和扎德(J.R.Ragazzini和L.A. Zadeh)于1952年分别提出了和定义了Z变换方法，大大简化了运算步骤并在此基础上发展起脉冲控制系统理论。由于Z变换只能反应脉冲系统在采样点的运动规律，崔普金、巴克尔(R.H.Barker)和朱利(E.I.Jury)又分别于1950年、1951年和1956年提出了广义Z变换或修正Z变(modifiedZ-transform)的方法。对同一问题，林威尔(W.K.Linvill)也于1951年用描述函的方法进行了有效的研究，不过这一方法目前已较少使用[10]。

回顾脉冲控制理论的发展，尽管的崔普金及英国的巴克尔等都做出了不可磨灭的贡献但建立脉冲理论的许多工作都是由美国哥伦比亚大学的拉格兹尼和他的博士生们完成的。他们包括朱里（离散系统稳定的朱里判具，能观测性与能达性，分析与设计工具等），卡尔曼（离散状态方法，能控性与能观性等。是自控界第二位获IEEE Model of Honor者(1974)），扎德（Z变换定义等。是自控界第五位获IEEE Model of Honor者(1995)）。五十年代末，脉冲系统的Z变换法已经成熟，好几本教科书同时出版。

4   自动控制理论发展的现实

4.1 经典控制理论、现代控制理论在应用中面临的难题 

随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复杂的大系统，导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化，从而导致现代控制理论的成果很少在实际中得到应用。 

4.2 原因分析 

经典控制理论、现代控制理论在应用中遇到了不少难题，影响了它们的实际应用，其主要原因有三： 

①这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的数学模型的基础上的，而实际系统由于存在不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性等因素，一般很难获得精确的数学模型[11]； 

②研究这些系统时，人们必须提出一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不符； 

③为了提高控制性能，整个控制系统变得极为复杂，这不仅增加了设备投资，也降低了系统的可靠性。 

4.3 寻求自动控制新出路的思考 

自动控制工作者一直在寻求新的出路，他们在考虑：能否不要完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究主体呢？能否用20世纪50年代中期出现并得到快速发展的人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统等来解决难以建立精确数学模型的控制问题呢？第三代控制理论即智能控制理论就是在这样的背景下提出来的，它是人工智能和自动控制交叉的产物，是当今自动控制科学的出路之一[12]。 

5   结论

自动控制受到工程技术领域的高度重视, 控制理论的发展经历了经典理论、现代理论、到今天的智能控制,是科学技术高度发展与进步的必然, 智能控制是一个新的研究领域, 涉及到很多分支学科, 可以从不同的方向开展理论研究和应用技术研究, 促进科学技术迅猛发展。当今社会飞速发展，自动化程度越来越高，更离不开自动控制理论的支持。因此，作为自动化专业的当代大学生，我们应该好好学习自动控制理论，为社会发展奉献出自己的一份力量。

参考文献

[1]何彦民，周雪松，马幼捷等.控制理论研究的现状分析及发展动态[J]．天津理工学院学报,2004,2(1)

[2]张大为.控制理论发展历程的简要回顾.控制工程,2006,13(5)：98-99.

[3] Saridis G N. Analytic formulation of the principle of increasing precision with decreasing intelligence for intelligent machines[J] . Automatic,19, 25(3):19-34.

[4] Karl A J. Adaptive control around 1960 [J] . IEEE Control Systems, 1996, 16( 3) : 44-49.

[5] Anthony M N. Stability : the common thread in the evolution of feedback control [ J] . IEEE Control Systems, 1996, 16(3) :50-60.

[6]张晓江，方敏. “自动控制理论”教学内容发展历程与优化措施[M].北京：中国电力教育出版社，2010.1

[7]左为恒，周林.自动控制理论基础.[M]北京：机械工业出版社，2007.

[8] Ceorge Z. Iuput- ouput feedback stability and robustness 1959-1985 [J] . IEEE Control Systems, 1996,16(3) : 61-66.

[9] Stuart B. A brief history of automatic control [J].IEEE Control Systems, 1996,16(3):17-25.

[10] Derek A P. Early developments in nonlinear control [J] . IEEE

Control Systems, 1996,16(3) : 34-43.

[11]冯明琴.自动控制的发展与现状[J].攀枝花大学学报,2000,17(3)：81-85.