论自动控制理论的发展历程

刘顼

摘 要：自动控制经过数十年世界范围的发展，极大地提高了劳动生产率和产品质量，在工农业生产、国防和科学技术领域中，都有着十分重要的作用。这些年，自动控制理论在各领域都有着极广泛的应用。本文旨在对自动控制理论的发展及趋势进行纲领性分析和探讨，加深对自动控制理论的了解与进一步认识。

关键词：自动控制理论；发展；现状；未来展望

引言

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。

1 自动控制理论的简介

1.1 自动控制的定义

自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。

1.2 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。

1.3 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。现代欧洲的第一个反馈系统出现在15世纪荷兰人发明的温度控制器中。18世纪，瓦特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。1932年奈奎斯特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。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。

2 自动控制基本理论的发展简史

2.1 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。动态稳定性控制系统不仅能够优化起步或加速时的行驶稳定性，还可以改进牵引力的特性。

2.2 频域理论的形成——智能化

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（BellLabs）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。

频域（频率域）——自变量是频率，即横轴是频率，纵轴是该频率信号的幅度，也就是通常说的频谱图。频谱图描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。

对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。

2.3 根轨迹法

1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，并且在控制系统的分析与设计中得到广泛的应用。这一方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。这种方法叫根轨迹法。根轨迹法具有直观的特点，利用系统的根轨迹可以分析结构和参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可分析参数变化对系统性能的影响。

3 自动控制技术的早期发展

在我国古代，具有反馈控制原理的控制装置就已经出现。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”（在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”）。公元235（三国时期）的马均及公元477年（刘宋时期）祖冲之等还曾制造过具有开环控制指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机。

4 自动控制的发展前景

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业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。现代化工厂向规模集约化方向发展时，生产工艺对控制系统的可靠性、运算能力、扩展能力、开放性、操作及监控水平等方面提出了越来越高的要求。传统的DCS系统已经不能满足现代工业自动化控制的设计标准和要求。随着工业自动化控制理论、计算机技术和现代通信技术的迅速发展，自动控制系统的未来发展方向将向智能化、网络化、全集成自动化等方向发展，具体表现在以下几个方面：

4.1 智能化

对于各种规摸庞大、结构复杂的大系统，仅仅采用常规的控制措施是无法完成综合自动化的。不过人们发现，如果把人的智能和自动化技术结合起来，却能收到令人满意的效果。

关于智能控制，目前尚无统一的定义。有一种观点认为智能控制是自动控制、运筹学和人工智能三个主要学科相互结合和渗透的产物，这种观点包含了两层含义，一方面它指出了智能控制产生的背景和条件，即人工智能理论和技术的发展及其向控制领域的渗透，以及运筹学中的定量优化方法逐渐和系统控制理论相结合，这样就在理论和实践两方面开辟了新的发展途径，提供了新的思想和方法，为智能控制的发展奠定了坚实的基础。

4.2 网络化

随着互连网技术以及现代通信技术的发展，未来的企业为了适应经济全球化的发展需要，多将通过以太网接口，建立基于WINDOWSNT或WINDOWS2000构成的企业级局域网，控制系统与管理层和现场仪表级的数据交换日益增加，控制系统的计算机与财务、销售和管理层的计算机实现连网，实现数据的共享，极大地提高企业的管理水平。连网系统结构如企业局域网系统示意图。企业管理级各网络间可以采用标准以太网相互连接。管理级的各通讯网络可以采用多种网络拓扑结构（总线型、星型、环型），其中星型拓扑结构以高可靠性、结构简单、建网容易、节点故障容易排除等优点被大量采用。

4.3 全集成自动化

自动化技术的不断发展和计算机技术的飞速进步，自动化控制的概念也发生着巨大的变化。在传统的自动化解决方案中，自动化控制实际上是由各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品搭配起来的。现在用的工业用机器人实现了高度的自动化，即一旦程序确定，就不需要更多的人工干预了。但是这些机器人对于周围的环境变化无法灵活响应，这也是计算机科学应该着重解决的一个问题。先进的机器人系统通过革新传感器的反馈功能可以达到灵活的目的。

结束语

随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。