自动控制原理学习 综述.ppt

董伟华

[摘 要]科学技术的高度发展使得控制的对象日益复杂化，传统的自动控制理论在面临复杂性所带来的困境时，力图突破旧的模式以适应社会对自动化学科提出的新要求。本文就自动控制理论发展进行论述。

[关键词]自动控制；发展；应用

中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0115-01

引言

随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。

一、自动控制理论的概念

1.1 概念

自动控制是区别于以往的人工控制，它利用外加的自动控制装置对机器、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，从而代替人工操作使之达到预期的性能或状态指标，自动控制技术可以有效提高企业的经济效益和产品的质量，在恶劣环境下能够代替人工操作。在控制论中“系统”和“反馈”是自动控制理论概念的核心，现代科学技术发展的必然趋势是全球对复杂系统科学或复杂性科学研究越来越多，分析系统的性质和结构、调控系统的运动状态是控制理论要解决的主要问题。“反馈”的概念控制论中最核心的概念，“反馈” 的概念能对付各种等不确定因素对被控系统的影响，也能让控制系统具有人类“智能”行为的特征。自动控制理论就是研究自动控制系统中变量的变化规律及其改进的途径。

1.2 特点

自动控制理论具有两个特点：一是控制理论重视对定量的研究，数学理论与方法被广泛应用在控制理论研究中；二是控制理论的科学命题有广泛的实际背景，具有丰富的实际来源具。这两个特点是由自动控制理论所包含的“系统”与“反馈”的两个概念所决定的。

二、自动控制理论的发展历程

2.1 自动控制理论的萌芽及形成

任何一个理论的形成与发展都是伴随着社会生产力的发展而发展的，早在2000 多年前我国发明的指南车就属于一种开环自动调节的机器。到18 世纪，瓦特（J.watt）发明的蒸汽机中的汽锤调解器，是最早的自动控制装置，加速了第一次工业革命的步伐，它的发明标志着控制理论的起步阶段。自从19 世纪Maxwell 线性常微分方程稳定性分析以来，直到经过20 世纪初霍尔维茨（Hurwitz）和劳斯（Routh）的稳定性判据、奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定判据以及“稳定裕量”、伯德（H.W.Bode）的频率法、依万斯（W.R.E-vans）的“根轨迹法”、美国著名的控制论创始人维纳（Wiener.N）总结了前人的成果，从而形成了经典反馈控制理论基础。

2.2 自动控制理论的发展历程

自动控制理论的发展科分为三代：第一代为20 世纪40-50年代的经典控制理论阶段；第二代为现代控制理论，现代控制理论是20 世纪初60 年代在线性代数的研究基础上发展起来的；第三代为智能控制理论，智能控制理论早在60 年代中期就已萌芽，在发展过程中综合了自动控制、运筹学、人工智能、信息论等多学科基础。

2.3 经典控制理论的产生和发展

经典控制理论时期为20 世纪40—50 年代，研究的主要对象为元件的状态、系统中各组成环节、特性可以用线性微分方程描述的控制系统。到18 世纪，自动控制技术逐渐被应用到现代工业生产中，加速了第一次工业革命的步伐，其中最具标志意义的是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器。之后推动经典控制理论发展的代表人物有1868 年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）的稳定性代数判据、1895 年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）、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、1932 年尼奎斯特（H.Nyquist）提出的频率响应法、1948 年伊万斯（W.R.Ewans）提出的根轨迹法。建立在频率响应法和根轨迹法基础上的理论，被称为经典控制理论。1948 年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）出版了《控制论》，为控制理论这门学科奠定了基础，推广了反馈的概念。

2.4 现代控制理论的产生和发展

现代控制理论时期为20 世纪60—70 年代，它是为了克服经典控制理论的局限性而逐步发展起来的。现代控制理论研究的对象范围包含了线性和非线性问题、单入单出、多入多出等问题，研究范围广阔，应用广泛。现代控制理论主要用于解决多如多出、鲁棒控制、最优控制等复杂问题。

现代控制理论的发展和成熟反映了人类由机械化时代向电气化时代转型的过程，体现了控制理论的智能化、信息化、自动化趋势。这一时期的代表理论和人物有：贝尔曼（Bellman）等人在1957年提出的动态规则、卡尔曼（Kalman） 和布西1959 年创建的卡尔曼滤波理论、状态空间法，庞特里亚金1961年提出的极小（大）值原理、罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）等人的现代频域法理论等为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。

2.5 智能控制理论的产生和发展。

智能控制的基础是人工智能、运筹学、控制论和信息论等学科的交叉，是指驱动智能机器自主地实现其目标的过程。“智能控制”这一概念是傅京孙教授于20 世纪70 年代初最先提出的。早在1965年，他提出把人工智能领域的启发式规则应用于学习系统，这一时期可以看作是“智能控制”思想的萌芽阶段。美国的G.N.Saridis于1977年把傅京孙教授的二元结构扩展为三元结构，即人工智能、自动控制和运筹学的交叉；后来中南大学的蔡自兴教授又将三元结构扩展为四元结构即人工智能、自动控制、信息论和运筹学的交叉，形成和完善了智能控制的理论体系。

智能控制是自动控制和人工智能的交集，人们利用微机通过多种途径模拟人在控制过程中的职能控制决策行为来实现智能控制。虽然智能控制理论只有十几年的历史，尚未形成比较完整的理论体系，但其已有的应用成果和理论发展说明了智能控制正成为自动控制的前沿学科之一。人工智能由于得益于计算机技术的飞速发展，已经渐渐形成一门学科，并在实际应用中显示出很强的生命力。因此，当前将智能控制作为第三代控制理论，尽管有些牵强和断言太早，但由于当前人工智能的普遍应用以及广泛认可，智能控制技术也愈加先进和超乎以往人们的想象，对智能控制论的研究也越来越深入，智能控制理论必将作为第三代控制理论的一个重要分支。

三、自动控制理论的现状及应用

可以说自动控制应用领域遍及众多的生活和科技方面，但这不是说后来的理论就替代了先前的理论。经典控制理论阶段，自动控制主要用于工程技术中的各类控制问题，比如航空航天技术、生产过程、武器控制、通信技术等方面。现代控制理论发展后，被广泛应用于社会系统、生态环境、经济科学、交通管理、生物和生命现象研究等领域。现代控制理论和经典控制理论都在其相应领域发挥着不可替代的作用，现代控制理论能更好地设计和改进控制系统的工具，而经典控制理论则在复杂一点的改进控制系统内部特征方面不占优势，经典控制理论对于简单的低阶控制系统能直观整体地认识。现代控制理论研究的问题主要包括最优控制规律的寻求和最优控制问题。

四、结束语

随着科学技术、计算机网络和人工智能的突破发展，控制理论得到了很大的发展，自动控制受到高度重视，被广泛应用于工程技术的各个领域。

参考文献

[1] 倪寄淞.浅谈自动控制理论的发展及其应用[J].东方企业文化.2015（15）.

[2] 李长云.“自动控制理论”的系统化教学实践[J].电气电子教学学报.2013（04）.