自动控制理论论文

自动控制原理的历史与发展

摘要

在科技高速发展的今天，自动控制技术在工农业生产、国防和科学技术领域中，都有着十分重要的作用。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。

[关键字]：自动控制理论发展现状未来展望

1.自动控制理论简介

1.1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。

1.2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。

1.3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。

1.4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。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。在十八世纪以前的整个时期，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。后来逐渐有一些科学家总结了与控制理论结合的数学理论，而这套控制理论用用了控制器不同的等效模型。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。

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。 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。20世纪60年代以后迅速发展的信控制理论，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，来解决多级递阶控制、多目标综合优化等问题。

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。

2.2 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(Bell Labs)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。

2.3 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。

2.4 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。

3.自动控制技术的早期发展

1水钟

具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。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”)。

3.2指南车

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。

3.3风车技术

另外，我国在公元前350年已经用在结构上与水轮相似的水臼来碾米；在公元前50年用水轮来引水灌溉；在公元前31年在锻冶场里使用水动风箱等。大大地减轻了人们的劳动。

3.4蒸气机

十八世纪也是蒸机取得突破发展的时期，并成为机械工程最瞩目的成就。

4.未来展望

控制系统继续发展的目标是实现高度灵活和高度自动化。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。通过提高智能化，增加传感器功能、计算机可视功能和离线式CAD/CAM编程功能将使系统更经济且得到更广泛的应用，使控制系统正朝高度自动化方向买进。对人机对话模式方向的研究和计算机数据库管理等，将使控制更高效、更可靠。降低运行成本和拓宽其应用领域，要求更新人机交流方式和更换编程语言等。