控制理论与控制系统的发展历史及发展趋势

控制理论与控制系统的发展历史及趋势

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所在学院：机电工程学院

时间：2011年11月3号

控制理论与控制系统的发展历史及趋势

摘要：由于自动控制理论和自动控制系统的的广泛运用，各行业的专业人员对它的学习，研究也在不断的进行。本文叙述了自动控制理论和自动控制系统的发展历史（三个阶段：经典控制，现代控制，智能控制）和发展的趋势。

前言

控制是人类对事物的认识思考，进而作出决策并作出相应反应的过程。人类在漫长的生产与生活实践中不断总结，积累经验，形成理论，进而指导实践使生产力不断发展。随着生产力的不断发展，人们开始要求生活的高质量，一方面要从繁重的体力劳动中解放自己，另一方面要有更高质量的产品来满足生活的需要。自动控制理论自动控制系统就随之而产生了。控制理论和控制系统经过漫长的发展，其研究范围和应用范围很广泛。控制理论研究的对象和应用领域不但涉及到工业、农业、交通、运输等传统产业，还涉及到生物、通讯、信息、管理等新兴行业。由于自动控制理论和自动控制系统获得了如此广泛的应用，所以自动控制的发展必将受到各行各业的关注。本文就是对控制理论和控制系统的发展历史进行综述，叙述控制发展的各个阶段。还有就是控制理论和控制系统的今后的发展趋势。

一，控制理论的发展历史及趋势

1，早期的自动控制装置及自动控制技术的形成

古代人类在长期生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力，以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望，经过漫长岁月的探索，他们互不相关地造出一些原始的自动装置。约在公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的斯提西比乌斯首先在受水壶中使用了浮子。按迪尔斯（Diels）本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想（尽管当时并不明确）。公元前500年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在公元120年，著名的科学家张衡（78-139,东汉）又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏”由铜匠杜子盛和洗运行建造于公元1316年（元代延祐三年），并一直连续使用到1900年。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。这些自动装置虽然没有现在的一些自动控制装置先进，也没有系统的理论作为支撑，但是这些装置的发明对自动控制的形成却起到了先导作用。随着这些自动控制装置的不断的改进和

发展，逐渐形成了自动控制技术，我们把自动控制技术形成时期定在18世纪末～20世纪30年代。人们应用自动控制的方法来代替人工控制各种机械设备，是人类历史发展史上的一大创举。这个时期有很多具有代表性的发明。1750年，安得鲁. 米克尔为风车引入了“扇尾”传动装置，使风车自动地面向风。随后，威廉. 丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节器在1807年取得了专利权。1788年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器，瓦特把它与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元，对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。

这个时期控制理论的主要还是反馈控制原理和奈奎斯特频率法。反馈控制的思想在很早以前就有的了，古代的很多的发明都体现这方面的思想，在上面所列举的一些发明中都可以看到反馈思想的应用。人们利用反馈可以设计各种闭环控制系统，闭环控制在控制理论中占有很重要的地位。另外就是奈奎斯特频率法。1932年在贝尔实验室工作的奈奎斯特建立了著名的奈奎斯特判据，人们称它为奈奎斯特频率法。奈奎斯特频率法的重要贡献在于，它可以利用物理上能够测量的开环系统频率特性，来判别闭环系统的稳定性，静态误差和过渡过程某些品质指标等一系列问题。不用直接解微分方程，只要画出开环系统的频率特性，就会知道系统的稳定性如何，就可以估算出系统的品质指标，而且可以知道应该采取什么措施，可以是系统稳定下来，进一步稳定系统的指标等等。因此就出现了至今仍然在工业上广泛应用的PID调节器，P,I,D的不同组合，可以让大多数系统获得相当满意的性能指标。由于奈奎斯特频率法的优点，使得其应用在通讯、机械、化工和冶金等许多工业系统中，极大的推动了人类社会经济的发展，它的理论本身也在实际应用中得到极大的发展和充实。

1940年，伯德引入了半对数坐标系，把复数运算变成代数运算，大大地简化了频率特性的绘制。1942年，H哈利斯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了，从而可以把对具体的物理系统，如力学、电学和化学等系统的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来描述。

2，经典控制理论的形成和发展

从提出频率法开始到20世纪60年代，形成了现在人们所说的经典控制理论即单变量控制理论。经典控制理论的研究对象是具有单输入、单输出的单变量系统，而且多数是线性定常系统；使用的的数学工具是微分方程、拉氏变换等；研究方法有传递函数法、频率响应分析法、直观简便的图解法(根轨迹法)和描述函数法；主要代表人物有美籍瑞典科学家奈奎斯特、美国科学家伯德及埃文斯。1945年，美国数学家维纳把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。1948年，他出版了名著《控制论》一书．为控制论奠定了基础。钱学森于1954年在美国出版了《工程控制论》一书，书中所阐明的基本理论和观点，奠定了工程控制论的基础。

第二次世界大战后工业迅速发展，被控对象越来越复杂，这时又提出新的控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机信号输入的系统的控制问题等，促使经典控制理论在20世纪50年代又有新的发展。众多学者在总结了以往的实践和关于反馈理论、频率响应理论并加以发展的基础上，形成了较为完整的自动控制系统设计的频率法理论。1948年又提出了根轨迹法。至此，自动控制理论发展的第一阶段基本完成。这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论，通常被称为经典控制理论。经典控制理论中还有一部分重要内容就是脉冲控制理论。

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奈奎斯特和香农。奈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，奈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图的应用大受限制，频率法在离散系统研究也受到限制。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。

经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入－单输出的线性定常系统为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，这是因为它的以下几个特点所决定。1．经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；2．经典控制理论只限于分析和设计单变量系统，采用系统的输入－输出描述方式，这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输