浅谈自动控制理论的发展

1浅谈自动控制理论和控制论学科的发展(交运1202--1104120406--凌阳)摘要：本文简要介绍自动控制理论的基本概念，主要回顾了自动控制理论发展的历程，即经典控制理论阶段、现代控制理论阶段、大系统理论与智能控制阶段，最后对自动控制理论的发展前沿进行总结分析，从而进一步加深对自动控制理论的认知。关键词：自动控制发展历史智能控制控制理论方法论一、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。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。二、自动控制理论的基本概述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自动控制技术，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操作，自动控制显得尤其重要。自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心。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。一般情况下自动控制理论的发展过程可以分为三个阶段：经典控制理论阶段、现代控制理论阶段、大系统理论与智能控制阶段。与智能控制阶段。三、控制理论的三大阶段1、经典控制理论阶段时间为20世纪40-60年代，经典控制理论以传递函数为数学工具，采用频域方法，主要研究“单输入一单输出”线性定常控制系统的分析与设计，它存在着一定的局限性，即对“多输入一多输出”系统不宜用经典控制理论解决，特别是对非线性、时变系统更是无能为力。其控制思想是首先旨在对机器进行“调节”，使之能够稳定运行，其次是采用“反馈”2方式，使得一个动力学系统能够按照人们的要求精确地工作，最终实现对系统按指定目标进行控制。这一阶段的主要代表人物与事件有：（1）、1875年，E．J．P,outh和A．Hurwitz提出了根据代数方程的系数判断线性系统稳定性方法。（2）、1932年，H．Nyquest采用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，很好地解决了Black放大器的稳定性问题，而且可以分析系统的稳定裕度，奠定7频域法分析与综合的基础。（3）、1945年，LW．Bode发表了著作《网络分析和反馈放大器设计》，完善了系统分析和设计的频域方法，并进一步研究开发了伯德图。（4）、1948年，N．Weiner发表了《控制沦——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书，标志着控制论的诞生。（5）、1948年，W．R．Evans提出了系统的根轨迹分析法，是一种易于工程应用的，求解闭环特征方程根的简单图解法，进一步完善了频域分析方法。（6）、1954年，钱学森出版了《工程控制论》，全面总结了经典控制理论，标志着经典理论的成熟。2、现代控制理论阶段时间为20世纪60～70年代，现代控制理论本质上是一种“时域法”，它引入了“状态”的概念，用“状态变量”及“状态方程”描述系统。因而更能反映出系统的内在本质与特性。现代控制理论主要包括三个基本内容：多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论，它从理论上解决了系统的可控性、可观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问题。其控制对象可以是多输人多输出系统、非线性时变系统、离散系统以及数字系统，应用范围更加广泛。该阶段的主要代表人物与事件有：（1）、1959年，苏联学者庞德亚金(L．S．Pontryagin)等学者创立了极大值原理，并找出最优控制问题存在的必要条件。（2）、1953—1957年间，美国学者贝尔曼(R．Bellman)创立了解决最优控制问题的动态规律。（3）、1959年，卡尔曼(R．E．Kalnlan)提出了滤波器理论，1960年，卡尔曼对系统采用状态方程得描述方法，提出了系统的能控性、能观测性。（4）、罗森布洛克(I．H．Rosenbrcek)、欧文斯(D．H．Owens)和麦克法轮(G．MacFarlane)研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。（5）、20世纪70年代奥斯特隆姆(瑞典)和期道(法国，L．D.Landau）在自适应控制理论和应用反面做出了贡献。33、大系统理论与智能控制阶段时间为20世纪70年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术理论基础，其主导思想是研究系统结构的能通性、可控性、可观性、可协调性，以求大系统的最优化、稳定化。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，它的目标是提高控制系统自寻优、自适应、自学习、自组织等方面的智能水平。这一阶段的主要代表人物与事件有：（1）、60年代初期，Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。（2）、1965年Zadeh创立模糊集和论，未解决负载系统的控制问题提供了强有力的数学工具。（3）、1966年，Mendd提出了“人工智能控制”的概念。（4）、1967年，Izondes和Mendel正式使用“智能控制”，标志着智能控制思路已经形成，70年代初期，傅京孙、Gloriso和Saridis提出分级递阶智能控制，并成功应用于核反应、城市交通控制领域。（5）、70年代中期，Mamdani创立基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功用于工业控制。（6）、80年代以来专家系统、神经网络理论及应用对智能控制器有着促进作用。四、控制理论与控制论的解释可以看出，控制理论的研究对象是“控制系统”，主要指机器的控制系统。它强调的是以数学方法为手段，以工程技术为背景。（注：控制理论其前期发展主要立足于工程技术领域，虽然后期发展已扩展到生物、生态、社会、经济领域)控制理论是一门专业性的、工程性的技术学科。控制论是本世纪40年代末发展起来的一门新兴科学。控制论的奠基人诺伯特·维纳当时把控制论定义为：在动物和机器中控制和通讯的科学。最有意思的是，过了几年，在其第二本书《控制论与社会》中，指出了动物、机器和人的集体中各种控制和通讯过程的相似性。控制论的产生是由二十世际中期科学进步、技术进步和社会进步引起的。它是在科学知识的各种极其不同的部门一哲学、数学、生物科学、技术科学、甚至于社会科学的基础上产生的。它是消除了各专门科学的一定独立性的一体化趋势的结果。维纳在谈到控制论产生时说道，在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区。维纳等人之所以能够创立控制论这门学科，正是由于他们的战略思想，抓住了当代科学技术发展的特点，认识到各门学科之间的相互渗透是一种潮流。值得骄傲一提的是，控制论与中国有不解之缘。维纳说过，1946年的中国之行(当时他来清华做客座教授)是他作为一名数学家和控制论专家的分界线。而且，维纳创立的控制论之所以能得到公正的4待遇，中国人钱学森及其创立的“工程控制论”有着不可磨灭的功劳。(1954年钱学森在美国发表的(工程控制论)被公认为工程控制论的奠基性专著。）这本书出版以后，所有搞理工科的马上产生了强列的反响。1980年钱学森和宋健合著了《工程控制论》(修订版)，增补了二十年来这门科学发展的新成果，使工程控制论的内容更为丰富和完善。钱学森、宋健也一直认为自己是搞控制论的，并没有使用控制理论这一名字。控制论是否具有科学的地位，这个问题首先需要认真地讨论。我们知道，任何科学在知识体系中的地位，首先是由它的对象决定的。人们通常把科学所研究的规律理解为它的对象。但到目前为止，谁也没有发现或提出过控制论的任何一条规律，所以不能认为控制论也是研究规律的科学。那么控制论究竟是什么样的一门学科？控制论是以下列观念为基础的：有可能发展一种一般方法来研究各式各样系统中的控制过程。它的一个基本特征就是在动态(运动和变化)过程中考察系统，这样就从根本上改变了研究系统的方法。它不是一门普通的专门学科，而是一个跨学科的知识部门。它从寻找学科之间的共同联系出发，将动物和机器的某些机制加以类比，从而抓住一切通迅和控制系统中所共有的特征，然后站在一个更概括的理论高度上加以综合，形成了一门具有更普遍意义的新理论。目前，控制论表示一种能应用于任何系统中的一般控制理论。(前苏联著名的控制论学者列尔涅尔的定义)它以功能方法研究组织界的各种系统——生物机体、机器装置和人类集体。也就是说，控制论是组织界系统(有组织的或被组织化的整体)的理论，研究它们的功能(行为、活动)的理论。必须强调的是：控制论研究上述系统，其着眼点是这些系统中所展开的信息(通讯)管理(控制)的过程。所以，研究控制论应当是在生物科学、技术科学和社会科学的中考虑控制论的方法，重点是分析信息的调节、控制的过程和系统的功能、行为、活动的性质。信息和反馈是控制论思想的核心。在控制论系统中，通讯(信息的传输)和控制(信息的反馈)是不可分的。控制论在科学上有两点重要的价值，特别值得一提。第一是控制论给予我们一套统一的概念和一种共同的语言，使我们足以用来描述形形色色的系统，建立各门学科之间的关系。控制论第二个独特的好处是，对于那些以复杂著称而其复杂性不容忽视的系统，控制论给出了一种新的科学研究方法。可见，控制论作为一门科学，不仅具有自己的概念体系，而且具有自己的专门方法。控制论是一门理论性与实践性都很强的学科。它以强大的生命力活跃于自然科学和社会科学之中，它对促进现代科学技术的发展和人类思维方式的变革，有着重大的影响，并发挥着巨大的作用。可以看到，在人们理论活动和实践活动的各个领域里使用控制论的两个方面——理论控制论(原理)和控制论技术(方法)。在现代化建设中运用控制论的思想和方法有很重要的意义。五、控制论方法论的基本观点在科学方法论研究中，不能避开使用唯物辩证法来分析这些科学方法论的哲学实质，也不能仅限于运用一些哲学原理去分析，而应是以充分的根据与具体事实去揭示该学科的研究与马克息主义唯物辩证法有明显的一致性，也具有特殊的差异性。现在试以此观点来分析控制论方法论的基本观点。51、系统的观点控制论把研究的客体看成是个“系统”，着重研究系统的功能和动态，离开了系统，则不能实现控制，系统是个整体，它是由各个局部组成的。这个整体的各部分之间密切相关而推动整体的平衡运转，完成特定的目的任务。这种整体的观点正是我们认识和处理问题的出发点。正如列宁说的：“要真正地认识事物，就必须把握、研究它的一切方面、一切联系和‘中介’。我们决不会完全地做到这一点，但是，全面性的要求可以使我们防止错误和防止僵化。”系统论的观点，充分地体现了辩证法思想，并使它进一步具体化。在这个系统中的各个局部不是简单的相加，由于有序性，系统的整体不等于局部的总和。恩格斯在《反杜林论》一书中列举了一个骑兵作战的例子说明事物的对立统一，量变与质变、否定之否定这些唯物辩证法的最一般规律，进一步论证了整体大于各孤立部分的总和。系统观点认为，系统是普遍存在的东西，大至浩瀚的宇宙，小至神经元，都可以说是一个相对独立的系统。一个较大的系统是若干“子系统”所组成的。任何大的系统如果忽视了一个子系统或者一个子系统脱离了整体，都将削弱或者是破坏系统的功能，完不成特定的任务。这是辩证法的普遍联系的观点的具体体现和实际运用。系统观点认为，系统是有严密结构和层次的，有单一系统、大系统和特大系统。这是按照其结构复杂、层次众多、