自动控制理论发展历程及趋势

自动控制理论发展历程及趋势王民雄西南大学工程技术学院自动化1班学号:222009322072054摘要：本文讨论了“自动控制理论”的发展历程。描述了不同种控制理论的具体内容。通过掌握经典控制理论、现代控制理论、大系统理论和智能控制系统理论知识理论框架，进而加深对“自动控制理论”认知以及发展趋势的大致了解。关键字:自动控制理论发展历程趋势1导言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，推动了现代工农业的巨大发展。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。2自动控制理论的发展自动控制理论是自动控制科学的核心。根据控制理论的理论基础及所能解决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。一、经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前）经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入---单输入控制系统进行分析与设计的理论。1、控制系统的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。2、研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。3、控制思路基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。4、理论简介经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性（见过渡过程、频率响应）、控制系统的设计原理和校正方法（见控制系统校正方法）。经典控制理论包括线性控制理论、采样控制理论、非线性控制理论（见非线性系统理论）三个部分。早期，这种控制理论常被称为自动调节原理，随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成（在1960年前后），开始广为使用现在的名称。5、发展过程1.萌芽阶段:早在古代，劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识，发明了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。如我国北宋时代（公元1086～1089年）苏颂和韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台,就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统。2.起步阶段:随着科学技术与工业生产的发展，到十七、十八世纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。1681年法国物理学家、发明家巴本(D.Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调节器；1765年俄国人普尔佐诺夫(I.Polzunov)发明了蒸汽锅炉水位调节器等；1788年，英国人瓦特(J.Watt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器，解决了蒸汽机的速度控制问题，引起了人们对控制技术的重视。3.发展阶段:1932年美国物理学家奈奎斯特(H.Nyquist)提出了频域内研究系统的频率响应法，建立了以频率特性为基础的稳定性判据，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。随后，伯德(H.W.Bode)和尼科尔斯(N.B.Nichols)在1930年代末和1940年代初进一步将频率响应法加以发展,形成了经典控制理论的频域分析法。4.标志阶段:以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具,构成了经典控制理论的基本框架。到20世纪50年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步，形成了相对完整的理论体系，为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。二、现代控制论阶段（50年代末期至70年代初期）现代控制理论，基于时域内的状态空间分析法，着重时间系统最优化控制的研究。1、控制系统的特点为多输入---多输出系统，系统可以是线性或非线性，定常或时变的，单变量与多变量，连续与离散系统。2、控制思路基于时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。3、理论简介：建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。4、理论发展：1智能控制(IntelligentControl)2非线性控制(NonlinearControl)3自适应控制(AdaptiveControl)4鲁棒控制(RobustControl)5模糊控制(FuzzyControl)6神经网络控制(NeuralNetworkControl)7实时专家控制(RealTimeExpertControl)8定性控制(QualitativeControl)9预测控制(PredictiveControl)10分布式控制系统(DistributedControlSystem)三、大系统理论和智能控制理论阶段（八十年代兴起至今）大系统理论，是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息与控制系统。智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人。1、控制系统的特点是指众多因素复杂的控制系统，如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统等[5]2、控制思路基于时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。3、发展事件回顾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,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。4）1967年，Leondes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着促进作用随着社会生产技术的不断提高和要求，自动控制理论日益向更新的高度挺进。3自动控制理论的发展趋势随着社会的需要，自动控制理论也在急剧地发展。目前已进入了第四阶段。其主要发展方向有：稳定性、最优化、定性结构、计算机与控制。自动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。控制理论的深入发展，必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展。4结论自动控制理论受到工程技术领域的高度重视。控制理论经历了经典理论、现代理论，到今天的智能控制，是科学技术高度发展与进步的必然，智能控制是一个新的研究领域，涉及面很广，可以从不同的方向开展理论研究和应用技术研究，促进科学技术迅猛发展。当今社会飞速发展，自动化程度越来越高，更离不开自动控制理论的支持。因此，作为自动化专业的当代大学生，我们应该好好学习自动控制理论，为社会发展奉献出自己的一份力量。主要参考文献：[1]顾幸生,刘漫丹,张凌波.现代控制理论及应用华东理工大学出版社2008.[2]于长官.现代控制理论（第三版）哈尔滨工业出版社2006.[3]张岳,白霞,孙晓红.自动控制原理北京：清华大学出版社[4]杨位钦,谢锡祺.自动控制理论基础,3-5.北京:北京理工大学出版社,1991[5]孙增析.智能控制理论与技术.北京:清华大学出版社，1997[6]张晓江,方敏.“自动控制理论”教学内容发展历程与优化措施北京：中国电力教育出版社，2010.（1）