論自動控制理論的發(fā)展歷程

1、    論自動控制理論的發(fā)展歷程    劉頊摘 要：自動控制經(jīng)過數(shù)十年世界范圍的發(fā)展，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學技術(shù)領(lǐng)域中，都有著十分重要的作用。這些年，自動控制理論在各領(lǐng)域都有著極廣泛的應(yīng)用。本文旨在對自動控制理論的發(fā)展及趨勢進行綱領(lǐng)性分析和探討，加深對自動控制理論的了解與進一步認識。關(guān)鍵詞：自動控制理論；發(fā)展；現(xiàn)狀；未來展望引言隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)發(fā)展，自動控制技術(shù)在不斷進步、不斷完善起來?？刂评碚撓蚋v深、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，無論在數(shù)學工具、理論基礎(chǔ)、還是在研究方法上都產(chǎn)生了實質(zhì)性的飛躍，在信息與控制學科研究中注入了

2、蓬勃的生命力，啟發(fā)并擴展了人的思維方式，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰倪\動機理。1 自動控制理論的簡介1.1 自動控制的定義自動控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。自動控制是工程科學的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支。1.2 自動控制理論的基本概念在已知控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，求取系統(tǒng)

3、的各項性能指標，并找出這些性能指標與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系就是對自動控制系統(tǒng)的分析，而在給定對象特性的基礎(chǔ)上，按照控制系統(tǒng)應(yīng)具備的性能指標要求，尋求能夠全面滿足這些性能指標要求的控制方案并合理確定控制器的參數(shù)，則是對自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。1.3 自動控制的歷史利用反饋來控制系統(tǒng)有著悠久的歷史。最早的反饋控制出現(xiàn)在公元前330年的古希臘，運用在一種改進的浮球控制器裝置上?，F(xiàn)代歐洲的第一個反饋系統(tǒng)出現(xiàn)在15世紀荷蘭人發(fā)明的溫度控制器中。18世紀，瓦特的蒸汽機離心調(diào)速器被公認是第一臺應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的自動反饋控制器，這是將自動控制技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)中的最早代表。1932年奈奎斯特提出了研究控制系統(tǒng)的頻率發(fā)

4、。1948年伊文思提出了根軌跡法，這兩大重大貢獻，是自動控制理論和控制技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。建立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的控制理論成為經(jīng)典控制理論。第二次世界大戰(zhàn)前，美國和西歐的自動控制理論，在發(fā)展方式上與俄國和東歐有很大差別。在美國，應(yīng)用反饋的主要促進因素是電話系統(tǒng)的發(fā)展。與此相反，前蘇聯(lián)接觸的數(shù)學家和機械學家在控制理論領(lǐng)域占主流。因此，俄國的理論更傾向與運用不同方程的時域公式。2 自動控制基本理論的發(fā)展簡史2.1 穩(wěn)定性理論的早期發(fā)展人們很早就開始關(guān)注穩(wěn)定性的問題。牛頓可能是第一個關(guān)注動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的人。動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化起步或加速時的行駛穩(wěn)定性，還可以改進牽引力的特性。2.2

5、 頻域理論的形成智能化在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)理論建立之后，1928年-1945年以美國at&t公司bell實驗室（belllabs）的科學家們?yōu)楹诵?，又建立了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的頻域方法。頻域（頻率域）自變量是頻率，即橫軸是頻率，縱軸是該頻率信號的幅度，也就是通常說的頻譜圖。頻譜圖描述了信號的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該頻率信號幅度的關(guān)系。對信號進行時域分析時，有時一些信號的時域參數(shù)相同，但并不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關(guān)，這就需要進一步分析信號的頻率結(jié)構(gòu)，并在頻率域中對信號進行描述。2.3 根軌跡法1948年，w.r.evans提出了一種求特征根的簡單

6、方法，并且在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。這一方法不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統(tǒng)某一參數(shù)的全部數(shù)值關(guān)系，當這一參數(shù)取特定值時，對應(yīng)的特征根可在上述關(guān)系圖中找到。這種方法叫根軌跡法。根軌跡法具有直觀的特點，利用系統(tǒng)的根軌跡可以分析結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，還可分析參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。3 自動控制技術(shù)的早期發(fā)展在我國古代，具有反饋控制原理的控制裝置就已經(jīng)出現(xiàn)。這方面最有代表性的例子當屬古代的計時器“水鐘”（在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”）。公元235（三國時期）的馬均及公元477年（劉宋時期）祖沖之等還曾制造過具有開環(huán)控制指南車。并發(fā)明

7、了齒輪及差動齒輪機。4 自動控制的發(fā)展前景自動控制是指應(yīng)用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制，使之達到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標。現(xiàn)代化工廠向規(guī)模集約化方向發(fā)展時，生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的可靠性、運算能力、擴展能力、開放性、操作及監(jiān)控水平等方面提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的dcs系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的設(shè)計標準和要求。隨著工業(yè)自動化控制理論、計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向?qū)⑾蛑悄芑?、網(wǎng)絡(luò)化、全集成自動化等方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：4.1 智能化對于各種規(guī)摸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng)，僅僅采用常規(guī)的控制措施是無法完成綜合自

8、動化的。不過人們發(fā)現(xiàn)，如果把人的智能和自動化技術(shù)結(jié)合起來，卻能收到令人滿意的效果。關(guān)于智能控制，目前尚無統(tǒng)一的定義。有一種觀點認為智能控制是自動控制、運籌學和人工智能三個主要學科相互結(jié)合和滲透的產(chǎn)物，這種觀點包含了兩層含義，一方面它指出了智能控制產(chǎn)生的背景和條件，即人工智能理論和技術(shù)的發(fā)展及其向控制領(lǐng)域的滲透，以及運籌學中的定量優(yōu)化方法逐漸和系統(tǒng)控制理論相結(jié)合，這樣就在理論和實踐兩方面開辟了新的發(fā)展途徑，提供了新的思想和方法，為智能控制的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.2 網(wǎng)絡(luò)化隨著互連網(wǎng)技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，未來的企業(yè)為了適應(yīng)經(jīng)濟全球化的發(fā)展需要，多將通過以太網(wǎng)接口，建立基于windowsn

9、t或windows2000構(gòu)成的企業(yè)級局域網(wǎng)，控制系統(tǒng)與管理層和現(xiàn)場儀表級的數(shù)據(jù)交換日益增加，控制系統(tǒng)的計算機與財務(wù)、銷售和管理層的計算機實現(xiàn)連網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，極大地提高企業(yè)的管理水平。連網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如企業(yè)局域網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。企業(yè)管理級各網(wǎng)絡(luò)間可以采用標準以太網(wǎng)相互連接。管理級的各通訊網(wǎng)絡(luò)可以采用多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型），其中星型拓撲結(jié)構(gòu)以高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、建網(wǎng)容易、節(jié)點故障容易排除等優(yōu)點被大量采用。4.3 全集成自動化自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的飛速進步，自動化控制的概念也發(fā)生著巨大的變化。在傳統(tǒng)的自動化解決方案中，自動化控制實際上是由各種獨立的、分離的技術(shù)和不同廠家的產(chǎn)品搭配起來的?，F(xiàn)在用的工業(yè)用機器人實現(xiàn)了高度的自動化，即一旦程序確定，就不需要更多的人工干預(yù)了。但是這些機器人對于周圍的環(huán)境變化無法靈活響應(yīng)，這也是計算機科學應(yīng)該著重解決的一個問題。先進的機器人系統(tǒng)通過革新傳感器的反饋功能可以達到靈活的目的。結(jié)束語隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)在宇航、機器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也愈來愈深入廣泛。不