1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史

自動(dòng)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(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程中的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。區(qū)別于人工控制，自動(dòng)控制技術(shù)的出現(xiàn)不僅將人類從危險(xiǎn)、繁重的勞動(dòng)中解放出來，還極大提高了生產(chǎn)效率。但要完全替代人在生產(chǎn)過程中的監(jiān)督、調(diào)節(jié)作用，單一的控制技術(shù)是不夠的，還需要將多種控制方法相結(jié)合，這就形成了自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷豐富，派生了一門相應(yīng)的學(xué)科——自動(dòng)控制理論。自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制科學(xué)的核心，其發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。

1.第一階段：萌芽階段

從社會(huì)生活到工業(yè)生產(chǎn)，中國古人的智慧總是一次又一次地帶給人們驚喜。早在兩千多年前的黃帝時(shí)代，我國就發(fā)明了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)——指南車。如圖1-18所示，指南車是一種馬拉的雙輪裝置，車廂上有一個(gè)伸著手臂的木人，內(nèi)部有一套自動(dòng)離合的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。使用前需調(diào)整木人的手臂，使其指向正南方。當(dāng)車子朝正前方前進(jìn)時(shí)，車輪和齒輪是分離的，木人手臂始終指向正南方。若車子在行進(jìn)過程中向左轉(zhuǎn)彎（偏離正南方向），此時(shí)車轅前身向左移動(dòng)，而后端向右移動(dòng)。這樣的變化使得右側(cè)傳動(dòng)齒輪放落，帶動(dòng)木人下方的大齒輪向右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抵消了車子向左轉(zhuǎn)彎的影響。同理，當(dāng)車子向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，左側(cè)的傳動(dòng)齒輪放落，帶動(dòng)木人下方的大齒輪向左轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消車子向右轉(zhuǎn)彎的影響。

2.第二階段：經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)40～60年代）

除了指南車，極具聰明才智的古人還發(fā)明了如銅壺滴漏、候風(fēng)地動(dòng)儀、水運(yùn)儀象臺(tái)等自動(dòng)控制裝置。但是，由于長期的封建統(tǒng)治，這些科學(xué)技術(shù)在古代的中國并沒有得到重視和發(fā)展。到了18世紀(jì)，歐洲工業(yè)革命拉開序幕，自動(dòng)控制技術(shù)被逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。直到1788年，瓦特發(fā)明了離心式飛擺控速器，以此來調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)的速度，它的出現(xiàn)為經(jīng)典控制理論拉開了序幕。

從1788年到1868年的幾十年中，人們對(duì)自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)還處于“經(jīng)驗(yàn)主義”階段，沒有強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)作為支撐。所以在這一時(shí)期設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)振蕩、性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象，而又沒有相應(yīng)的理論知識(shí)來分析和解決這些問題。直到19世紀(jì)下半葉，科學(xué)家們開始了對(duì)控制系統(tǒng)理論的探索。

1868年，為了解決離心式飛擺控速器控制精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，麥克斯韋對(duì)瓦特的調(diào)速器建立了線性微分方程并發(fā)表在論文《論調(diào)速器》中，該論文提出了簡(jiǎn)單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，指出系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。麥克韋斯因此成為了第一個(gè)對(duì)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性在理論上進(jìn)行分析并發(fā)表論文的人。但是，由于高階方程沒有直接的求根公式，想要求特征方程的根來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性就比較困難。為了解決這一問題，勞斯于1877年提出根據(jù)特征方程的系數(shù)判斷高階線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)——?jiǎng)谒古袚?jù)。1895年，赫爾維茨也提出了類似的判據(jù)——赫爾維茨判據(jù)。勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)的出現(xiàn)為人們判斷更復(fù)雜高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。

早期的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制目的單一，勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)基本能夠滿足工程上的需求。二戰(zhàn)爆發(fā)后，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，對(duì)控制器提出了更高的要求，因此經(jīng)典控制理論在這段時(shí)間得到了進(jìn)一步發(fā)展。在這期間，1932年奈奎斯特利用頻率特性表示系統(tǒng)，提出了頻域穩(wěn)定性判據(jù)，為具有良好動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)穩(wěn)定性的軍用控制系統(tǒng)提供了分析方法。之后，伯德提出了頻域響應(yīng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖法，完善了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的頻域分析方法。

二戰(zhàn)結(jié)束后，美國數(shù)學(xué)家維納于1948年出版了《控制論——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》一書，為控制理論的誕生奠定了基礎(chǔ)。1954年，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森結(jié)合控制理論在工程中的實(shí)踐，出版了《工程控制論》一書，標(biāo)志著經(jīng)典控制理論已基本成熟。

3.第三階段：現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60～70年代）

任何學(xué)科的發(fā)展都不可能脫離其他科學(xué)技術(shù)而單獨(dú)發(fā)展，控制技術(shù)的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如函數(shù)分析、現(xiàn)代代數(shù)等和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為控制理論的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力，促使經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)代控制理論是一種以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的控制方法，本質(zhì)上是一種時(shí)域分析法。其克服了經(jīng)典控制理論的局限性，將研究對(duì)象擴(kuò)展到非線性控制系統(tǒng)、多輸入-多輸出系統(tǒng)，是人類在自動(dòng)控制理論上的又一次飛躍。這一時(shí)期的主要代表人物有貝爾曼、卡爾曼、龐特里亞金、羅森布洛克等。1956年，美國數(shù)學(xué)家貝爾曼提出了最優(yōu)控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法；3年后，美國數(shù)學(xué)家卡爾曼又提出了著名的卡爾曼濾波器，以及系統(tǒng)的能控性和能觀性；1956年，蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出了極大值原理。1960年年初，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。

4.第四階段：大系統(tǒng)理論與智能控制階段（20世紀(jì)70年代末至今）

伴隨著社會(huì)需求的改變和各種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論已經(jīng)難以滿足時(shí)代的需求。在這樣的背景下，控制理論的發(fā)展進(jìn)入了第四階段：大系統(tǒng)理論與智能控制階段。其中，“大系統(tǒng)理論”是控制理論在廣度上的拓展，是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、目標(biāo)多樣、功能綜合的工程和非工程大系統(tǒng)的自動(dòng)化和有效控制的理論。而智能控制是控制理論在深度上的延伸，依托于計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科，主要用來解決傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。

有了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的鋪墊，第四階段的控制理論開始追求穩(wěn)定、最優(yōu)化、定性結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)與控制。迄今為止主要形成了以下控制理論和方法。

1）20世紀(jì)60年代初期，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，Smith提出采用性能模式識(shí)別器來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制法。

2）1965年，美國控制論專家Zadeh提出模糊集論（主要內(nèi)容是模糊數(shù)學(xué)），為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了數(shù)學(xué)工具。

3）1966年，Mendel進(jìn)一步在空間飛行器的學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù)，并提出了“人工智能控制”的概念。

4）1967年，Leondes和Mendel首次提出了“智能控制”一詞。

5）20世紀(jì)70年代初，傅京孫、Gloriso、Saridis三人提出了分級(jí)遞階智能控制。

6）20世紀(jì)70年代中期，Mamdani設(shè)計(jì)了運(yùn)用模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器。

7）1985年，IEEE在美國首次召開了智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。