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

入－多输出系统，尽管人们做了很多尝试，但是，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；3．经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也不是最佳的，人们自然提出这样一个问题，即对一个特定的应用课题，能否找到最佳的设计。综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成特定任务。即便对这些极简单的对象、对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展：对经典理的精确化、数学化及理论化。

3，现代控制理论的形成和发展

现代控制理论中首先得到透彻研究的是多输入多输出线性系统，其中特别重要的是对刻划控制系统本质的基本理论的建立，如可控性、可观性、实现理论、典范型、分解理论等，使控制由一类工程设计方法提高为一门新的科学。同时为满足从理论到应用，在高水平上解决很多实际中所提出控制问题的需要，促使非线性系统、最优控制、自适应控制、辩识与估计理论、卡尔曼滤波、鲁棒控制等发展为成果丰富的独立学科分支。在50年代蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展的支持下，控制理论在1960年前后有了重大的突破和创新。在此期间，贝而曼提出寻求最优控制的动态规划法。庞特里亚金证明了极大值原理，使得最优控制理论特得到极大的发展。卡而曼系统地把状态空间法引入到系统与控制理论中来，并提出了能控性、能观测性的概念和新的滤波理论。这些就构成了后来被称为现代控制理论的发展起点和基础。

现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和揭示了系统的内部状态和性能。它分析和综合的目标是在揭示系统内在规律的基础上，实现系统在一定意义下的最优化。它的构成带有更高的仿生特点，即不限于单纯的闭环，而扩展为适应环、学习环等。较之经典控制理论，现代控制理论的研究对象要广泛得多，原则上讲，它既可以是单变量的、线性的、定常的、连续的，也可以是多变量的、非线性的、时变的、离散的。现代控制理论具有以下特点：

１．控制对象结构的转变控制对象结构由简单的单回路模式向多回路模式转变，即从单输入单输出向多输入多输出。它必须处理极为复杂的工业生产过程的优化和控制问题。

2．研究工具的转变（1）积分变换法向矩阵理论、几何方法转变，由频率法转向状态空间的研究；（2）计算机技术发展，由手工计算转向计算机计算。

3．建模手段的转变由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识的统计建模方法。

现代控制理论的发展同其他学科一样，依赖于工业、科学、技术提出的越来越高的要求。“现代控制理论”这一名称是1960年卡尔曼的著名文章发表后出现的。而在此之前，钱学森

教授在五十年代就已发表了《工程控制论》的专著，并为当时几乎所有论文以突出形式加以引用。工程控制论，从广义上看，是控制学科最具远见卓识的科学预见与理论，现代控制理论只是其一分支。现代控制理论的进一步发展包括以下方面：

(1)建模和系统辨识

建模就是指建立系统数学模型，使其能正确反映系统输入、输出之间的基本关系。它是对系统进行分析和控制的首要工作，直接决定着控制的成败。由于系统比较复杂，往往不能通过解析的方法直接建模．而主要是在系统输入、输出的实验数据或运行数据的基础上，从一类给定的模型中，确定一个被研究系统本质特征等价的模型。如果模型的结构已经确定，只需确定参数，就是参数估计问题。若模型的结构和参数需同时确定，就是系统辨识问题。系统辨识已经应用在自适应控制、优化控制、预测控制、故障诊断等。

(2)最优控制理论

最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，也是现代控制理论的核心内容之一。主要研究被控系统在给定性能指标时，实现最优的控制规律和方法。用于综合最优控制系统的主要方法是极大值原理和动态规划。目前，集中参数最优控制理论和方法已趋成熟，而分布参数最优控制、随机最优控制、大系统的最优控制仍在研究和发展之中。最伏控制应用在许多地方，如多台电机协调运转的最优控制、玻璃窑炉燃烧过程白寻最优控制、自动焊接装置的最优控制及城市道路交叉口交通的最优控制等。

(3)自适应控制理论

随着被控对象动态特性变化(不确定性)而改变其控制器自身特性的控制系统，称为自适应控制系统；而关于自适应控制系统的分析与设计的理论，则称为自适应控制理论。它主要研究的基本问题是○1认识被控对象的动态特性(辨识)；○2构造适应这种特性的控制器；○3用算法实现这种控制器。

自适应控制是控制理论应用于实际的关键问题，它正朝着自学习、自组织及智能控制等方向发展。它已在船舶驾驶、过程控制中得到成功的应用。

(4)遥感、遥测和遥控

20世纪20年代，遥测和遥控开始在铁路信号和道岔控制上实际应用。到了20世纪40年代，对大电力系统，石油、天然气管道输送系统等应用了遥测和遥控。遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量，如对大电力网上某点电压或频率的测量。遥控就是对被控对象进行远距离控制，例如，从调度中心端对大电力网上某个电站机组的启动控制。

最初的遥测、遥控系统采用有线信道。第二次世界大战期间无线电遥控、遥测得到迅速发展，特别是航天技术的需要，而使它得到迅速的发展。例如，宁宙飞船航天员的生理情况(体温、血压及心率等)，由传感器测量后，通过遥测无线电通信道传至地面监控站。而监控站也可对飞船中的设备通过无线电通信道进行操纵或控制。

20世纪60年代以后，遥感技术得到了迅速发展。遥感就是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获

得关于目标物(如矿藏、森林、作物产量等)的信息。现已应用在农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、环境保护和军事侦察等领域。

4，智能控制理论的形成和发展

智能控制理论是一个很大的研究领域。经过八十年代的孕育发展，特别是近几年的研究和实践，国际上已认识到采用智能控制是解决复杂系统控制问题的主要途径，目前有很多智能控制方法已投入使用。在目前发表的工程类文献中，从现代控制理论向智能化发展的研究越来越多，如带有智能功能的传统控制（自适应控制、鲁棒控制等），基于传感器或行为的智能反馈控制，学习控制和循环控制，故障诊断及容错控制，以生产调度管理控制为背景的离散事件系统研究，机器人班组自组织协调控制，自主控制，以及控制系统的智能化设计等等。另外，用人工智能方法解决控制问题的研究也越来越多，如：决策论、带有专家系统的监控、预警及调度系统，用神经元网络实现控制的系统，基于符号表示、模糊逻辑等设计的控制系统，模式识别与特征提取，智能机的应用等。特别是近年来对现场人工智能的研究更将人工智能的研究成果成果用于智能控制的道路上大大前进了一步。当前在许多专业化学科与工程中，针对特定对象的具体复杂性，综合应用各种智能控制策略，力求实现具体3C系统的智能控制，如机器人研究中的智能机器人，航空航天工程中空间机器人的自主控制，以智能材料为基础的智能工程等。另一方面，更为抽象的一般智能原理的研究，如“拟人”与“拟社会”原理、分解集结原理、递阶控制。

智能控制理论及系统具有下面几个鲜明的特点：

第一，在分析和设计智能控制系统时，重点不要放在传统控制器的分析和设计上，而要放在智能机模型上,也就是说不要把重点放在对数学公式的描述、计算和处理上!实际上一些复杂大系统可能根本无法用精确的数学模型进行描述"，而要把重点放在对非数学模型的描述、符号和环境的识别、知识库和推理机设计和开发等上面来。

第二，智能控制的核心是高层控制，其任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。

第三，智能控制是一门边缘交叉学科，傅京孙教授首先提出了智能控制的二元交集理论!即人工智能和自动控制的交叉，美国的塞利德斯与1977把傅京孙的二元结构扩展为三元结构!即人工智能、自动控制和运筹学的交叉，后来中南工业大学的蔡自兴教授又将三元结构扩展为四元结构!即人工智能、自动控制、运筹学和信息论的交叉，从而进一步完善了智能控制的结构理论。

第四，智能控制是一个新兴的研究和应用领域，有着极其诱人的发展前途。自从“智能控制”概念的提出到现在，自动控制和人工智能专家和学者已经提出了各种智能控制理论，有些已经在实际中发挥了重要作用。

5，控制理论的发展趋势

在 20世纪自动控制领域的成果与应用成就的基础上，面向21 世纪控制理论的发展趋势为：

（1）复杂系统建模与发展。为了满足当前高新技术发展的需要，研究大规模复杂系统的建模与仿真工作已很迫切。这将涉及多层面、多分辨率的建模以及在聚合／解聚作用下不同分辨率模型间的平滑一致性转换、各种分析模型与知识模型之间的集成，以及在控制与决策过程中的优化调度与灵活运用。

（2）新型控制系统结构、方法与算法的研究：有关分布式分层递阶控制，非完全控制，可组态控制，进化控制计算法，自组织自学习控制，综合集成优化方法，智能化控制等。

（3）混杂控制系统理论与应用：该理论是近年来发展很快和倍受重视的研究领域，其特征是将离散系统和连续过程系统集成在一个框架结构内进行分析、综合与优化设计。反馈与优化仍是其核心主题，开展该系统的研究将涉及微分、代数、数学逻辑与时序逻辑、基于的分布式人工智能、网络等多种学科。可以认为，混杂控制系统理论及应用是新世纪控制学界开辟的一个具有里程碑意义的研究领域。

（4）非线性控制系统理论及应用：它仍然是控制科学中倍受重视的领域，近来发展很快，已在构造性递归设计等方面取得重要进展。该系统未来的成功，将有赖于获取能提供清晰的简单模型，这对防止出现过于复杂的非线性控制器是十分必要的。

（5）微观控制或纳米控制技术的研究：随着制造业向纳米级微观层次发展，控制的理论方法与技术应是这种新环境的需要，可以认为微观控制将是可实现及发挥其重要作用的高新技术。实质上讲，该技术是以力学为基础的，因此，检测、建模、控制和实现等概念都会有根本性的变革，其核心仍是反馈上优化。

（6）智能机器人系统：机器人——新时代人类的宠儿！近几年来已取得极大地发展，智能机器人是开创未来的工作，它包含感知、思维和动作功能，此人机交互技术，遥控自主、虚拟现实技术，仿生和微机器人是极有发展前途的领域。

（7） CIMS与智能制造系统：它在世纪必将会有更大地发展，将硬件动态系统和混杂控制系统的理论及技术成果融为一体。

（8）大规模复杂工业过程智能化控制与决策。这种控制和决策一直受到控制学科和工业界的极度重视，包括动力、冶炼和大型化工生产过程等。对这类系统的优化控制应特别注意正在高速发展的计算机网络（如Internet 等），环境资源和基于的分布式人工智能、计算机智能技术。至于智能控制的发展，它将包含：自适应模糊控制系统、模糊控制系统的分析与设计、神经网络在非线性系统建模控制中的应用，遗传算法和进化计算应用于系统建模与控制系统设计。其应用涉及到控制系统设计、故障检测与诊断，机器人控制、电力系统的负荷预测与控制、化学反应器建模与控制、高速列车控制、空中交通管理与飞行器控制、自主式农用车辆、人工气候控制、金融预测等。

二，控制系统的发展历史及趋势

1，控制系统的发展历史

伴随着控制理论的发展，控制系统也在相应的发展和更新，以下对各个阶段的控制系统进行介绍。

（1）PLC可编程序控制器系统

PLC于20世纪60年代末在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过乱用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能，有连续PID控制等多功能，也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。主要用于工业过程中的顺序控制，PLC在控制系统中的地位是无可争议。近几年来，PLC可编程序控制器及组成系统在我国冶金、电厂、轻工石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。

（2）DCS分散控制系统

由于工业生产过程是一个分散系统，用户往往关心的不只是一个控制系统，因为它只是整个生产过程的一部分。他需要了解、控制整个控制系统。例如，电厂生产原料是煤、水，而制成品是电。因此生产过程控制的方式最好是分散进行，而监视、操作和最佳化管理应以集中为航随着工业生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，过程参数日益增多，控制回路越加复杂，在20世纪70年代中期产生了集散控制系统DCS，他一经出现就受到工业控制界的青睐。DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。相继有几十家美国仪表公司也推出自己的系统。由：YDCS的高额利润，负责制造传动设备的公司和计算机公司也开始涉及DCS的开发、生产，导致各公司开发生产的DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。传动公司设计的PLC部分比较好。计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。（3）FCS现场总线控制系统

20世纪90年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化控制技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来了一场前所未有的革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化控系统的新纪元。现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4至20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、

控制组态、诊断、报警、记录)的发展。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，FCS既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。

FCS系统的本质是信息处理现场化。随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。

分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。

现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通;而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。

由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、L/O卡及I/O端口，这样就节省了L/O装置及装置室的空间;同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A//D变换，使仪表精度得到极大的提高;通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2至5次增加到每秒调节10至20次，改善了调节性能。

FCS具备了DCS与PLC的特点，无论是FCS或者是DCS还是PLC，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能;而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。

总之FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS倾应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿

之势，DCS则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。可以这样说，DCS处于控制系统中心地位的局面从此将被打破，一个崭新的数字化控制时代将展现在我们的眼前。

2，控制系统的发展趋势

现场总线的崛起是控制理论领域发展趋势的标志，控制系统的智能化、分散化、网络化成为了其发展趋势。半个多世纪以来，控制体系历经基地式仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)等4代过程控制系统，当前我国水工业自动化的主流水平即处于以PLC为基础的DCS系统阶段。与早期的一些控制系统相比，DCS系统在功能和性能上有了很大进步，可以在此基础上实现装置级、车间级的优化和分散控制，但其仍然是一种模拟数字混合系统，从现场至PLC或计算机之间的检测、反馈与操作指令等信号传递，仍然依靠大量的一对一的布线来实现。这种信号传递关系称之为信号传输，而不是数据通信，难以实现仪表之间的信息交换，因而呼唤着具备通信功能的、传输信号全数字化的仪表与系统的出现。从而由集散控制过渡到彻底的分散控制。现场总线技术将专用的CPU置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，即所谓“智能化”；采用可进行简单连接的双绞线、I—J轴电缆等作为联系的纽带，把挂接在总线上作为网络节点的多个现场级测控仪表连接成网络，并按公开、规范的通信协议，使现场测控仪表之间及其与远程监控计算机之问实现数据传输与信息交换，形成多种适应实际需要的控制系统，即所谓“网络化”；由于这些网上的节点都是具备智能的可通信产品，因而它所需要的控制信息(如实时测量数据)不采取向PLC或计算机存取的方式，而可直接从处于同等层上的另一个节点上获取，在现场总线控制系统(FCS)的环境下，借助其计算和通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高了系统的自治性和可靠性。FCS成为发展的趋势之一，是它改变了传统控制系统的结构，形成了新型的网络集成全分布系统，采用全数字通信，具有开放式、全分布可互操作性及现场环境适应性等特点，形成了从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。

目前，国内、外的现场总线有60几种之多，由于这一新技术所具有的潜在而巨大的市场前景，在商业利益的驱动下，导致了近年来制订现场总线国际标准大战。长期以来的标准之争，实际上已延缓了现场总线的发展速度。为了加快新一代系统的发展，人们开始寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转到Ethernet，用以太网作为高速现场总线框架的主传。以太网是计算机应用最广泛的网络技术，在IT领域已被使用多年，已有广泛的硬、软件开发技术支持，更重要的是启用以太网作为高速现场总线框架，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来。在市场经济与信息时代的飞速发展中，企业内部之间以及与外部交换信息的需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来。管控一体化就是建立全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业的横

向通信(同一层不同节点的通信)和纵向通信(上、下层之问的通信)紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。企业信息网络是管控信息集成的基本条件，没有信息网络就不可能实现企业横向和纵向信息的沟通和汇集，建网的目标在于实现全企业范围内的信息资源共享，以及与外部世界的信息沟通。管控一体化解决方案中的现场控制层由现场总线设备和控制网段构成，把传统的集散系统控制站(如水处理企业的PLC分站)的功能分散到了现场总线设备，此时的控制站实际是一个虚拟的控制站。现场总线技术与产品所形成的底层网络，充分发挥其使测控设备具有通信能力的特点，为控制网络的连接提供了方便。

三，结论

以上我们介绍了控制理论和控制系统的发展情况以及它们以后的发展趋势。控制理论已经经历了三代的发展，包括经典控制理论，现代控制理论和智能控制理论，各种控制理论都有各自的优点和缺点以及适用范围。近年来控制理论和控制系统的研究也由以前的单一学科的研究，发展成为单一学科研究和理论交叉研究并存，出现了多种控制方法综合应用的事例，如：模糊变结构控制、自适应控翩模糊控制、专家模糊控制、神经网络变结构控制、神经网络自校正控制、神经网络和专家混合控制、神经网络和模糊混台控制、神经网络内模控制等。我们在应用的过程中应该取长补短，使控制学科能更好的为我们服务。

相信随着控制理论和控制系统在现实生活多方面的应用，人们将会更清楚的看到控制理论和控制系统不足和优点。同样控制理论和控制系统必将得到进一步的完善，以后控制的应用也会创造出更加可观的经济效益。

参考文献

[1]控制论的发展，项国波（电器时代2005.11）

[2]自动化导论，周献中主编（科学出版社2009）

[3]控制论维纳著，郝季仁译（科学出版社1961）

[4]试论自动控制系统的现代特征，王幼鹏（网络财富2010.10）

[5]现代控制理论（第三版），于长官（哈尔滨工业出版社2006）

[6]现代控制理论基础(第2版)，王孝武（机械工业出版社2006）

[7]自动化学科概论，戴先中赵光审编著（高等教育出版社2006）

[8]展示面向21世纪的自动化新技术，秦世引（自动化信息2000.6）

[9]自动控制理论发展综述，王国军、陈松乔（微型机与应用2000.6）

[10]智能控制理论与应用，王顺晃，舒迪前（机械工业出版社1998）

[11]信息爆炸时代的控制，陈虹、马艳编译（控制理论与应用2003.6）

[12]自动化概论，汪晋宽于丁文张健编著（北京邮电大学出版社2006）

[13]浅谈自动控制系统发展过程与展望，范昕林李霞（科苑杂谈2008.7）

[14]自动化技术发展趋势与应用，崔岩宋云辉舒畅（黑龙江水专学报2002.12）

[15]控制理论与控制工程的发展与应用，马继红马凯（邯郸职业技术学院学报2006.12）

[16]自动化仪表与过程控制（第四版）施仁刘文江郑辑光王勇（电子工业出版社2010）