[原创]控制理论及自动化技术概述

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控制理论及自动化技术概述

(姓名略)

2010年9月17日

信息科学与工程学院

控制理论及自动化技术概述

1 引言

作为大学二年级的学生,本应该对所学专业有所了解,但是由于学校采用大类招生的培养方案,在大学一年级并不分配具体专业,只有到大学二年级才分配具体专业,所以说起来我也只能算作是刚刚步入自动化专业。同时,正因为刚刚进入这个专业的学习,所以在专业课的学习开始之前有必要了解一下本专业的发展历程及研究方向,这正是本文的初衷,另一方面也借此文电子稿的编辑过程来检验并锻炼自己的文档编辑技能。

2 控制理论与自动化技术的发展简史

2.1 自动控制与自动化的异同

对于自动控制与自动化这两个词,有时它们是共用的,有时稍微有一些区别。在学术上,一般的讲,自动化是指机器或装置在无人干预的情况下,按照规定的程序或指令自动地进行预定的操作或运行,其主要研究人造系统的控制问题;而自动控制除了包括上述研究外,还研究社会、经济、环境等非人造系统的控制问题。显然,自动控制

的内容比自动化广泛得多。但就工程系统的自动控制而言,自动化和自动控制是非常接近的。

2.2 控制论与自动控制理论的异同

这是两个很容易混淆的概念。但必须说明的是,“控制论”不等于“控制理论”或“自动控制理论”。

控制论是研究动物、机器、自然和社会等系统中控制、反馈和通信的共同规律的科学。

自动控制理论是作为自动控制这门工程技术的理论指导而存在的,它是控制论出现之前将通信、控制和反馈应用到工程和物理系统,所形成的对自动控制系统一整套分析、设计的数学理论和方法,又称为“伺服机构理论”。但是一般认为“控制论”的一个分支“工程控制论”就是“控制理论”。

2.3 控制理论和自动化技术的发展经历的四个历史时期

2.3.1 18世纪以前——自动装置的出现及应用

人类很早就进行了简陋自动化装置的探索,并留下了很多传说。古代人类在长期的生活与生产实践中,为了减轻自己的劳动,逐渐利用自然界的动力(风力、水力等)部分代替人力、畜力,以及用自动装置代替人的部分繁重的体力和脑力活动。

2.3.1.1 古代自动装置

公元前14世纪至公元前11世纪,中国和巴比伦出现了自动计时装置——刻漏,为人类研制和使用自动装置之始。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、

投币式圣水箱等自动装置。公元3世纪,希腊人发明了水钟。中国的指南车也是广为传说与记载的古代发明,它始于西汉甚至更早,但可能由于其自身的固有缺陷或是有了更为方便的指南工具,指南车并没有真正得到使用。此外,中国古代的自动装置还有记里鼓车、著名科学家张衡发明的浑天仪、水运气象台等。

2.3.1.2 近代自动装置

17世纪以来,随着生产的发展,在欧洲一些国家相继出现了多种自动装置,其中比较典型的有:法国物理学家帕斯卡(Pascal)在1642年发明的加法器;荷兰机械师惠更斯(Huygens)于1657年发明的钟表;英国机械师E.李(Lee)在1745年发明的带有风向控制的风磨;俄国机械师波尔祖诺夫发明的为蒸汽机锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。

2.3.2 18世纪末至20世纪30年代——自动化技术的形成时期

自动化技术的形成是在工业革命时代,社会的需要是自动化技术的发展动力。自动控制系统在工业革命中得到了广泛地应用,这个时期也就是自动化技术开始形成的时期。

1788年英国机械师J.瓦特(Watt),发明了蒸汽机,同年又发明了离心式调速器,并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,这不仅标志着人类社会工业革命的开始,也标志着自动化技术化和理论化阶段的开始。

1868年法国工程师J.法尔科(Farcot)发明闭环用的调节器,并把它与蒸汽阀连接起来,操作蒸汽船的舵,他称之为伺服机构

(servo-mechanism)。同年,麦克思威尔发表了著名的关于调节器的论文,对反馈理论进行了深入的研究;英国物理学家J.C.麦克斯威尔(Maxwell)用微分方程描述并总结了调节器控制蒸汽机的理论,推导出系统稳定的条件。1877年,英国数学家E.J.劳斯(Routh)提出一般系统稳定性的代数判据,沿用到现在。1895年,德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式,即著名的胡尔维茨判据。劳斯-胡尔维茨稳定判据是当时能事先判定调节器稳定性的重要判据。1892年,俄国数学家李雅普洛夫发表《论运动稳定性的一般问题》的专著,从数学方面给运动稳定性的概念下了严格的定义,并研究出解决稳定性问题的两种方法:李雅普洛夫第一法和李雅普洛夫第二法。进入20世纪以后,工业生产中广泛应用各种自动调节装置,促进了对调节系统的分析和综合的研究。到了20世纪20——30年代,美国开始在工业生产中使用PID调节器(比例积分微分调节器),它们迄今还在各国许多工厂中采用。1927年,美国电气工程师H.布莱克(Black)引入的反馈(feedback)的概念,使人们对自动调节系统中反馈控制(feedback control)的结构有了更深刻地认识。1932年,美国电信工程师N.奈奎斯特(Nyquist)提出著名的基于频率法的稳定判据。上述稳定判据加上1922年美国工程师N.米诺尔斯基(Minorsky)《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国科学家H.L.黑曾(Hazen)发表的《关于伺服机构理论》论文标志着经典控制理论(classical control theory)的诞生。

2.3.3 20世纪40——50年代——局部自动化时期

20世纪40年代是自动化技术和理论形成的关键时期,一批科学家为了解决军事上提出的火炮控制、鱼雷导航、飞机导航等技术问题,逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。

1943——1946年,美国研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机——电子数字积分和自动控制器(ENIAC)。电子数字计算机为20世纪60——70年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程创造了条件。1945年,美国数学家N.维纳等几位科学家将控制系统中的反馈、通信等概念推广到生物等系统。1946年,美国福特公司的机械师D.S.哈德首先提出用“自动化”一词来描述生产过程的自动操作。1947年,建立第一个生产自动化研究部门。1948年,美国电信工程师W.埃文斯(Evans)提出的根轨迹法加上前述代数稳定判据和传递函数、依据频率响应的频率法判据,奠定了适用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。频率法成为分析和设计线性自动化控制系统的主要方法。同年,维纳出版了名著《控制论》(Cybernetics)一书,为控制论奠定了基础,并震动了全球的科学界。1952年,J.迪博尔德以自动化命名的第一本书《自动化》出版。1954年,中国科学家钱学森全面的总结和提高了控制论在工程系统上应用的理论,旅美期间出版了用英语书写的,在世界上很有影响的《工程控制论》(Engineering Cybernetics)一书,并为控制论开辟了一个新的分支。

2.3.4 20世纪50年代末起至今——综合自动化时期

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