[原创]控制理论及自动化技术概述

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
自20世纪50年代开始，自动控制作为提高生产率的一种重要手段开始了推广应用。

它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化；在石油、化工、冶金等连续生产过程中的应用，对大规模的生产设备进行控制和管理，形成了过程自动化。

20世纪50年代末到60年代初，大量的工程实践，尤其是航天技术的发展，涉及大量的多输入多输出系统的最优控制问题，这用经典的控制理论已难以解决，于是产生了以极大值原理、动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。

1956年，前苏联数学界Л.胖特里亚金提出极大值原理。

同年美国数学家R.贝尔曼（Bellman）创立动态规划(dynamic programming)。

两者为解决最优控制问题提供了理论工具。

1960年，美国数学家R.卡尔曼(Kalman)提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。

卡尔曼还引入状态空间法(state space method)。

这些新概念和新方法标志着现代控制理论(modern control theory)的诞生，并形成了多个重要分支。

20世纪60年代中期以后，现代控制理论在自动化中的应用，特别是在航空航天领域的应用，产生了一些新的控制方法和结构。

与此同时，模式识别和人工智能也发展起来，出现了智能机器人和专家系统。

20世纪70年代中期，自动化的应用开始面向大规模、复杂的系统，它不仅要求对现有系统进行最优控制和管理，而且还要对未来系统进行最优筹划和设计。

运用现代控制理论方法已不能取得应有的成效，于是出现了大系统理论与方法。

20世纪80年代初，随着计算机网络的迅速发展，管理自动化取得较大进步，出现了管理信息系统、办公自动化、决策支持系统等。

20世纪末，随着计算机和网络的逐步普及，管理自动化开始发挥越来越大的作用。

在企业界，生产装置的控制与管理的自动化正融为一体。

同时，大系统的优化和最优控制、机器人、航天技术等都预示着一个智能化、系统化的自动化技术时代已经开始。

综合控制理论与自动化技术发展的百年历程，其发展历史就是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展器官功能的历史。

自动化是现代科学和现代工业的结晶，它的发展充分体现了科学技术的综合作用，尤其是电子信息科学技术各学科的综合作用。

3 自动控制系统
3.1 控制系统的原理
(1)通过测量元件检测输出量的实际值；
(2)将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较，得到偏差信号；
(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。

3.2 控制系统的组成
作为一个典型的反馈控制系统，它应包括反馈元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件。

(1)反馈元件：该元件的功能是对系统输出量的实际值进行量测，将它转换成反馈信号，并使反馈信号变为与给定输入信号同类型、同数量级的物理量。

它们通常是一些用电量来测量非电量的元件，例如
各种传感器。

(2)给定元件：产生系统的给定(输入)信号的元件。

(3)比较元件：用来接收输入信号和反馈信号并进行比较。

(4)放大元件：对偏差信号进行信号放大或功率放大的元件。

(5)执行元件：在控制信号作用下，进行功率放大，直接推动被控对象，使被控对象发生变化的环节。

(6)校正元件：用以稳定控制系统，提高控制性能的环节。

校正分为并联校正和反馈校正。

3.3 对控制系统的基本要求
控制系统应用于不同场合和目的，其要求也往往不同。

但自动控制技术是研究各类控制系统共同规律的一门技术，因此对控制系统也有一定的共同的要求，即稳定、精确、快速。

(1)稳定性：一个控制系统要能有预定的控制作用，系统必须是稳定的，因此稳定性是对控制系统的首要要求；
(2)快速性：所谓快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，它是在系统稳定的条件下提出的；
(3)精确性：控制系统的精确性即控制精度，一般用稳态误差来衡量。

所谓稳态误差是指一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值。

3.4 自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法很多，按照不同的标准可以分为不同
的类型。

3.4.1 根据有无反馈控制作用可以分为开环控制和闭环控制。

(1)开环控制：如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统；
(2)闭环控制：如果系统的输出端和输入端之间存在着反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。

3.4.2 根据系统输入信号的变化规律分类，控制系统可以分为恒值控制系统、程序控制系统、随动系统。

(1)恒值控制系统：系统的输入量是一恒定值，输入量一经给定，在运行过程中就不再改变，这样的系统称为恒值控制系统；
(2)程序控制系统：当输入量为已知给定的时间函数时，称为程序控制系统；
(3)随动系统：系统的输入量是未知的，即给定量的变化规律是不能预先确定的。

随动系统也称为伺服系统。

3.4.3 按系统的数学模型分为线性系统和非线性系统。

能用线性微分方程描述的系统，称为线性控制系统，其重要特点是满足叠加原理。

不能用线性微分方程描述的系统，称为非线性控制系统，其重要特点是含有非线性元件。

3.4.4 按系统内部的信号特征分类，控制系统可以分为连续控制系统和离散控制系统。

3.4.5 按系统组成元件的物理性质又可分为电气控制系统、机械控制
系统、液压控制系统、气动控制系统、机电控制系统。

4 控制理论和自动化技术展望
现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要的条件。

目前，控制理论和自动化技术研究的热点问题主要包括非线性鲁棒控制、欠驱动机械系统和非完整系统控制、智能控制和集成控制的设计理论与特性研究、免疫控制理论、微控制理论、基于人工生命的控制等。

国外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化。

5 结束语
任何科学都是人类智慧的结晶，它们在历经人类文明几千年的薪火相传后才达到如今的博大精深，无数先贤为了科学的发展呕心沥血，他们是人类文明发展史上的一座座丰碑，永远值得我们缅怀与景仰！
如果追溯到人类对于自动化技术及装置的最初的尝试，那么控制理论和自动化技术学科的发展历程也已有几千年了。

如此漫长岁月的人类智慧积淀造就了如今控制理论和自动化技术在人类生活生产实践中的广泛应用，这对于人类文明进步做出了不可磨灭的贡献。

作为一个初入自动化专业的小辈学生，不得不承认在很多方面自己还处于无知状态。

而本文的出发点只在于梳理本专业的基本发展历程，以期增加自己对本专业的最基本的了解。

在查阅并整理相关资料时，我总是谨小慎微，生怕自己无意中的疏忽大意亵渎了前辈们留下来的宝贵
财富。

即便如此，错误及遗漏之处难免发生，望老师批评指正。

最后，让我们再次缅怀那些为了科学的发展而兢兢业业、呕心沥血奉献的先贤们！正是他们为我们提供了高大有力的肩膀，我们才能看得更远！
6 参考文献
[1]《控制论——概念、方法和应用》；清华大学出版社；万百五，韩崇昭，蔡远利；2009年5月第一版；
[2]《控制工程基础》；北京大学出版社；杨振中，张和平；2007年8月第一版；
[3]《信息学科导论》；中国铁道出版社；施荣华，张祖平；2009年10月第一版；
[4]《控制理论教学中系统思维的培养》；张文华；《中北大学学报》；2007年第23卷增刊；
[5] 《学习控制的现状与展望》；许建新，侯忠生；《自动化学报》；第31卷第六期；
[6]《控制理论发展历程的简要回顾》；张大为；《控制工程》；2006年5月第13卷增刊；
[7]《现代控制理论与经典控制理论的对比研究》；王传波，刘旸；《机械管理开发》2006年6月第三卷；
[8]《应用控制理论实现反馈控制》；黄团华，刘亚利，尹炎，宋海宏；《工业仪表和自动化装置》2005年第6期。