自动控制理论发展历史
自动控制理论发展史
自动控制理论发展史
自动控制理论的发展可以追溯到17世纪，那时法国的理论家和发明家巴斯德(Basil)首次提出了“称量”的概念，这有助于他设计出一种物体重量可以自动调整的测量仪器，他认为，可以在重力的作用下自动控制物体重量的概念。
18世纪初，英国的工程师威廉·劳伦斯（William Lawrence）将该理论应用于蒸汽机的负荷控制，他成功地设计出了一种蒸汽机燃料调节系统，可以根据蒸汽机转速变化自动调节燃料的流量，从而控制蒸汽的压力。
20世纪初，美国科学家威廉·马斯特森（William M. Mason）在理论和实践上发展了自动控制理论，以及它在一些领域的应用，他设计出了第一台自动飞行机器人，以自动调节飞机的高度、速度和航向，由此，自动控制技术被广泛应用于航空领域。
20世纪20年代，美国的科学家弗兰克·迪杰斯特拉普（Frank D.J.Stump）提出了“反馈控制”理论，他完成了大量的实验研究，确定了反馈控制系统的概念和原理。
20世纪30年代，埃利·施蒂利克（Erle S.Steele）开展了反馈控制系统的模拟实验。
1.3自动控制理论发展简史
第一章 自动控制概述
1.3自动控制理论发展简史
自动控制理论发展简史
1.胚胎萌芽期（1945年以前） 自动控制技术广泛应用开始于欧洲工业革命时期 1788年瓦特发明离心式调速器 1868年麦克斯韦发表了“论调速器”，自动控制原理逐步 形成 1892年李雅普诺夫发表 “论运动稳定性的一般问题”
自动控制理论发展简史
3.现代控制理论时期（50年代末-60年代）
空间技术的发展提出了许多复杂控制问题 1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星 1968年美国阿波罗飞船成功登月
催生了第二代控制理论————现代控制理论 以状态为基础的状态空间法，主要研究高性能、高精度
的多变量变参数复杂系统的控制问题
自动控制理论发展简 1927年反馈放大器正式诞生 内燃机的广泛应用，促进了飞机、汽车、船舶、机器制造
业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 第二次世界大战，军事工业发展很快，飞机、雷达、火
炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术 ，搭起了经典控制理论的架子。
•广泛应用于工农 业、国防及日常 生活
自动控制理论发展简史
4.大系统理论和智能控制理论时期（目前）
• 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 朝着 控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制论发展。
• 此外，控制论还用于处理社会、经济、人口、环境等复杂问 题，出现了经济控制论、人口控制论等学科分支。
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自动控制理论发展简史
2.经典控制理论时期（1940-1960）
1945年贝塔朗菲《系统论》 1948年维纳《控制论:或关于在动物和机器中控制和通信的科学》 形成了完整的控制理论体———经典控制理论 以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入-单输 出、线性定常系统的分析和设计问题
自动控制理论发展
自动控制理论发展1. 引言自动控制理论是现代工程学的重要分支之一，它涉及到机械、电子、计算机等多个学科的交叉和融合。
自动控制理论的发展可以追溯到19世纪末，随着科学技术的不断进步和应用领域的拓展，自动控制理论也得到了快速发展。
本文将从自动控制理论的起源，主要发展阶段以及当今的前沿研究领域等方面进行阐述。
2. 起源和发展自动控制理论的起源可追溯到19世纪末的工业革命时期。
当时，由于工业化的快速发展和机械化的需求，人们开始思考如何利用机械设备进行精确的控制。
这促使了自动控制理论的初步形成。
早期的自动控制系统主要基于机械装置，如自动调节阀、机械计算机等。
到了20世纪初，电气技术和电子技术的发展为自动控制理论的进一步发展提供了有力支持。
电气控制系统的出现和使用使得自动控制的范围得到了拓展，如电焊机、电力系统、电梯等。
同时，数学理论和控制理论的发展也为自动控制提供了重要的理论基础。
随着计算机技术的快速发展，自动控制理论进入了一个全新的阶段。
现代的自动控制系统主要基于数字计算机进行控制和计算，大大提高了控制系统的精确性和效率。
同时，人工智能和模糊控制等新兴技术的引入也为自动控制理论的应用带来了更多的可能性。
3. 主要发展阶段3.1 经典控制理论经典控制理论是自动控制理论的最早阶段，主要包括PID控制和频域分析等方法。
PID控制器是最简单且常见的控制器之一，它通过调节比例、积分和微分三个部分的参数来实现控制。
频域分析则是从频率的角度对控制系统进行分析和设计。
3.2 现代控制理论现代控制理论是在20世纪50年代至60年代逐渐发展起来的，它以状态空间方法为基础。
状态空间方法通过将系统的动态描述为一组状态方程，从而实现对系统的精确建模和分析。
这一阶段的代表性成果包括线性系统理论、最优控制理论等。
3.3 非线性控制理论非线性控制理论是自动控制理论的重要发展方向之一。
相比于线性系统，非线性系统的动态行为更加复杂，需要采用不同的建模和控制方法。
自动控制理论发展历史
控制理论的分析自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为以微分方程、传递函数为基础的经典控制理论和以状态空间为基础的现代控制理论。
同时，随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的智能时代。
控制理论早在公元前就有体现，在1400BC-1100BC，中国、埃及和巴比伦就出现自动计时漏壶，而在100年，中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪等等。
而控制理论作为一门科学，它的产生可以追溯到18世纪中叶的第一次技术革命。
1788年瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机；后来，在1922年美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出PID控制方法，这是经典控制理论时期；1954年，美国George Devol研制出第一台工业机器人样机，这是现代控制理论时期。
现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。
在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。
现代控制理论能处理很多系统，线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统，所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。
所谓的自动控制，就是指应用自动化仪表或自动控制装置代替或者部分代替人的直接参与，自动地使运行设备或工业生产过程达到预期的状态或性能指标的一切技术手段，由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体。
自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。
它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。
自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用，广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域，尤其在一些恶劣环境下，比如高温高压有毒等的生产过程中，自动控制显得尤为重要。
自动控制理论发展史
到现在,自动化有关的研究机构越来越细分，如机械工业自动化所、冶金自动化所等。自动化学会挂靠在自动化所，所作的工作是研究自动化还有什么发展余地，像是模式识别。
控制论在中国的传播
苏联三位重量级科学家索保列夫(Sergei Sobolev,1 908-1989) 、哲托夫(AnatoliiIv anovichK itov) 、李亚普诺夫联合发表的文章，其中就控制论的科学意义、电子计算机与神经系统、控制论的实用意义三部分，对控制论进行了深刻的阐述。文章指出:“我们的一些哲学家犯了一个严重的错误:他们没有分析清楚问题的本质，就去否定这一新的科学方向的意义⋯⋯”。
自动控制的起源（续）
这种过度的分工，是不得不然的，是越演越烈的。由一行分成三十六行，由三十六行分成三百六十行，由三百六十行，分成三千六百行，二十世纪的科学家，不下三万六千行了。 这种局面的形成，产生了两个副作用， 是行与行间形成了许多无人管的地带； 甲行所研究出的程序、方法、 或设备，可能对乙行有极大的效用，但乙行常无从利用起，依然是从头开始。 哈佛医学院的谈话会，正是在这种气候下产生的。 而就由这个会中产生了『自动控制』的基本观念。
钱学森-扭转一个学科的命运
1954 年《工程控制论》出版，并迅速地被译成德、俄、中文版。书中系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子、通信等科学技术的意义和深远影响，写的全是技术科学，并未触及到人类这种动物的尊严。包括前苏联在内的世界各国科学界立即接受了这一新学科，从而吸引了大批数学家、工程技术学家从事控制论的研究，推动了五六十年代该学科发展的高潮。
自动控制理论的发展史
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相对论、量子力学以及控制论被认为是20世纪的三项伟大科学成就。
自动控制理论发展概况
自动控制理论发展概况前控制是自动控制理论的起源阶段，主要在19世纪末至20世纪初发展起来。
当时主要研究控制系统的开-闭锁问题，即如何实现不同位置之间的切换控制。
此时的控制系统主要采用开放系统结构，输入信号与输出信号之间没有反馈环路。
该阶段的主要理论包括勒贝格同位、双位同位和电气继电器方法。
随着现代化生产的需要，自动控制理论的研究逐渐转向反馈控制。
反馈控制是通过不断感知系统输出信号，与给定的目标输出信号之间的差异来调整输入信号。
这种控制方式可以使系统对外部扰动和参数变化具有较好的鲁棒性。
控制技术的快速发展促使了反馈控制的普及和应用。
20世纪30年代，现代自动控制理论框架初步建立，产生了控制系统的数学描述、线性系统的稳定性分析和根轨迹法等方法。
20世纪40年代至70年代，现代控制理论得到了迅速发展和广泛应用。
控制系统的数学理论不断深化，控制效果逐渐得到提高。
特别是在航空、导弹、火箭、军事、化工和能源等领域，自动控制理论的应用取得了巨大成功。
在这一时期，经典控制理论和现代控制理论逐渐发展完善，研究了最优控制、鲁棒控制、自适应控制和模糊控制等控制方法。
20世纪70年代以后，现代控制理论进入了第三个阶段，即多模型自适应控制系、模型预测控制、神经网络控制和模糊分级控制系统等理论成果的出现。
同时，计算机技术和信息技术的迅猛发展也为控制理论的研究和应用提供了良好的条件。
现代控制理论注重系统建模、系统特性分析和系统控制方法的研究，提高了控制系统的鲁棒性和优化性能。
此外，随着科学技术的进一步发展，自动控制理论还涌现出一些新的理论和方法，如非线性控制理论、科学计量管控理论、模块化控制理论、混杂动态系统建模与分析方法等。
综上所述，自动控制理论经历了前控制、反馈控制和现代控制三个阶段的发展。
从最早的开-闭锁问题研究到现代的控制系统建模与优化控制，自动控制理论在科学研究和工程实践中发挥着重要作用，并且不断创新和完善。
经典自动控制的发展及简介
功 放 器 率 大
电 、 速 、 机 减 器 调 器 压
(3) 复合控制系统
复合控制： 复合控制：是指把按偏差控制和按扰动控制相结合的控制系 统。 主要特点： 主要特点：
能够抑止强干扰； 能够抑止强干扰； 结构复杂
控制方式： 同时采用反馈控制(按偏差控制)和开环控制(按扰动控制) 控制方式： 同时采用反馈控制(按偏差控制)和开环控制(按扰动控制)
输 信 出 号 （ 际 温 实 炉 ）
测 量 （ 睛 眼 ）
温控系统——自动控制 温控系统——自动控制 ——
ub
ur
∆u
E
220
控制目标： 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值 上。 控制过程： 控制过程：
期 温 + 望 度 ur _ ub 热 偶 电 ∆u 实 温 际 度 炉 子
电 放 器 压 大
液位自动控制系统的方框图
扰动
方块称为环节，系统最基本的环节是控制器 执行器、 控制器、 方块称为环节，系统最基本的环节是控制器、执行器、传 感器和被控对象。它是信号的转换单元（功能单元）。 感器和被控对象。它是信号的转换单元（功能单元）。 带箭头的有向线条代表环节间信息传递的方向， 带箭头的有向线条代表环节间信息传递的方向，流入环节 为输入信号，流出环节为输出信号。 为输入信号，流出环节为输出信号。 图中带箭头的作用线表示信号的传递方向， 图中带箭头的作用线表示信号的传递方向，不代表实际物 料的流动方向。 料的流动方向。
r（t）
Time
（2）随动控制系统 ）
随动系统： 随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系 统称随动系统，又称为跟踪系统。 统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是 系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时 间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。 间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。 c（t）＝ r（t） c（t）＝ r（t） 为未知时间函数。 r（t）为未知时间函数。
自动控制理论发展史
自动控制理论发展史从远古的漏壶计时，到公元前的水利枢纽工程；从中世纪的钟摆、天文望远镜，到工业革命的蒸汽机；从百年前的飞机、汽车和电话，到八十多年前的电子放大器、模拟计算机；从二战期间的雷达、火炮防空网，到冷战时代的卫星、导弹和数字计算机；从六十年代的登月飞船，到现代的航天飞机、宇宙和星球探测器。
这些著名的科技发明直接催生和发展了自动控制技术。
源于实践，服务于实践，在实践中升华，经过千百年的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，在日常生活中不可或缺。
自动控制技术本文将自动控制技术的历史分成早期控制、经典控制、现代控制三个阶段，分别为你呈现各个时期诞生的伟大控制理论、控制方法、控制装置与控制学家。
早期控制早在古代，劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈的直观认识，发明了许多着闪烁控制理论智慧火花的杰作。
如果要追溯自动控制技术的发展史，早在两千年前人类就有了自动控制技术的萌芽。
1)公元前1400至公元前1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现了可自动计时的漏壶。
2)公元前300年左右，李冰父子主持修筑的都江堰水利工程充分体现了自动控制系统的观念，是自动控制原理的典型实践。
3)100年左右，亚历山大的希罗发明了开闭庙门和分发圣水的自动装置。
4)132年，东汉杰出天文学家张衡发明了水运浑象仪，研制出了自动测量地震的候风地动仪。
5)235年，汉朝时期最负盛名的机械发明家马钧研制出了用齿轮传动的自动指示方向的指南车。
6)1637年，明末科学家宋应星所著的《天工开物》记载了有程序控制思想的提花织机结构图。
7)1788年：第一次工业革命的重要人物、英国发明家James Watt发明了飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。
8)1868年，英国物理学家James Clerk Maxwell (1831-1879)在Proceedings of Royal Society, vol. 16 (1867-1868)上发表了著名论文“On Governors”，通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了二阶、三阶系统的稳定性代数判据，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。
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DCS是将若干台微机分 散应用于过程装置，全 部信息通过通信网络由 上位计算机监控，实现 最优化控制
专家系统 模糊控制 神经网络控制
根据人们在某一领域内 的知识,经验和技术而 建立的解决问题和做决
策的计算机软件系统，
它能对复杂问题给出专 家水平的结果
大系统理论：关于大系统分析和设计的理论
大系统的特征：规模庞大,结构复杂,目标多样,影 响因素众多,且常带有随机性的系统
包括大系统的建模，模型降阶，递阶控制和稳定 性等内容
随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多 大系统，如电力系统，城市交通网，数字通信网， 生态系统等
这些系统由于规模庞大，结构复杂，造成系统内 部各部分之间通信的困难，提高了通信的成本， 降低了通信的可靠性
1，经典（自动）控制理论 2，现代控制 2，起步阶段 3，发展阶段 4，标志阶段
到十八世纪，自动控制 技术逐渐应用到现代工 业中，其中最卓越的代 表是瓦特发明的蒸汽机 离心调速器
1868年，J.C.Maxwell提出了简单的稳定性代数 判据
原有的控制理论，都是建立在集中控制的基础上， 即认为整个系统的信息能集中到某一点，经过处 理，再向系统各部分发出控制信号
递阶控制理论
多级结构：在对分散的 子系统实行局部控制的 基础上再加一个协调级， 去解决子系统之间的控 制作用不协调的问题
分散控制理论：分散控 制有多个控制站，每个 控制站是控制系统的一 个部分，称为子系统
飞船的软着陆
研究对象 研究方法 研究工具 设计方法 其他
经典控制理论 单输入单输出系统
现代控制理论 多输入多输出系统
传递函数（外部描述法）
状态空间法（内部描述）
拉普拉斯变换
线性代数矩阵
PID控制和校正网络
状态反馈和输出反馈
频率法的物理意义直观，实用， 难于实现最优控制
主要解决单变量系统的反馈控制
易于实现实时控制和最优 控制
发展方向：
将模糊控制与各种只能优化算法相结合，如遗传 算法，模拟退火算法，粒子群优化算法等
深入分析模糊系统的结构特征及逼近精度，建立 一套完整的理论
人工神经网络是由大量 处理单元互联组成的非 线性，自适应信息处理 系统。
它是在现代神经科学研 究成果的基础上提出的。 试图通过模拟大脑神经 网络处理，记忆信息的 方式进行信息处理
1954年，我国著名科学家钱学森将控制理论应用与工 程实践，出版了《工程控制论》
现代控制理论的产生背景
现代数学，例如泛函分析，现代代数等，为控 制理论提供了多种多样的分析工具；
数字计算机为现代控制理论发展提供了应用平 台，计算机的飞速发展，推动了核能技术，空间 技术的发展，从而出现了多输入多输出系统，非 线性系统和时变系统
主要解决多变量系统的优 化控制
大系统理论
代表控制理论向广度方向发展。由工程技术大系统， 向社会经济大系统,生物生态大系统发展，由狭义的 控制，向广义的控制领域发展，包括：调节,控制,管 理,指挥等。 智能控制理论
代表控制理论向高度方向发展，提高控制系统的智 能水平。如：自寻优,自适应,自学习,自组织等方面 的智能水平
20世纪60年代初，出现 了运用逻辑学和模拟心 理活动的一些通用问题 求解程序，它们可以证 明定理和进行逻辑推理
1965年，F.A.费根鲍姆 等人研制了世界上第一 个专家系统dendral， 可以推断化学分子式
专家系统的意义：
它能模仿人类专家解决特定问题时的推理过程， 因而可供非专家们用来增进问题解决的能力，也 可使专家知识获得普遍的应用
1956年，庞德里亚金提出了极大值原理
1957年，贝尔曼（Bellman）提出了动态规划
1959年，卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔 曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地 运用了状态空间法，并提出了可控性和可观性的 概念
到20世纪70年代，系统辨识，最优控制，离散时 间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制 理论的内容
专家系统的工作过程：
用户通过人机界面回答系统的提问，推理机将 用户输入的信息与知识库中各个规则的条件进行 匹配，并把被匹配规则的结论存放到综合数据库 中。最后专家系统将得出最终结论呈现给用户
发展背景： 现代工业的特征：
复杂性：系统结构和参数的高维，时变，高度非 线性 不确定性：系统内部的未知和不确定的因素 高标准的性能要求 模糊控制的特征： 不需要对象的精确数学模型，而要求有关的控制 经验知识；鲁棒性强
人工神经元是对生物神 经元的一种模拟与简化， 是神经网络的基本处理 单元
如图为一种简化的人工 神经元结构，它是一个 多输入，单输出的非线 性元件
系统辨识是根据系统的 试验数据来确定系统的 数学模型，必须存在实 际系统的输入输出数据。
系统辨识是为已经存在 的系统建立数学模型
辨识三要素：数据，模 型类和准则。辨识就是 按照一个准则在一个模 型类中
最优控制是现代控制理 论的核心，它研究的主 要问题是：在满足一定 约束条件下，寻求最优 控制策略，使得性能指 标取极大值或极小值
1895年，Routh和Hurwitz各自提出了两个著名 的稳定性判据——劳斯判据和赫尔维兹判据
1932年，Nyquist提出了频域响应法 1948年，Evans提出了根轨迹法
建立在Nyquist的频率响应法和Ewans的根轨迹 基础上的理论，称为经典控制理论
1948年，控制论奠基人Weiner出版了《控制论——关 于在动物和机器中控制与通讯的科学》
定义：利用模糊数学的基本思想和理论的控制方 法
发展背景：
1956年，美国系统论专家Zadeh教授创立了模糊 集合论，提供了处理模糊信息的 工具
1974年，英国学者Mamdani首次将模糊理论应 用于工业控制（蒸汽机的压力和速度控制）
局限性：
整个过程是“定义”出来的。当然每一种“定义” 都有其优势或者缺陷，但我们无法用某个指标来 评论它。而且这些“定义”会带来不同的结果， 是得一般理论分析很难进展下去