现代控制理论发展史
现代控制理论发展史香港科技大学李泽湘教授的报告
自动控制技术与人类科技文明Automatic Control & Human Civilization前言从远古的漏壶和计时容器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、蒸汽机车和蒸汽轮船，从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机，从二战期间的雷达和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，这些著名的人类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。
随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展与应用将进入一个全新的时代，新的维纳和卡尔曼将陆续诞生。
数风流人物，还看今朝。
1I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)(0)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. ~1100B.C.)。
孙武著《孙子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系西汉漏壶统观念和实践(300B.C.)2(2)亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)(3)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(132年)3(4)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(5)中国定向驾驶舵（1180年）（人类首台控制机构）(6)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)4(7)英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)5(8) 英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。
首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。
第一章 控制理论的发展历程简介
代线性系统理论又有了新发展，出现了线性系统几何理论、线性
系统代数理论和多变量频域方法等研究多变量系统的新理论和新 方法。随着计算机技术的发展，以线性系统为对象的计算方法和 计算辅助设计问题也受到普遍的重视。
1.1.2 现代控制理论
⑴ 现代控制理论的形成和发展
① 在20世纪50年代形成
动态规划法
极大值原理
综合方面以时域方法为主而经典理论主要采用频域
方法；使用更多数据工具。
1.2 现代控制理论的主要内容
⑵ 最优滤波理论 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和 防止干扰的一项重要措施。分经典滤波和现代滤波。 卡尔曼滤波: 最优滤波一定是“渐近稳定”的。大致 说来，就是由初始误差、舍入误差及其他的不准确性 所引起的效应，将随着滤波时间的延长而逐渐消失或
第一章 绪 论
1.1 控制理论的发展历程简介 1.2 现代控制理论的主要内容
1.1 控制理论的发展历程简介
1.1.1 经典控制理论 ⑴ 形成和发展 ① 在20世纪30-40年代，初步形成。
② 在20世纪40年代形成体系。
频率理论
根轨迹法
⑵ 以SISO线性定常系统为研究对象。 ⑶ 以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在
(3) 神经网络控制理论。
(4) 智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络
控制„）
1.2 现代控制理论的主要内容
⑴ 线性系统理论 以状态空间法为主要工具研究多变量线性系统的理 论。与经典线性控制理论相比，现代线性系统主要 特点：研究对象一般是多变量线性系统，而经典线 性理论则以单输入单输出系统为对象；除输入和输 出变量外，还描述系统内部状态的变量；在分析和
频率域中分析与设计。
⑷ 经典控制理论的局限性
现代控制理论
学科内容
按照发展的过程，我们通常把自动控制理论区分为经典控制理论和现代控制理论两个部分。
经典控制理论经典控制理论的研究对象是单输入单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控制理 论的特点是以输入输出特性为系统的数学模型。
现代控制理论所包含的学科内容十分广泛，主要的方面有：线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、 随机控制理论和适应控制理论。
线性系统理论：它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和 观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派： 基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔 曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。
现代控制理论
建立在状态空间法基础上的一种控制理论
01 发展过程
03 智能系统
目录
02 学科内容 04 相关名词
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。现代控制理论比 经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括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。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定 的性能指标的最优控制系统提供了可能性。
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非线性系统理论：非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性 系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70年代中期以来，由微分 几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。
现代控制理论的发展史
2
现代控制理论
现代控制理论以多变量控 最优控制为主要内容， 制、最优控制为主要内容， 采用时域法，以状态方程 采用时域法， 为数学模型。数学工具： 为数学模型。数学工具： 线性代数， 线性代数， 泛函分析
经典控制理论
• 经典控制理论，以单变量控制，随动/ 调节为主要内容，以微分方程和传递 函数为数学模型，所用的方法主要以 频率响应法为主。数学工具： 微分方 程， 复变函数
3
人才培养： 人才培养：多学 科交叉、 科交养宽口径、多 面手、 面手、复合型人 才
我国控制理论的教学
–1949. 上海交大 张钟俊 伺服系统 1949. – 1950 清华大学 钟士模 自动调节原理 – 50－60年代 随动系统，自动调节原理 － 年代 随动系统， – 70年代末－80年代 现代控制理论，最优控制 ，自适 年代末－ 年代 现代控制理论， 年代末 应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（ 应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（运筹 ），鲁棒控制 学），鲁棒控制 – 90年代 模糊控制， 智能控制，系统集成 年代 模糊控制， 智能控制， – 新世纪 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统－－信 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统－－信 －－ 息自动化 要求： 要求：厚基础 宽口径 学科交叉 科学思维方法 勇于实践和探索
目前的发展趋势
1
突出含机、 突出含机、电、 计算机、 计算机、通信网 络的大系统、 络的大系统、复 杂系统与人机交 互系统的集成； 互系统的集成；
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控制论的根本是 信息的控制， 信息的控制， 包 括模型的建立 数学特征）， （数学特征）， 信息的处理（ 信息的处理（计 算机微电子技术） 算机微电子技术） 与实体的控制 领域知识， （领域知识，工 程特征） 程特征）
控制理论发展历史
控制理论发展历史综述一：20世纪40年代末-50年代的经典控制理论时期，着重解决单输入单输出系统的控制问题，主要数学工具是微分方程、拉氏变换、传递函数；主要方法是时域法、频域法、根轨迹法；主要问题是系统的稳、准、快。
二：20世纪60年代的现代控制理论时期，着重解决多输入多输出系统的控制问题，主要数学工具是以此为峰方程组、矩阵论、状态空间法主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论；重点是最优控制、随即控制、自适应控制；核心控制装置是电子计算机。
三：20世纪70年代之后的先进控制理时期，先进控制理论是现代控制理论的发展和延伸。
先进控制理论内容丰富、涵盖面最广，包括自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、人工神经网络控制等。
经典控制理论经典控制理论适用于单输入、单输出的线性定常（参数不随时间而变）系统。
发展过程1.原始阶段中国，两千年前我国发明的指南车：一种开环自动调节系统，它利用差速齿轮原理，利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。
不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。
2.起步阶段人类社会发展，有一个点把人类社会的发展分成两大部分，那就是工业革命。
18世纪中叶之前，不管你什么怎么划分人类社会也好（农业牧业手工业），社会的发展始终离不开人力，就是必须得有人亲自去做。
18世纪中叶之后，机器的出现，使得以机器取代了人力，所以称之为革命。
然后机器的出现变革了人类的整个历史，直至现代社会文明的如此进步。
工业革命的开始的标志为哈格里夫斯发明的珍妮纺纱机，而工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机，为什么扯这么多？如果机器不能控制，那和工具又有什么区别？所以工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机。
钱学森也在最新一版的工程控制论中提到技术革命。
1769年，控制思想首次应用于工业控制的是瓦特，发明用来控制蒸汽机转速的飞球离心控制器。
以后人们曾经试图改善调速器的准确性，却常常导致系统产生振荡。
1868年以前，这一百年来，自动控制装置的设计还出于“直觉”阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（稳、准、快）的协调方面经常出现问题。
现代控制理论的概念、方法
THANKS FOR WATCHING和优化控制，注重系统的全局性、 最优性和鲁棒性。
现代控制理论的重要性
工业自动化
现代控制理论为工业自动化提供了理论基础和技 术支持，提高了生产效率和产品质量。
航天与航空
在航天和航空领域，现代控制理论的应用对于飞 行器的稳定性和安全性至关重要。
能源与环境
在能源和环境领域，现代控制理论有助于实现能 源的高效利用和环境的可持续发展。
VS
详细描述
线性二次型最优控制基于最优控制理论， 通过最小化系统状态和控制输入的二次型 代价函数来寻找最优的控制策略。这种方 法能够有效地优化系统的性能，提高系统 的稳定性和动态响应能力。
预测控制
总结词
预测控制是一种基于模型预测和滚动优化的 控制方法。
详细描述
预测控制通过建立系统的预测模型，对未来 的系统行为进行预测，并滚动优化控制策略 以减小预测误差。这种方法具有较好的鲁棒 性和适应性，广泛应用于工业过程控制和智 能控制等领域。
现代控制理论的历史与发展
历史
现代控制理论起源于20世纪50年代，随着计算机技术和数学理论的不断发展而 逐步完善。
发展
现代控制理论的发展涉及多个学科领域，如线性系统理论、最优控制、鲁棒控 制、自适应控制等，为复杂系统的控制提供了更广泛和深入的理论基础。
02 现代控制理论的基本概念
系统建模
总结词
系统建模是现代控制理论的基础，它通过数学模型描述系统的动态行为。
详细描述
性能指标是用来评估控制系统性能的关键因素，包括稳定性、准确性、快速性和鲁棒性 等。稳定性表示系统在受到扰动后恢复平衡的能力；准确性表示系统输出与理想输出之 间的误差大小；快速性表示系统达到稳定状态所需的时间；鲁棒性表示系统在存在不确
现代控制理论
2．现代控制理论：
（50年代末~70年代初）
现代控制理论是以状态空间法为基础，研究 MIMO，时变参数结构，非线性、高精度、高 性能控制系统的分析与设计的领域。
现代控制理论发展的主要标志 (1)卡尔曼：状态空间法； (2)卡尔曼：能控性与能观性； (3)庞特里雅金：极大值原理；
(1) 专家系统；(2)模糊控制，人工智能 (3) 神经网络，人脑模型；(4)遗传算法 控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术
4、控制理论发展趋势
· 企业：资源共享、因特网、信息集成、 信息技术+控制技术 (集成控制技术)
· 网络控制技术
· 计算机集成制造CIMS：（工厂自动化）
三、现代控制理论与古典控制理论的对比
现代控制理论
绪论
· 学习现代控制理论的意义： 1.是所学专业的理论基础 2.是研究生阶段提高理论水平的重要环节。 3. 是许多专业考博士的必考课。
二、控制理论发展史（三个时期）
·1．古典控制理论： （从30年代~50年代）
1 建模，传递函数 2 分析法(基于画图)，步骤特性，根轨迹，描
述建模，创造了许多经验模式。 分析法 状态空间 基于数字的精确分析。 几何法
· 《现代控制理论》（第二版）刘豹主编 机械工业出版社
参考书 现代控制理论与工程 西安交大
· 现代控制理论 哈工大 机械专业硕研
· 共同 对象－系统 主要内容 分析：研究系统的原理和性能 设计：改变系统的可能性（综合性能）
研究对象：单入单出（SIS0）系统，线性定常 古典 工具：传递函数(结构图)，已有初始条件为零时才适用
试探法解决问题 ： 入多出（MIMO）系统、 线性定常、非线性、时变、
现代控制理论
现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。
空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。
这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。
1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。
在这之前，美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划，并在1956年应用于控制过程。
他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。
1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论，因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。
几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。
状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。
其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。
到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。
学科内容现代控制理论所包含的学科内容十分广泛，主要的方面有：线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。
线性系统理论它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。
按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。
非线性系统理论非线性系统的分析和综合理论尚不完善。
研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。
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现代控制理论发展史
发表时间：2013-10-18T13:04:10.780Z 来源：《职业技术教育》2013年第8期供稿作者：张泽泽[导读] 控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。
张泽泽（青岛市技师学院山东青岛266200）
摘要：理论归根结低是从实践发展而来的，它来之于实践，但又反过来指导实践。
控制理论的发展又一次说明了这一真理。
远在控制理论形成之前，就有蒸汽机的飞轮调速器、鱼雷的导向控制系统、航海罗经的稳定器、放大电路的镇定等自动化系统和装置。
这些都是不自觉的应用了反馈控制概念而构成的自动控制器件和系统的成功例子。
关键词：现代控制理论后现代控制理论智能控制
一、现代控制理论、后现代控制理论
1.现代控制理论
现代控制理论是上世纪60年代初形成并迅速发展起来的。
现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。
要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化。
2.后现代控制理论
80年代以后，控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。
在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。
智能控制，是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人、智能主体等。
21世纪网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化，集成的理论与技术。
20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，形成了所谓的“现代控制理论” 。
为现代控制理论的状态空间法的建立作出贡献的有，1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论，1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理，和1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。
20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。
如（1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性；（4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。
二、智能控制
智能控制(Intelligent Control)是人工智能和自动控制的结合物,是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器,实现其目标的自动控制。
智能控制的注意力并不放在对数学公式的表达、计算和处理上,而放在对任务和模型的描述,符号和环境的识别以及知识库和推理机的设计开发上。
智能控制用于生产过程,让计算机系统模仿专家或熟练操作人员的经验,建立起以知识为基础的广义模型,采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术,对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划,使被控对象按一定要求达到预定的目的。
内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。
其控制对象可以是已知系统也可以是未知系统，大多数的控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响，还能有效地消除模型化误差的影响。
智能控制的理论基础是人工智能,控制论,运筹学和系统学等学科的交叉,它的主要特点是:
（1）同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程;
（2）智能控制的核心在高层控制,即组织级,它的主要任务在于对实际环境或过程进行组织;
（3）系统获取的信息不仅是数学信息,更重要的是文字符号、图像、图形、声音等各种信息。
智能控制正处于发展过程中,还存在许多有待研究的问题:（1）探讨新的智能控制理论;（2）采用语音控制;（3）提高系统的学习能力和自主能力;（4）利用现有的非线性技术分析闭环系统的特性;（5）智能控制的实现问题。
参考文献
[1]陈哲编著现代控制理论基础.北京：冶金工业出版社，1987。
[2]蔡宣三编著最优化与最优控制.北京：清华大学出版社，1982。
[3]常春馨主编现代控制理论基础.北京：机械工业出版社，1988。
[4]尤昌德编线性系统理论基础.北京：电子工业出版社，1985。
[5]刘豹主编现代控制理论.北京：机械工业出版社，1989。
[6][美]本杰明.C郭著张一中译自动控制理论.北京：水利电力出版社，1983。
[7]佛特曼TE 海兹KL 线性控制系统引论，吕林等译，北京：科学出版社，1975。
[8]Ogatak State Space Analyais of Contuol Systems Prentice Hall.Inc，1967.
[9]Gibson J E Nonlinear Automatic Control Mc Graw Hill Book Co.Inc，1963.
[10]CHENG C T Linear System Theory and Design.New York，Holr，Rinehard and Winston,1984.。