自动控制理论发展简史
自动控制理论的发展
自动控制理论的发展自动控制理论是一门研究如何设计和实现系统自动运行的学科。
它涉及到数学、工程和计算机科学等多个领域。
自动控制理论的发展是由人们对系统的自动化处理的需求和对控制系统的分析和优化的追求所推动的。
这篇文章将通过对自动控制理论的历史发展进行梳理，来了解自动控制理论的演进过程。
自动控制理论的起源可以追溯到古代的水门和钟摆控制。
当时的人们通过调节水的流量或小球的重量来实现门的自动开合，或者通过改变钟摆的长度或质量分布来维持钟摆的稳定。
这些简单但实用的控制方法显示了自动控制的价值和潜力。
然而，自动控制理论真正的发展要推迟到18世纪的工业革命时期。
随着机械工业的兴起，人们开始需要控制工业过程中的各种机械装置。
这时，法国数学家拉普拉斯和英国工程师巴贝奇等人开始研究和应用微积分和差分方程等数学工具来分析和改善自动控制系统。
在20世纪初，控制论的形成为自动控制理论的发展奠定了基础。
控制论是一种在一定规律下将输入转换为所需输出的通用方法。
美国工程师诺里伊特（H.W. Norrhte）、俄罗斯数学家卢埃特中心之莫齐托夫、德国工程师亨维茨（A.V. HellwicZ）等人率先提出和发展了控制论的基本概念和数学模型。
他们通过齐次线性微分方程、反馈控制和矩阵论等工具，提出了理论化的控制系统设计方法，并首次将控制论应用于工程实践中。
第二次世界大战期间，控制论得到更加广泛的应用和发展。
在军事和航空工业中，控制论的理论和方法被用于导弹制导、自动驾驶和火箭发动机控制等方面。
这一时期，美国工程师维纳（N. Wiener）提出了现代控制论的概念，并将统计学方法引入到控制论中，开创了系统论的研究领域。
20世纪50年代至70年代，自动控制理论得到了快速发展，并在工程实践中得到广泛应用。
与此同时，数字计算机的发展推动了控制系统的数字化和自动化。
随着计算机技术的提高，对控制系统的分析和优化方法得到了进一步的发展，如最优控制、自适应控制和模糊控制等。
【经典】自动控制理论的发展ppt课件
开环控制系统方框图
输入量 控制装置 被控对象
输出量
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开环控制的特点
由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的 输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控 制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当 炉温偏离希望值时，开关 K 的接通或断开时间 不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由 于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出 现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗 干扰能力差。
开环系统主要问题：无法自动减小或消除由于扰 动而产生的(实际液位与设定液位之间)误差。
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2).闭环控制
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控
制作用之间存在着反馈的控制方式。采用闭环控制
的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控
制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就 是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。（例如 图1-4）手是被控对象，手的位置为被控量。
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上 的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控 制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维 方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的 复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为 : 模型的不确定性， 高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度， 复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能 控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的 控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和 难以辨识。 智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包 括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。
图1－1
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开环控制系统例2
1.6自动控制理论的发展
卡尔曼
卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙 利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩 斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得 电机工程学士及硕士学位。 1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。 1958年，卡尔曼采用 状态空间法分析系统，提出能控性、能观性。在现代控制理论中 的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线 性滤波与预测问题的新方法）。
1.6自动控制理论的发展 1.6自动控制理论的发展
控制理论作为一门科学技术， 控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于 我们社会生活的方方面面。 我们社会生活的方方面面。
洗衣机智能控制
电冰箱温度控制
12:29
控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段： 控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：
三关节欠驱动体操机器人
12:29
指南车
指南车是我国古代伟大的发明之一，也 是世界上最早的控制论机械之一。用英国著 名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指 南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器 的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。
附录
指南车的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独 辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮 两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动 小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车 子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以 前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向 右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理 造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车 中差动齿轮的逆向使用原理。
§1.2 自动控制理论发展概述
1.2自动控制理论发展概述自动控制理论是在人类征服自然的生产实践活动中孕育、产生，并随着社会生产和科学技术的进步而不断发展、完善起来的。
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概念的直观认识，发明了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。
例如，我国北宋时代（公元1086～1089年）苏颂和韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台，就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统；1681年DennisPapin发明了用做安全调节装置的锅炉压力调节器；1765年俄国人普尔佐诺夫（I．Polzunov ）发明了蒸汽锅炉水位调节器等等。
1788，英国人瓦特（James Watt）在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器，解决了蒸汽机的速度控制问题，引起了人们对控制技术的重视。
之后，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。
实践中出现的问题，促使科学家们从理论上进行探索研究。
1868年，英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell）通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。
此后，英国数学家劳斯(E．J．Routh)和德国数学家古尔维茨(A．Hurwitz)分别在1877年和1895年独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。
这些方法奠定了经典控制理论中时域分析法的基础。
1932年，美国物理学家奈奎斯特（H．Nyquist）研究了长距离电话线信号传输中出现的失真问题，运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频率响应法的基础。
随后，伯德（H．W．Bode）和尼柯尔斯(N．B．Nichols)在20世纪30年代末和40年代初进一步将频率响应法加以发展，形成了经典控制理论的频域分析法，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。
二战期间，反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。
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。
自动控制理论的早期发展历史
• 十八世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置也成为 人们研究的重点。 • 1750年，安得鲁. 米克尔(1719-1811)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年取的专利权。18世纪的风车中还成功地使用 了离心调速器。 托马斯.米德(1787年)和斯蒂芬.胡泊 (1789年)获得这种装置的专利权。 • 和风车技术并行，十八世纪也是蒸气机取得突破发展的时 期，并成为机械工程最瞩目的成就。托马斯.纽可门和约 翰.卡利(又译为考力)是史学界公认的蒸气机之父。 • 到十八世纪中叶，已有好几百台纽可门式蒸气机在英格兰 北部和中部地区、康沃尔和其他国家服务，但由于其工作 效率太低，难以推广。
• 具有反馈控制原理的控制装 置在古代就有了。这方面最 有代表性的例子当属古代的 计时器 “水钟”( 在中国叫 作“刻漏”，也叫“漏 壶” )。据古代锲形文字记 载和从埃及古墓出土的实物 可以看到，巴比伦和埃及在 公元前1500年以前便已有很 长的水钟使用历史了。 • 亚历山大里亚城的斯提西比 乌斯(Ctesibius)首先在受水 壶中使用了浮 (phellossivetympanum)。
• 1765年俄国的波尔祖诺夫（И.И.Полэунов）发 明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被 认为是世界上的第一个自动调节器）。 • 1760年－1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了 彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特 的改良工作中，1788年，他给蒸气机添加了一个 “节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节 器”操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面 分机磨石松紧的装置。“调节器”或“飞球调节 器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度 大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。
自动控制理论发展综述
自动控制理论发展综述作者：董伟华来源：《中国科技博览》2016年第12期[摘要]科学技术的高度发展使得控制的对象日益复杂化，传统的自动控制理论在面临复杂性所带来的困境时，力图突破旧的模式以适应社会对自动化学科提出的新要求。
本文就自动控制理论发展进行论述。
[关键词]自动控制；发展；应用中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0115-01引言随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。
一、自动控制理论的概念1.1 概念自动控制是区别于以往的人工控制，它利用外加的自动控制装置对机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行，从而代替人工操作使之达到预期的性能或状态指标，自动控制技术可以有效提高企业的经济效益和产品的质量，在恶劣环境下能够代替人工操作。
在控制论中“系统”和“反馈”是自动控制理论概念的核心，现代科学技术发展的必然趋势是全球对复杂系统科学或复杂性科学研究越来越多，分析系统的性质和结构、调控系统的运动状态是控制理论要解决的主要问题。
“反馈”的概念控制论中最核心的概念，“反馈” 的概念能对付各种等不确定因素对被控系统的影响，也能让控制系统具有人类“智能”行为的特征。
自动控制理论就是研究自动控制系统中变量的变化规律及其改进的途径。
1.2 特点自动控制理论具有两个特点：一是控制理论重视对定量的研究，数学理论与方法被广泛应用在控制理论研究中；二是控制理论的科学命题有广泛的实际背景，具有丰富的实际来源具。
这两个特点是由自动控制理论所包含的“系统”与“反馈”的两个概念所决定的。
二、自动控制理论的发展历程2.1 自动控制理论的萌芽及形成任何一个理论的形成与发展都是伴随着社会生产力的发展而发展的，早在2000 多年前我国发明的指南车就属于一种开环自动调节的机器。
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自动控制理论发展简史
18世纪末，瓦特发明了蒸汽机，引发了对自动控制的兴趣。
他设计
了第一个调速装置，来控制蒸汽机的转速。
这个装置利用负反馈的原理，
测量蒸汽机的转速并自动调节阀门的开度，以保持恒定的转速。
19世纪，飞行员的研究对自动控制理论的发展有着重要影响。
塞巴
斯蒂安·勒米特尔和尤金·尤尔·布雷克特设计了第一个用于自动驾驶的
飞行器。
他们使用了基于机械原理的自动控制系统，通过磁针来检测航向
的偏差，并用风力来纠正偏差。
20世纪初，焦耳指出了负反馈的重要性，他认为它是自动控制系统
稳定性的关键。
他的工作为自动控制理论奠定了基础，并在之后的数十年里，负反馈成为自动控制系统设计的主要原则。
20世纪20年代，美国工程师哈罗德·布莱克设计了第一个比例积分（PID）控制器。
这个控制器是基于系统输出与期望输入之间的误差，调
整比例、积分和微分参数，以控制系统输出。
PID控制器一直是工业中最
常用的控制器之一，直到今天仍然广泛应用。
在20世纪的前半叶，随着工程师对系统建模和分析的研究，出现了
数学控制理论的发展。
拉普拉斯提出了拉普拉斯变换，将微分和积分方程
转化为代数方程。
这一理论为分析和设计线性系统提供了强有力的工具。
二战期间，自动控制理论得到了飞机、导弹和火炮等军事应用的推动。
由于需要高精度和快速的控制，工程师们开始研究更加复杂的控制理论。
鲁斯特·亨利·尼科尔斯和尼科尔斯-克鲁赛尔理论提供了一种用频域方
法来分析非线性系统的方法。
20世纪50年代，随着电子技术的发展，计算机控制系统开始兴起。
计算机提供了更强大的处理能力和更复杂的算法，使得控制系统设计变得更加灵活和精确。
20世纪60年代，状态空间理论的发展成为自动控制理论的重要里程碑。
状态空间理论将控制系统建模为状态、输入和输出的数学模型，使得系统分析和设计更加方便和直观。
到了21世纪，自动控制理论继续发展，涉及的领域越来越广泛。
随着机器人技术的迅速发展，自动控制理论在机器人系统、交通系统、能源系统等领域都有广泛应用。
同时，非线性控制理论和自适应控制理论也在不断发展，以适应更加复杂和动态的系统。
总结来说，自动控制理论的发展经历了几个重要阶段，从18世纪的基本原理到20世纪的数学控制理论和计算机控制系统，再到21世纪的应用拓展。
这个理论的发展不仅推动了工程技术的进步，也对自动化技术在各行各业的应用起到了重要的作用。