1.6 自动控制理论发展简史

自动控制（Automatic Control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程中的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。区别于人工控制，自动控制技术的出现不仅将人类从危险、繁重的劳动中解放出来，还极大提高了生产效率。但要完全替代人在生产过程中的监督、调节作用，单一的控制技术是不够的，还需要将多种控制方法相结合，这就形成了自动控制系统。随着控制技术的不断发展，以及各种自动控制系统的不断丰富，派生了一门相应的学科——自动控制理论。自动控制理论是自动控制科学的核心，其发展主要经历了以下四个阶段。

1.第一阶段：萌芽阶段

从社会生活到工业生产，中国古人的智慧总是一次又一次地带给人们惊喜。早在两千多年前的黄帝时代，我国就发明了一种自动调节系统——指南车。如图1-18所示，指南车是一种马拉的双轮装置，车厢上有一个伸着手臂的木人，内部有一套自动离合的齿轮传动机构。使用前需调整木人的手臂，使其指向正南方。当车子朝正前方前进时，车轮和齿轮是分离的，木人手臂始终指向正南方。若车子在行进过程中向左转弯（偏离正南方向），此时车辕前身向左移动，而后端向右移动。这样的变化使得右侧传动齿轮放落，带动木人下方的大齿轮向右转动，从而抵消了车子向左转弯的影响。同理，当车子向右转弯时，左侧的传动齿轮放落，带动木人下方的大齿轮向左转动，抵消车子向右转弯的影响。

2.第二阶段：经典控制理论（20世纪40～60年代）

除了指南车，极具聪明才智的古人还发明了如铜壶滴漏、候风地动仪、水运仪象台等自动控制装置。但是，由于长期的封建统治，这些科学技术在古代的中国并没有得到重视和发展。到了18世纪，欧洲工业革命拉开序幕，自动控制技术被逐渐应用到现代工业中。直到1788年，瓦特发明了离心式飞摆控速器，以此来调节蒸汽机的速度，它的出现为经典控制理论拉开了序幕。

从1788年到1868年的几十年中，人们对自动控制装置的设计还处于“经验主义”阶段，没有强大的理论基础作为支撑。所以在这一时期设计的自动控制系统经常出现振荡、性能指标不达标等现象，而又没有相应的理论知识来分析和解决这些问题。直到19世纪下半叶，科学家们开始了对控制系统理论的探索。

1868年，为了解决离心式飞摆控速器控制精度和稳定性之间的矛盾，麦克斯韦对瓦特的调速器建立了线性微分方程并发表在论文《论调速器》中，该论文提出了简单的稳定性代数判据，指出系统的稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。麦克韦斯因此成为了第一个对反馈系统的稳定性在理论上进行分析并发表论文的人。但是，由于高阶方程没有直接的求根公式，想要求特征方程的根来判断系统稳定性就比较困难。为了解决这一问题，劳斯于1877年提出根据特征方程的系数判断高阶线性系统稳定性的判据——劳斯判据。1895年，赫尔维茨也提出了类似的判据——赫尔维茨判据。劳斯判据和赫尔维茨判据的出现为人们判断更复杂高阶系统的稳定性提供了理论依据。

早期的控制器结构简单，控制目的单一，劳斯判据和赫尔维茨判据基本能够满足工程上的需求。二战爆发后，由于战争的需要，对控制器提出了更高的要求，因此经典控制理论在这段时间得到了进一步发展。在这期间，1932年奈奎斯特利用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，为具有良好动态性能和静态稳定性的军用控制系统提供了分析方法。之后，伯德提出了频域响应的对数坐标图法，完善了系统分析和设计的频域分析方法。

二战结束后，美国数学家维纳于1948年出版了《控制论——关于在动物和机器中控制与通讯的科学》一书，为控制理论的诞生奠定了基础。1954年，我国著名科学家钱学森结合控制理论在工程中的实践，出版了《工程控制论》一书，标志着经典控制理论已基本成熟。

3.第三阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）

任何学科的发展都不可能脱离其他科学技术而单独发展，控制技术的发展离不开数学和计算机技术的发展。现代数学，例如函数分析、现代代数等和数字计算机技术突飞猛进的发展，为控制理论的发展提供了强大动力，促使经典控制理论向现代控制理论转变。

现代控制理论是一种以状态空间为基础的控制方法，本质上是一种时域分析法。其克服了经典控制理论的局限性，将研究对象扩展到非线性控制系统、多输入-多输出系统，是人类在自动控制理论上的又一次飞跃。这一时期的主要代表人物有贝尔曼、卡尔曼、庞特里亚金、罗森布洛克等。1956年，美国数学家贝尔曼提出了最优控制的动态规划法；3年后，美国数学家卡尔曼又提出了著名的卡尔曼滤波器，以及系统的能控性和能观性；1956年，苏联科学家庞特里亚金提出了极大值原理。1960年年初，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的现代控制理论应运而生。

4.第四阶段：大系统理论与智能控制阶段（20世纪70年代末至今）

伴随着社会需求的改变和各种科学技术的进步，生产系统的规模越来越庞大，结构越来越复杂，经典控制理论和现代控制理论已经难以满足时代的需求。在这样的背景下，控制理论的发展进入了第四阶段：大系统理论与智能控制阶段。其中，“大系统理论”是控制理论在广度上的拓展，是用控制和信息的观点，研究规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合的工程和非工程大系统的自动化和有效控制的理论。而智能控制是控制理论在深度上的延伸，依托于计算机科学、人工智能、运筹学等学科，主要用来解决传统方法难以解决的复杂系统的控制问题，是控制理论发展的高级阶段。

有了经典控制理论和现代控制理论的铺垫，第四阶段的控制理论开始追求稳定、最优化、定性结构、计算机与控制。迄今为止主要形成了以下控制理论和方法。

1）20世纪60年代初期，为解决复杂系统的控制问题，Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法。

2）1965年，美国控制论专家Zadeh提出模糊集论（主要内容是模糊数学），为解决复杂系统的控制问题提供了数学工具。

3）1966年，Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。

4）1967年，Leondes和Mendel首次提出了“智能控制”一词。

5）20世纪70年代初，傅京孙、Gloriso、Saridis三人提出了分级递阶智能控制。

6）20世纪70年代中期，Mamdani设计了运用模糊语言描述控制规则的模糊控制器。

7）1985年，IEEE在美国首次召开了智能控制学术讨论会。