自动控制理论发展及其应用探索

罗淇舰

（重庆大学，重庆 400030）

自动控制理论在日常的生产经营生活中所起到的作用越来越重要，这种作用影响着现代生活与工业生产制造的各个方面，从机械工厂车间的自动生产流水线到校正线性系统，都需要运用到自动控制理论。自动控制能够在复杂多变的外部客观环境以及不可更改的条件下得到了更为方便的运用。比如，人类在高压高温条件下的高精度操控作业，又比如人们在工厂中被要求的精准而又快速的操作。在自动控制装置的帮助之下，人类可以突破生理客观条件的限制，完全解放自我。

1 自动控制理论的概念和特点

（1）自动控制理论的概念。自动控制是有别于人工控制的独立概念。自动控制能够通过外加一定的自动控制装置按照已经设定好的运行规律对设备、机器或者生产过程中特定的工作状态进行自动化的操作，从而能够全面替代人力工作，并达到人们期望的状态指标或者性能。自动控制技术能够有效地提升产品的质量或者企业的经济利益，并克服人工在恶劣环境中不能工作的不足点，帮助企业实现在该种环境中依旧能够正常进行生产经营的期望。控制论中，“反馈”和“系统”是自动控制理论的核心概念。其中，反馈是自动控制理论中最为核心的概念，这个概念能够应付各种风险因素对于被控制系统的影响。另外，科学技术的发展方向为全球研究者将对复杂性科学研究或者复杂系统科学进行越来越多的研究，而控制理论需要解决的主要问题在于调控系统的运动状态以及分析系统的结构和性质。在自动控制系统中，自动控制理论是能够研究变量的变化规律并对其进行改进的途径。

（2）自动控制理论的特点。自动控制理论具备以下两个特点：①自动控制理论对定量研究较为重视，在控制理论的研究当中数学方法和理论得到广泛运用；②自动控制理论能够从实践中获取丰富的理论来源，同时其理论的科学命题具有十分广泛的社会实践背景。自动控制理论的两个特点源于自动控制理论包含的“系统”和“反馈”的两个概念。

2 自动控制理论的发展过程

（1）自动控制理论的产生与形成。在实际的科学研究当中，理论的萌芽、形成和发展常常随着社会生产力的发展而逐步进行。2000 多年前，我国曾发明了指南车，这种产品属于能够进行自动调节的机器。18 世纪，瓦特将蒸汽机的汽锤调节器发明出来，这是世界上最早的自动控制装置。汽锤调节器的诞生加速了世界第一次工业革命的步伐，其发明表明控制理论进入起步阶段。19 世纪，Maxwell 发表了线性常微分方程的稳定性分析，其后，H.Nyquist 的“稳定裕量”和稳定判据、Hurwitz 和Routh 的稳定性依据、W.R.E-vans 的“根轨迹法”、H.W.Bode 的频率法也逐步出现在世人面前。在这些前人的研究基础上，经典的反馈控制的理论基础形成，它是由美国自动控制理论的创始人Wiener.N 所提出。

（2）自动控制理论的发展。自动控制理论的发展主要分为三个阶段。第一个阶段是20 世纪40 年代～20 世纪50年代，该阶段为经典控制理论。第二阶段是20 世纪60 年代的现代控制理论，该理论是从线性代数的理论研究基础上得来。第三阶段在20 世纪70 年代末萌芽，为智能控制理论，该理论在发展和形成的过程当中融合了运筹学、自动控制、信息论以及自动控制等多个学科的理论基础知识。

（3）经典控制理论的产生和发展。20 世纪40 年代～20 世纪50 年代为经典控制理论的时期，该理论的主要研究对象为系统中的各组成环节、元件的状态以及能够用线性微分方程描述特性的控制系统。18 世纪，自动控制技术在现代工业生产中受到逐渐的应用，这种应用加速了世界第一次工业革命的脚步，这个时期最具代表性意义的是蒸汽机离心调速器。1868 年，Maxwell 提出稳定性代数判据；1895 年，Routh 与Hurwitz 提出劳斯判据和赫尔维茨判据，1932 年，Nyquist 提出频率响应法，1948 年Ewans 提出根轨迹法。经典控制理论即建立在根轨迹法与频率响应法的基础之上。1948 年，《控制论》被美国控制论的奠基人Weiner 提出并出版，该书的出现推动了反馈的概念，并为该学科奠定了理论基础。

（4）现代控制理论的产生和发展。20 世纪60 ～20 世纪70 年代，经典控制理论的局限性导致现代控制理论的产生。新理论的研究范围包括单入单出、多入多出以及线性和非线性问题，涉及的范围较广，应用的范围也较为广阔。该理论的产生主要是为了结论鲁棒控制、多入多出以及最优控制等较为复杂的问题。现代控制理论的发展体现了控制理论的信息化、智能化以及自动化的发展趋势，其发展并逐步走向成熟的过程反映了人类社会由机械化时代走向电气化时代。这段时期的主要理论与人物如下：1957 年，Bellman 等提出的动态规则；1959 年，布西和Kalman 提出的状态空间法和卡尔曼滤波理论；1961 年，庞特里亚金提出的极小（大）值原理。

（5）智能控制理论的产生和发展。智能控制是指驱动智能机械设备自动实现目标的过程，这个概念的理论基础是运筹学、人工智能、信息论和控制论等学科的交叉理论知识。20 世纪70 年代，“智能控制”概念由傅京孙教授最早提出。他在1965 年就已经把人工智能学科的规则运用到学习系统当中。这说明1965 年是智能控制理论的萌芽时间。1977 年，美国学者Saridis 在傅京孙教授所提出的二元结构的基础之上，提出三元结构，即自动控制、人工智能和运筹学的交叉。而中南大学的蔡自兴教授在Saridis 的基础上将三元结构进一步扩展为自动控制、人工智能、运筹学、信息论的交叉的四元结构，智能控制的理论体系也得以形成和进一步完善。

智能控制是人类通过微机以及其他多种途径来模拟人类在日常生产经营活动中的智能控制和决策行为的过程，它是人工智能和自动控制的交集。尽管智能控制理论还未形成较为完整和成熟的理论体系，仅仅只是发展了十几年，但是，现有的智能控制的成果与理论发展表明其正在成为自动控制领域的热门学科之一。人工智能的发展受益于信息技术和计算机技术的快速发展，现如今人工智能已经逐渐成为一门单独的学科，并在实践过程中显示出很强的发展能力和生命力。因此，尽管将智能控制理论作为第三阶段的控制理论还稍显牵强，但随着人工智能的广泛运用和不断认可，智能控制理论在未来将更加的前沿、先进和令人无法想象。智能制造理论的学科研究将不断深入，并在不久的未来逐渐成为自动控制理论的第三阶段的重要分支。

3 自动控制理论的理论现状与现实运用

尽管自动控制理论在生活和生产中的各方面均有所涉及，但是这并不代表经典控制理论被自动控制理论所替代。在经典控制理论阶段，自动控制运用于工业技术中的各种控制领域上，例如，生产过程、航空航天技术、通信技术以及武器控制等方面。现代控制理论被提出后也被运用于生态环境、社会系统、交通管理、经济科学以及生物和生命现象的领域研究当中。因此，这两个理论均在各自的领域当中运用广泛，所发挥的作用不可替代。

4 自动控制理论的专业前景

在现代科技中，自动控制技术占据着较大的比重，智能控制技术能够在未来的科技发展中成为行业的主要发展趋势。我们人类应当将自动控制理论的内容掌握清楚，并在未来的社会发展、经济发展与科技发展中打造出更加具有科技感和智能的产品。智能手机、智能家居、智能飞机等智能化产品和设备是我们运用自动控制理论和智能控制的技术发明出来以突破人类的生理和物理界限的产品，通过这些产品人类将更加舒适更加自由，能在机械设备上花费更少的时间来获取更高的享受。

5 结语

科技的日新月异使得社会的发展越来越快，人工智能、互联网技术、计算机网络等的突破性发展，使人类自身的局限性得以克服。而在不远的未来，自动控制技术将受到人们越来越多的重视，人类将不断地从重复的机械式活动中解放出来，将自动控制技术运用到生活和工作的方方面面。同时，人类对于自动控制理论的研究也将不断深入，认识将不断提高，对控制系统的要求也会越来越高，因此，自动控制理论有向专业化方向和综合方向发展的两种趋势。未来，自动控制的发展前景将会更加广阔，人们的生活也将越来越智能化和科技化。人类社会的发展将会受到自动控制发展的极大助益。