自动控制发展历程

刘雅轩

自动控制是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。经历了经典控制理论、现代控制理论、智能控制三个阶段。为工业4.0智能化时代奠定了基础。

自动控制领域从古典控制理论、现代控制理论到现在的智能控制理论，经历了很长时e69da5e887aae799bee5baa631333366303130间的发展。随着自动化技术的发展，它也面临着许多难题，如传统控制系统的设计和分析是建立在精确系统数学模型基础上的，而实际系统由于在复杂性、非线性、时变性、不确定性等情况，一般都无法获得精确的数学模型;当研究这些系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不相吻合;对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题;为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初投资，降低了系统的可靠性。为了解决这些问题，就出现了智能控制理论。随着人工智能、机器人、计算机和空间技术的迅速发展，智能控制也取得了重大进展。各种智能咨询与决策系统、专家控制系统、学习控制系统、模糊控制系统和智能故障检测与诊断等已在工业过程控制、智能机器人控制、智能化生产系统和家用电气设备中都得到了成功的应用。

近年来自动控制技术发展迅猛，特别是计算机技术、网络和通信技术发展的突飞猛进，使人们籍助于许多使能技术的进步和一些开发工具的扩大，将人们构思的自动操作得以付诸实现。如网络控制技术、可编程控制器等均属于自动化控制技术中的使能技术。自动控制技术正向着网络化、集成化、分布化、节点节能化的方向发展。

自动控制技术有很强的应用背景，无论是在炼钢、轧钢、化工、石油、电力等工业上，或是造纸、纺织、皮革和食品等工业上;无论是在航空、航海、汽车和铁路运输工业和国防工业上，或是图书资料的管理、实验室技术设备上都得到广泛应用。自动控制技术对导弹和人造地球卫星是非常重要的，对于研究原子能的应用，研究飞机和导弹的空气动力和结构强度也是有用的。没有应用背景的“控制理论”就缺乏生命力。如何巧妙地运用控制的基础理论来解决实际问题是和研究控制理论本身不同的另一种创造性工作。

自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心自从19世纪Maxwell对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定性分析以来，经过20世纪初Nyquist，Bode， Harris， Evans ，Wienner， Nichols等人的杰出贡献，终于形成了经典反馈控制理论基础，并于50年代趋于成熟特点是以传递函数为数学工具，采用频域方法，主要研究单输入单输出线性定常控制系统的分析与设计，但它存在着一定的局限性。

随着20世纪40年代中期计算机的出现及其应用领域的不断扩展，促进了自动控制理论朝着更为复杂也更为严密的方向发展，特别是在Kalman提出的可控性和可观测性概念以及提出的极大值理论的基础上，在20世纪50 60年代开始出现了以状态空间分析（应用线性代数）为基础的现代控制理论现代控制理论本质上是一种时域法，其研究内容非常广泛，主要包括三个基本内容：多变量线性系统理论最優控制理论以及最优估计与系统辨识理论现代控制理论从理论，上解决了系统的可控性可观测性稳定性以及许多复杂系统的控制问题。

但是，随着现代科学技术的迅速发展，生产系统的规模越来越大，形成了复杂的大系统，导致了控制对象控制器以及控制任务和目的的日益复杂化，从而导致现代控制理论的成果很少在实际中得到应用经典控制理论现代控制理论在应用中遇到了不少难题，影响了它们的实际应用。第三代控制理论即智能控制理论就是在这样的背景下提出来的，它是人工智能和自动控制交叉的产物，是当今自动控制科学的出路之一，其主要原因有三：

1）精确的数学模型难以获得此类控制系统的设计和分析都是建立在精确的数学模型的基础上的，而实际系统由于存在不确定性不完全性模糊性时变性非线性等因素，一般很难获得精确的数学模型;

2）假设过于苛刻研究这些系统时，人们必须提出一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不符;

3）控制系统过于复杂为了提高控制性能，整个控制系统变得极为复杂，这不仅增加了设备投资，也降低了系统的可靠性;

现代化工厂向规模集约化方向发展时，生产工艺对控制系统的可靠性、运算能力、扩展能力、开放性、操作及监控水平等方面提出了越来越高的要求。

传统的DCS系统已经不能满足现代工业自动化控制的设计标准和要求。随着工业自动化控制理论、计算机技术和现代通信技术的迅速发展，自动控制系统的未来发展方向将向智能化、网络化、全集成自动化等方向发展。

自动控制也可以概括为四个时期：

（1） 自动化装置的出现和应用（18世纪以前）

古代人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用自然界的动力（水力、风力等）代替人力、畜力，以及用自动装置代替人的部分繁杂的脑力劳动和对自然界动力的控制。

（2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）

社会的需要是自动化技术发展的动力。自动化技术是紧密围绕着生产﹑军事设备的控制以及航空航天工业的需要而形成和发展起来的。工业上的应用，是以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。1788年﹐瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题﹐把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速调节系统﹐使蒸汽机变为既安全又实用的动力装置。此时的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。

（3）局部自动化时期（20世纪40～50年代）

在1943～1946年，美国电气工程师J.埃克脱（Eckert）核物理学家J.莫奇利（Mauchly）为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管和数字管的计算机（Electronic Digit Computer）——电子书子积分和自动计数器（ENIAC）。随后人们对计算机进行了多次改良，使之更加实用。同时，电子计算机的发明，为20世纪60～70年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。目前，小型电子数字计算机或单片机已成为复杂自动控制系统的一组成部分，以实现复杂的控制和算法。

（4）综合自动化时期（20世纪50年代起末至今）

在这个时期，经典控制理论已不能满足复杂工业化的需求，现代控制理论应运而生，得到了迅速的发展，并形成了许多各分支。

社会在不断进步，智能化的提出引领了各个领域的变革，它是信息化技术的应用，它采用了人工智能理论、学习算法、先进技术，使设备能够模拟人类智能的某些特性和功能。工业智能化控制是在人工智能的基础上提出的控制方法，主要表现在机械设备自动控制的多功能化方面。通过以太网和Web技术实现开放型分布式智能系统，基于网络通用的TCP/IP四层协议族，提供高度模块化、分布式技术和可反复使用的工业控制方案。比如：新一代的固态传感器和智能变送器向微型化、高精度、低功能、智能化方向发展，智能阀门定位器由高集成度的微控制器控制，对所有控制参数都可组态，实现线性、分程控制、等百分比、快开等特性修正功能，并能实现智能化。网络的嵌入使智能化的实现成为必然趋势。