1、自动化科学作为一门学科起源于 20 世纪初，自动化科学与技术的基础理论来自于 物理等自然科学和数学、系统科学、社会科学等基础科学。自动控制理论在现代科学 技术的发展中有着重要的地位，起着重要的作用。在第 40 届 IEEE 决策与控制年会的 全会开篇报告中，美国学者 John Doyle 教授引用了国际著名学者， 哈佛大学的何数奇 教授的新观点：“控制将是 21 世纪的物理学” 。自动控制系统的早期应用可以追溯到两千多年前古埃及的水钟控制与中国汉代的 指南车控制，但当时未建立起自动控制的理论体系。1769 年，英国科学家 James Watt设计的内燃机引发了现代工业革命，1788 年 Wat
2、t 为内燃机设计的飞锤调速器会出现 震荡现象，所以后来出现了 Maxwell 对微分方程系统稳定性的理论研究，他指出线性 系统稳定的条件是其特征根均有负实部，Roth 和 Hurwitz 等人提出了间接的稳定判据，使得高阶系统稳定性判定成为可能。控制器的设计问题是由 Minor sky 在 1922 年开始 研究的，其研究成果可以看成是现代广泛应用的 PID 控制器的前身，而 1942 年，Ziegler 和 Nichols 提出了调节 PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制器参数的经验公式方法，此方法对当今的 PID 控制器整
3、定仍有影响。自动控制理论是自动控制技术的理论基础，是一门理论性较强的科学。按照自动控制理论发展的不同阶段，自动控制理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制 理论”两大部分。20 世纪中叶，由于自动控制技术的发展，逐渐形成并日臻成熟了“经典控制理论” 。这些理论主要是以传递函数为基础，研究单输入单输出自动控制系统的分析和设计问 题。采用的方法主要是微分方程分析法、根轨迹分析法和频域分析法。这些方法对控 制系统的分析设计和运行发挥了重要的作用，并积累了丰富的经验，成功地解决了一 系列以输出反馈为主要控制手段的自动控制问题。20 世纪 60 年代开始，由于生产的发展，自动控制系统日趋复杂、规模日趋
4、庞大， 特别是空间技术的发展，使自动控制理论有了一次新的飞跃，逐渐形成了“现代控制理论” 。这些理论主要是以状态空间法为基础，研究多输入多输出及变参数、非线性控 制系统的分析设计问题。近年来，由于计算机技术的迅猛发展和应用数学研究的进展，特别是一些新型控制技术，诸如最优控制、自适应控制、预测控制、模糊控制、人工神经网络控制、鲁 棒控制等的出现，使自动控制理论又有了日新月异的发展。目前主要是庞大的系统工 程的基础上发展起来的大系统理论和在模仿人类智能活动的基础上发展起来的智能控 制方面，都取得了许多重大进展。“经典控制理论”和“现代控制理论”是自动控制理论发展的两个阶段，但它们 又是相互联系，相
5、互促进的。 “现代控制理论”不能看成是“经典控制理论”简单的延伸和推广，在所采用的数学工具、理论基础、研究方法、研究对象等多方面有着明显 的不同，可以说是一次质的飞跃。但是，这并不意味着这两种方法原理截然分离。特 别是在解决实际工程问题中，许多用经典理论控制解决的问题，同样可以用现代控制理论从方法上看更加完备或结果更强，但是，经典控制理论简洁实效的分析方法和控 制方式，往往是现代控制理论难以实现的。也就是说，它们又有很强的互补性。现代 科学技术的发展和生产技术的提高，为经典和现代控制理论的发展及应用都提供了广阔的前景。系统的频域分析技术是在 Nyquist、Bode、Nichols 等进行的早
6、期关于通信学科的 频域研究工作的基础上建立起来的，Harris 于 1942 年提出的传递函数概念将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域法理论研究的基础。Evans 在1946 年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那个时代的另一个里程碑，在这些成 果的基础上诞生了第一代控制理论 经典控制理论。前苏联学者 Portraying 于 1956 年提出的极大值原理、美国学者 Bellman 的动态 规划和美国学者 Kalmar 的状态空间分析技术开创了控制理论研究的新时代，这三个代 表性成果构成了第二代控制理论 即当时所谓的“现代控制理论”的理论基础。在那个时期以后，控制理论研究
7、中出现了线性二次型最优调节器、极点配置状态反馈、最优状态观测器及线性二次型 Gauss 问题的研究，并在后来出现了引入回路传输恢复 技术的 LQG（ Linear Quadratic Gaussian，线性二次高斯）控制器。控制的对象和过程自动地按照预定的规律运行。例如使导弹能够命中目标；宇宙飞船准确地登上月球，并按预定的时间与地点返回地球；机床能够自动加工出符合一 定形状与精度的零件；机器人能按一定的规律进行某种操作；化学反应器在一定的压 力、温度所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制装置使被下 反应并生产出合格的产品等，都离不开自动控制理论与自动控制技术的发展。自 20 世纪 40 年代以来自动控制应用的领域越来越广泛，除了在航天航空技术、军事装备及 部门、工业生产过程中，自动控制技术起着特别重要的作用外，目前大至世界及国家 政治经济管理、能源控制、医疗卫生、地区规划、交通运输，小至人的日常生活，都 离不开自动控制理论及自动控制技术的应用。
