1、自动控制理论论文摘要:近一个世纪以来,科学技术日新月异 .在人类征服自然的生产实践活动中孕育、产生的自动控制理论随着社会生产和科学技术的进步而不断发展、完善起来。实践中出现的问题，促使科学家们从理论上进行探索研究。控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制理论的深入发展，必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展.关键字: 自动控制理论 发展 现状 展望The Thesis of the
2、sis automatic control theories- Development, the present condition and outlookSummary:The automatic control theories is the production that conquers nature at the mankind to practice to conceive,produce,combine to produce along with the society in the activity and science technical progress but deve
3、lop continuously,perfect of.Practice medium the problem of emergence, urge the scientists to be from the theories carry on investigating a research. in the mathematicstool,theories foundation and still studied the tops of the method to all produce materiality regardless of leap, infused into booming
4、 vitality in the information and the control academics the research, inspire and expand the persons mode of thinking, guide people to inquiry into deeper sport mechanism of nature.The thorough development of the control theories, necessarily push emolliently the development of the social productivit
5、y, exaltation people of living level, promote mankind social of develop forward.Key word: (Automatic control theories) (development) ( the present condition) (prospect)正文:在人类征服自然的生产实践活动中孕育、产生的自动控制理论随着社会生产和科学技术的进步而不断发展、完善起来。在 1868 年至今的短短一百年中，自动控制理论无论在深度和广度上都得到了令人吃惊的发展，对人类社会产生了巨大的影响。从瓦特的蒸气机、阿波罗登月到海弯战争
6、，无处不现示着控制技术的威力。在哲学领域，反馈理论的建立与成功应用，也使“ 因果关系” 进一步发展为“ 因果果因关系” ，反馈的概念受到人们的重视。以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前公认的第一篇理论论文,J.C.Maxwell 在 1868 年发表的“论调节器” 算起，至今不过一百多年。然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。 “控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。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
7、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。约在公元前三世纪中叶，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子(phellossive tympanum)。按迪尔斯(Diels) 本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想 (尽管当时并不明确) 。1中国有着灿烂的古代文明。中国古代的科学家们对水钟十分得重视，并进行了长期的研究。据记载，约在公元前 500 年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在 公元 120 年，著名的科学家张
8、衡 (78-139,东汉) 又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏”由铜匠杜子盛和洗运行建造于公元 1316 年( 元代延佑三年)，并一直连续使用到 1900 年。现保存在广州市博物馆中，但仍能使用。23北宋时期，苏颂等于 1086 年-1090 年在开封建成“水运仪象台 ”。仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体的运行， “使它自动地保持在窥管的视场中”。这种仪象台的动力装置中就利用了“从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器(天关、天锁) 加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用
9、浑仪结合起来，这比西方罗伯特.胡克早六个世纪。4公元 235(三国时期)的马均及公元 477 年(刘宋时期) 祖冲之等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机52729。另外，我国在公元前 350 年已经用在结构上与水轮相似的水臼来碾米；在公元前 50 年用水轮来引水灌溉；在公元前 31 年在锻冶场里使用水动风箱等。大大地减轻了人们的劳动29。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
10、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。629 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。1765 年俄国的波尔祖诺夫（.）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）2123。176
11、0 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。7瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析，后来 J.C.Maxwell 从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究。8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
12、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 10861089 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（IPolzunov ）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。以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
13、国物理学家麦克斯韦（JC 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(EJRouth)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。20 世纪 50 年代中期，空间技术的发展迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度，低消耗控制) 。实践的需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术的发展
14、也从计算手段上为控制理论的发展提供了条件，适合于描述航天器的运动规律，又便于计算机求解的状态空间描述成为主要的模型形式。俄国数学家李雅普诺夫(AMLyapunov) 1892 年创立的稳定性理论被引用到控制中。1956 年，前苏联科学家庞特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理；同年，美国数学家 R贝尔曼（RBellman）创立了动态规划。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具。1959 年美国数学家卡尔曼（RKalman）提出了著名的卡尔曼滤波器，1960 年卡尔曼又提出系统的可控性和可观测性问题。到 20 世纪 60 年代初，一套以状态方程作为描述系统的数学模型，以最优
15、控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确定，现代控制理论应运而生。纵观历史我们不难看到: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（HWBode）和尼柯尔斯(NB 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。第二次世界大战期间，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
16、及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪，精确控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技术，促使了许多新的见解和方法的产生。同时，还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。这是稳定性理论的早期发展;接下来是负反馈放大器及频域理论的建立15以及根轨迹法的建立. 1948 年，美国科学家伊万斯（W R Evans ）创立了根轨迹分析方法，为分析系统性能随系统参数变化的规律性提供了有力工具，被广泛应用于反馈控制系统的分析、设计中。以传递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。到 20 世纪 50 年代，经典控制理
17、论发展到相当成熟的地步，形成了相对完整的理论体系，为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系统为主的单输入单输出系统，还不能解决如时变参数问题，多变量、强耦合等复杂的控制问题。最后是脉冲控制理论的建立与发展。现代控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适用于多变量、非线性、时变系统。现代控制理论在航空、航天、制导与控制中创造了辉煌的成就，人类迈向宇宙的梦想变为现实。为了解决现代控制理论在工业生产过程应用中所遇到的被控对象精确状态空间模型不易建立、合适的最优性能指标难以构造、所得最优控制器往往过于复杂等问题，科学家们不懈努力，近几十年
18、中不断提出一些新的控制方法和理论，例如自适应控制，模糊控制，预测控制，容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制等，大大地扩展了控制理论的研究范围。在控制理论发展的历史上有三部著作特别值得一提，即目前被作为信息论开端的香农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文：通讯的数学理论 （A Mathematical Theory of Communication）1948 年发表在贝尔系统技术杂志第 27 卷。这篇论文同其 1949 年发表的论文噪声中的通讯 （Communication in Presence of Noise.Proc.IRE,37,10-21）
19、奠定了信息论的基础控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著：控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学 （Cybernetics or Control andCommunication in the annimal and the machines. 1948）钱学森(Tsien H S,1991-)的著作工程控制论 （Engineering Cybernetics. 1954）这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程控制论。在中国，1954 年出版了由刘豹编写的第一本自动控制原理专著（上海：中国科学图书仪器
20、公司.1954） 。回顾控制技术和控制理论几千年的发展历史，我们可以总结出科学发展的几个特点：1）社会发展的需要是科学发展的动力。控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。钱三强先生就曾指出：“科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取决于生产和社会的需求。 ”202）科学的进步是集体努力的结果，在这一点上往往显示出科学家的群体效应。同早期科学理论的发展不
21、同，现代高新技术的发展要依赖于集体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明了这一点。3）科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础。杰出的科学家大多是多面发展的。4）没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展。控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水平上发展。1868 年以来，随着控制理论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。不仅于此，由于我们中国几千年来只
22、重技术不重理论，我们现在的历史就是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明”，而在十六、十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落，终于到了“落后”的近代，挨打受欺，以至于“ 丧权辱国”了。控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制理论的深入发展，必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展。参考文献:1英李约瑟. 中国科学技术史. 第四卷天学第二分册.北京: 科学出版社,336
23、-341,19752同上,340-377.3同上,439-446.4同上,446-459.5钱伟长. 我国历史上的科学发明,48-50. 北京: 中国青年出版社 , 19536英亚.沃尔夫.十八世纪科学、技术和哲学史,707-714. 北京:商务印书馆,19917同上,730-753.8杨位钦,谢锡祺.自动控制理论基础,3-5. 北京: 北京理工大学出版社 ,19919中国大百科全书.自动控制与系统工程.北京：中国大百科全书出版社， 199110贝尔 E T.数学精英. 徐源译. 宋蜀碧校. 北京：商务印书馆， 199111布斯 A D英. 自动化与计算技术 . 吴怡，莫莎译. 北京：国防工业出版社， 1965
