控制理論與控制工程的發展與應用

孫崢

摘 要：控制理論作為二十世紀的三項科學革命之一，在現代科學技術及計算機技術快速發展的背景下不斷發展和完善，在促進各個領域的發展中有著至關重要的作用，可以說控制理論與控制工程廣泛應用到各行各業是時代發展的潮流趨勢。本文就此分析了控制理論與控制工程的發展與應用，旨在給相關科研人員進行難題突破提供一定的參考。

關鍵詞：控制理論；控制工程；發展與應用

二十世紀產生的相對論、量子論和控制論并稱為三項科學革命，是人類進一步認識客觀世界的重要理論。隨著現代科學技術及計算機技術的不斷進步，控制理論與控制工程不僅涉及到工業、農業、交通運輸業等傳統領域，而且逐步滲透到生物、信息、通訊等新興領域。因此，把控制理論與控制工程有效的應用到更多的問題解決中，已成為相關科研人員進行問題解決的關鍵手段。

1 控制理論與控制工程的發展

1.1 控制理論的產生

控制理論作為一門應用性很強的學科，其產生可以追溯到十八世紀中葉英國的第一次技術革命中。瓦特于1765年發明蒸汽機后，把離心式飛錘調速器原理應用到蒸汽機轉速控制中，標志著以蒸汽為原動力的機械化時代到來。之后工程界把控制理論應用于調速系統穩定性問題的研究上來。

隨著通訊和技術處理技術的快速發展，電氣工程師們研究出了以實驗為基礎的頻域響應分析法，美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特于1932年發表的《反饋放大器穩定性》一文中，提出系統穩定性奈奎斯特判據，后來被推廣到條件穩定性和開環不穩定研究上?？刂苿撌既司S納在總結前人的成果基礎上，寫成《控制論——或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》一文，奠定了控制理論基礎。

1.2 控制理論與控制工程的發展

第一階段：二十世紀40～60年代，即古典控制理論時期。這一時期，主要是對單輸入單輸出問題進行解決，而解決這些問題所運用到的方法主要有傳遞函數、根軌跡、頻率特性等，且大多數研究的是是線性定常系統，而對非線性系統研究使用的相平面法變量不超過兩個，該控制理論能有效的解決生產過程中的單輸入單輸出問題。其代表有1945年伯德提出的伯德圖法等。

第二階段：二十世紀60～70年代，即現代控制理論時期。這一時期隨著空間技術的發展，控制理論逐漸向高性能方向發展，主要是對相對復雜問題進行解決。充分使用數學計算機進行分析設計和實時控制，這一過程中出現的非線性、時變、多輸出多輸入等相對比較復雜的系統控制問題已遠遠超出了古典控制理論的范圍，為此提出了最優控制方法，隨后又產生自適應控制系統，使現代控制理論提出并不斷完善。其代表有1961年龐特里亞金的極大值原理。

第三階段：二十世紀70年代至今，主要是大系統理論和智能控制時期。大系統理論主要是對控制理論廣度的拓展，利用控制和信息的觀點，對各種大系統的結構、設計、方案等技術理論進行研究；智能化控制主要是對控制理論深度的開掘，對人類智能活動和信息傳遞控制規律等進行研究，并研制出仿人智能的工程控制和信息處理系統，其代表就是智能機器人的發明。

2 控制理論與控制工程的應用

2.1 控制理論不只是一門學科，是哲學，是世界觀，是方法論

二十一世紀比較流行的是3C技術，即計算機技術、通信技術和控制技術，且計算機技術是中心，通信技術是關鍵，控制技術是根本，所以控制學科已發展成為一門基礎學科。而且控制理論和控制工程中的系統結構、系統穩定、系統智能、系統反饋等理論思想除了在自然科學各領域有廣泛應用外，還滲透到人文科學中。所以有專家認為控制理論已不單純只是一門學科，而是發展成為哲學、世界觀和方法論。

控制理論和控制工程具有基本概念的普適性和獨特性等特點，且在其應用中的關鍵與核心主要是兩個概念：

第一，系統概念。隨著社會經濟的發展，系統問題已成為社會關注的焦點和熱點，特別是社會中的復雜系統及科學課題，這是控制理論發展和完善的必然趨勢，控制理論和控制工程除了要進行結構和性質研究外，更要對系統運行進行調控。

第二，反饋概念。這一概念是控制理論的核心，是區別于其他學科及理論應用的根本。反饋可以讓控制系統盡可能的具備人類智能的特點，可以對實際應用過程中的數據、結構等不確定因素進行監控和調整，提高工作效率。

2.2 “一種控制，兩種研究方法，三種系統”的應用

⑴“一種控制”，即最優控制。最優控制是控制理論和控制工程應用的核心內容，主要就是在滿足一定的約束條件基礎上，選擇最優控制策略，使性能指標極大化或者極小化，讓系統控制通過基本條件及綜合方法（就是受控的運動過程或動力學系統）取得最優化效果。

⑵“兩種研究方法”，即PDI控制器和Kalman濾波器。PDI控制器和Kalman濾波器作為控制理論與控制工程的典型研究方法，在實際系統中得到廣泛的應用。這兩種方法不僅可以應用于線性模型，而且還可以應用到很多非線性系統的證明中。

⑶“三種系統”，即開環控制系統、閉環控制系統和符合控制系統。根據不同的具體應用使用不同的系統。比如說水槽內水位的控制和電加熱器中的溫度控制，主要利用的是自動控制和閉環系統。

[參考文獻]

[1]王海龍.談控制理論與控制工程的發展與應用[J].科技創新導報，2013（4）.

[2]王凡，王思文，鄭衛剛.現代控制理論概述及實際應用意義[J].網友世界，2012（7）.