自動控制理論發展及其應用探索

羅淇艦

（重慶大學，重慶 400030）

自動控制理論在日常的生產經營生活中所起到的作用越來越重要，這種作用影響著現代生活與工業生產制造的各個方面，從機械工廠車間的自動生產流水線到校正線性系統，都需要運用到自動控制理論。自動控制能夠在復雜多變的外部客觀環境以及不可更改的條件下得到了更為方便的運用。比如，人類在高壓高溫條件下的高精度操控作業，又比如人們在工廠中被要求的精準而又快速的操作。在自動控制裝置的幫助之下，人類可以突破生理客觀條件的限制，完全解放自我。

1 自動控制理論的概念和特點

（1）自動控制理論的概念。自動控制是有別于人工控制的獨立概念。自動控制能夠通過外加一定的自動控制裝置按照已經設定好的運行規律對設備、機器或者生產過程中特定的工作狀態進行自動化的操作，從而能夠全面替代人力工作，并達到人們期望的狀態指標或者性能。自動控制技術能夠有效地提升產品的質量或者企業的經濟利益，并克服人工在惡劣環境中不能工作的不足點，幫助企業實現在該種環境中依舊能夠正常進行生產經營的期望?？刂普撝?，“反饋”和“系統”是自動控制理論的核心概念。其中，反饋是自動控制理論中最為核心的概念，這個概念能夠應付各種風險因素對于被控制系統的影響。另外，科學技術的發展方向為全球研究者將對復雜性科學研究或者復雜系統科學進行越來越多的研究，而控制理論需要解決的主要問題在于調控系統的運動狀態以及分析系統的結構和性質。在自動控制系統中，自動控制理論是能夠研究變量的變化規律并對其進行改進的途徑。

（2）自動控制理論的特點。自動控制理論具備以下兩個特點：①自動控制理論對定量研究較為重視，在控制理論的研究當中數學方法和理論得到廣泛運用；②自動控制理論能夠從實踐中獲取豐富的理論來源，同時其理論的科學命題具有十分廣泛的社會實踐背景。自動控制理論的兩個特點源于自動控制理論包含的“系統”和“反饋”的兩個概念。

2 自動控制理論的發展過程

（1）自動控制理論的產生與形成。在實際的科學研究當中，理論的萌芽、形成和發展常常隨著社會生產力的發展而逐步進行。2000 多年前，我國曾發明了指南車，這種產品屬于能夠進行自動調節的機器。18 世紀，瓦特將蒸汽機的汽錘調節器發明出來，這是世界上最早的自動控制裝置。汽錘調節器的誕生加速了世界第一次工業革命的步伐，其發明表明控制理論進入起步階段。19 世紀，Maxwell 發表了線性常微分方程的穩定性分析，其后，H.Nyquist 的“穩定裕量”和穩定判據、Hurwitz 和Routh 的穩定性依據、W.R.E-vans 的“根軌跡法”、H.W.Bode 的頻率法也逐步出現在世人面前。在這些前人的研究基礎上，經典的反饋控制的理論基礎形成，它是由美國自動控制理論的創始人Wiener.N 所提出。

（2）自動控制理論的發展。自動控制理論的發展主要分為三個階段。第一個階段是20 世紀40 年代～20 世紀50年代，該階段為經典控制理論。第二階段是20 世紀60 年代的現代控制理論，該理論是從線性代數的理論研究基礎上得來。第三階段在20 世紀70 年代末萌芽，為智能控制理論，該理論在發展和形成的過程當中融合了運籌學、自動控制、信息論以及自動控制等多個學科的理論基礎知識。

（3）經典控制理論的產生和發展。20 世紀40 年代～20 世紀50 年代為經典控制理論的時期，該理論的主要研究對象為系統中的各組成環節、元件的狀態以及能夠用線性微分方程描述特性的控制系統。18 世紀，自動控制技術在現代工業生產中受到逐漸的應用，這種應用加速了世界第一次工業革命的腳步，這個時期最具代表性意義的是蒸汽機離心調速器。1868 年，Maxwell 提出穩定性代數判據；1895 年，Routh 與Hurwitz 提出勞斯判據和赫爾維茨判據，1932 年，Nyquist 提出頻率響應法，1948 年Ewans 提出根軌跡法。經典控制理論即建立在根軌跡法與頻率響應法的基礎之上。1948 年，《控制論》被美國控制論的奠基人Weiner 提出并出版，該書的出現推動了反饋的概念，并為該學科奠定了理論基礎。

（4）現代控制理論的產生和發展。20 世紀60 ～20 世紀70 年代，經典控制理論的局限性導致現代控制理論的產生。新理論的研究范圍包括單入單出、多入多出以及線性和非線性問題，涉及的范圍較廣，應用的范圍也較為廣闊。該理論的產生主要是為了結論魯棒控制、多入多出以及最優控制等較為復雜的問題。現代控制理論的發展體現了控制理論的信息化、智能化以及自動化的發展趨勢，其發展并逐步走向成熟的過程反映了人類社會由機械化時代走向電氣化時代。這段時期的主要理論與人物如下：1957 年，Bellman 等提出的動態規則；1959 年，布西和Kalman 提出的狀態空間法和卡爾曼濾波理論；1961 年，龐特里亞金提出的極?。ù螅┲翟?。

（5）智能控制理論的產生和發展。智能控制是指驅動智能機械設備自動實現目標的過程，這個概念的理論基礎是運籌學、人工智能、信息論和控制論等學科的交叉理論知識。20 世紀70 年代，“智能控制”概念由傅京孫教授最早提出。他在1965 年就已經把人工智能學科的規則運用到學習系統當中。這說明1965 年是智能控制理論的萌芽時間。1977 年，美國學者Saridis 在傅京孫教授所提出的二元結構的基礎之上，提出三元結構，即自動控制、人工智能和運籌學的交叉。而中南大學的蔡自興教授在Saridis 的基礎上將三元結構進一步擴展為自動控制、人工智能、運籌學、信息論的交叉的四元結構，智能控制的理論體系也得以形成和進一步完善。

智能控制是人類通過微機以及其他多種途徑來模擬人類在日常生產經營活動中的智能控制和決策行為的過程，它是人工智能和自動控制的交集。盡管智能控制理論還未形成較為完整和成熟的理論體系，僅僅只是發展了十幾年，但是，現有的智能控制的成果與理論發展表明其正在成為自動控制領域的熱門學科之一。人工智能的發展受益于信息技術和計算機技術的快速發展，現如今人工智能已經逐漸成為一門單獨的學科，并在實踐過程中顯示出很強的發展能力和生命力。因此，盡管將智能控制理論作為第三階段的控制理論還稍顯牽強，但隨著人工智能的廣泛運用和不斷認可，智能控制理論在未來將更加的前沿、先進和令人無法想象。智能制造理論的學科研究將不斷深入，并在不久的未來逐漸成為自動控制理論的第三階段的重要分支。

3 自動控制理論的理論現狀與現實運用

盡管自動控制理論在生活和生產中的各方面均有所涉及，但是這并不代表經典控制理論被自動控制理論所替代。在經典控制理論階段，自動控制運用于工業技術中的各種控制領域上，例如，生產過程、航空航天技術、通信技術以及武器控制等方面。現代控制理論被提出后也被運用于生態環境、社會系統、交通管理、經濟科學以及生物和生命現象的領域研究當中。因此，這兩個理論均在各自的領域當中運用廣泛，所發揮的作用不可替代。

4 自動控制理論的專業前景

在現代科技中，自動控制技術占據著較大的比重，智能控制技術能夠在未來的科技發展中成為行業的主要發展趨勢。我們人類應當將自動控制理論的內容掌握清楚，并在未來的社會發展、經濟發展與科技發展中打造出更加具有科技感和智能的產品。智能手機、智能家居、智能飛機等智能化產品和設備是我們運用自動控制理論和智能控制的技術發明出來以突破人類的生理和物理界限的產品，通過這些產品人類將更加舒適更加自由，能在機械設備上花費更少的時間來獲取更高的享受。

5 結語

科技的日新月異使得社會的發展越來越快，人工智能、互聯網技術、計算機網絡等的突破性發展，使人類自身的局限性得以克服。而在不遠的未來，自動控制技術將受到人們越來越多的重視，人類將不斷地從重復的機械式活動中解放出來，將自動控制技術運用到生活和工作的方方面面。同時，人類對于自動控制理論的研究也將不斷深入，認識將不斷提高，對控制系統的要求也會越來越高，因此，自動控制理論有向專業化方向和綜合方向發展的兩種趨勢。未來，自動控制的發展前景將會更加廣闊，人們的生活也將越來越智能化和科技化。人類社會的發展將會受到自動控制發展的極大助益。