控制理論與控制工程的發展與應用探討

劉祥斌

摘 要： 隨著現代信息技術的高速發展，計算機技術與控制工程也在不斷的發展和完善。控制理論作為科學革命之一，為各個領域的發展起到了重要的推進作用。本文對控制理論與控制工程的發展和應用進行了深入的分析與研究，并做出相應總結，以供參考。

關鍵詞： 控制理論;控制工程;發展與應用;策略

控制理論與控制工程的主要研究對象是工程領域中的控制系統。其是以計算機技術和數學方法為研究手段，研究控制系統以及控制方法的理論和技術。二十世紀的量子論、控制論和相對論是科學革命中的三項重要理論。伴隨控制理論與控制工程研究工作的不斷深入，其研究領域與研究對象也在不斷變化，不僅涉及到交通、運輸、農業、工業、制造業等傳統產業，同時還參與了信息、管理、通訊、生物等新技術領域。在時代發展的今天，以計算機技術、控制技術、通訊技術為代表的IT行業中，計算技術是產業核心，控制技術是產業基礎，而通訊技術是產業的關鍵。所以，控制技術作為現代發展不可或缺的環節，其系統智能、系統反饋、系統結構的理論不僅應用在各個科學領域，而且也體現在人文科學中。因此，控制理論對控制工程的發展具有推動作用。

一、控制理論的產生背景

控制理論最早出現在十八世紀中期英國的第一次技術革命，在初中歷史中學過，1765年，瓦特發明了蒸汽機，后來利用離心調速器控制了蒸汽機的轉速，使人類步入了蒸汽時代。1868年麥克斯韋在《關于調速器》中提出，控制系統可以使用微分方程來表達，其穩定性可以應用方程根的位置研究，從而挖掘了數學方法對控制系統的研究途徑。勞斯和胡爾維茨分別在1877和1895年，將麥克斯韋的微分方程思想進一步擴張，提出了用代數方程的系數直接辨別，判斷控制系統的穩定性的準則。上述方法滿足了上世紀控制工程師的應用需求，從而奠定了良好的控制理論基礎。

伴隨科學技術的不斷發展，電氣工程師研究出了以實驗操作為特征的頻域響應分析法。隨后，在美國工程師奈奎斯特在《反饋放大器穩定性》中提出控制系統穩定的奈奎斯特判據。后來，伯德和尼克爾斯對頻域響應分析法結合奈奎斯特判據進一步發展成為經典控制理論。為技術工程師在設計反饋控制系統時提供了的有效理論。

二戰期間，由于軍事工具對控制系統準確的跟蹤及補償能力的迫切需要，頻率相應分析法被推廣到離散系統和非線性系統中。美國著名數學家維納在做控制論總結時，系統地闡述了控制理論的基礎方法，并推廣了反饋調節的概念，從而為控制理論學科奠定了教學基礎。

二、控制理論的發展階段

隨著計算機技術的不斷更新，推動了控制理論的快速發展。控制理論發展總結歸納為三個重要階段。

（一）古典控制理論時期

控制理論發展第一階段是在二十世紀40～60年代，為了解決單向輸入輸出問題，主要采用頻域分析法的頻率特性、傳遞函數、根位置，研究線性定常系統和非線性系統。由于線性定常系統和非線性系統分析時利用的相平面法最多不能超過兩個變量，所以，采用古典控制理論恰好能夠解決單向輸入輸出問題。在控制論的發展中，這一階段的主要理論方法是伯德提出的伯德圖法和伊文思提出的根軌跡法。

（二）現代控制理論時期

控制理論發展第二階段是在二十世紀的60～70年代，控制工程的高速發展使其步入了空間技術時代。控制工程優化了其性能，并有效融合了數學計算機技術，實現了分析設計和實時控制。在此過程中，需要處理時間變化、非線性和多輸入多輸出等一系列控制系統問題。此時，由于古典控制理論對解決復雜控制問題具有局限性，相繼出現了最優的控制方法，自適應控制系統的出現完善了現代控制理論，使其更具有科學性。這一階段的代表人物有提出極大值原理的龐特里亞金;提出動態規劃的貝爾曼;以及發表估計器和線性濾波器論文的卡爾曼等。

（三）發展控制理論時期

控制理論發展第三階段是二十世紀七十年代至今，控制理論逐漸向著“智能控制”和“大系統理論”方向發展。“智能控制”是在控制理論上的深度挖掘，模擬人類信息傳遞與智能活動的規律，研究現代化人工智能的信息處理與工程控制。而“大系統理論”則是在控制理論上的范圍拓展，研究各種大系統的結構、設計方法和反饋協調等問題。控制理論的不斷發展和完善見證了人類從機械化走進電氣化，再到自動化、智能化的過程。

三、控制理論與控制工程具體應用

控制理論與控制工程的運用可以總結為一種控制、兩種方法、三種系統在控制系統中的具體應用。

一種控制指的是最優控制，是控制理論與控制工程的核心應用內容。研究最優控制要充分滿足其約束條件，進而設計出最優控制方案，并在設置性能指標最值的基礎上，使系統性能指標實現優化效果。

兩種方法是指PDI控制器和kalman濾波器。這兩種系統方法在實際系統中應用比較廣泛，這兩種方法通常用在線性模型中，提高了應用系統的穩定性。還可以將其應用到非線性系統中做進一步定量研究。此外，控制理論和控制系統在現實生活中的應用也較為常見，比如，控制工程中水槽中水位、控制電加熱器的溫度等。

三種系統，即復合控制系統、開環控制系統和閉環控制系統。控制系統中要根據不同的控制需求應用不同的控制系統。

四、結語

綜上所述，隨著科學技術以及信息技術的不斷發展，控制理論和控制工程也逐漸由傳統產業的應用延伸到新技術產業中。其不斷的完善和優化給人類的生活帶來極大的便利。

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