自動控制系統的發展及技術現狀是什麽？
1 基本概念
如圖4-1所示框圖說明了控制系統的基本概念，動作信號通過（經由）控制系統元件後，提供壹個指示，此系統的目的就是將變量c控制於該指示內。壹般來說，被控變量為系統的輸出，而動作信號為系統的輸入。舉壹個簡單的例子，汽車的方向控制（Steering Control），兩個前輪的方向可視為被控制變量，即輸出；而其方向盤的位置可視為輸入，即動作信號e。再如，若我們要控制汽車的速度，則加速器的壓力總和為動作信號，而速度則視為被控變量。
圖4-1 基本控制系統框圖
我們將需要控制的物理量稱為系統的被控量或輸出量。用來使系統具有預期性能或預期輸出的激勵信號定義為系統的控制量或輸入量。而將那些使被控量偏離預期值的各種因素稱為擾動量。自動控制過程就是設法消除擾動因素的影響，從而保持被控制量按預期要求變化的過程。
所以自動控制系統可以這樣理解：任何壹個系統，在沒有人直接參與的情況下，通過控制裝置使被控制對象或者過程自動按照預定的規律運行。
人類在掌握了簡單的制造技術之後，就有了創造自動裝置的想法，以便減輕或代替人類自身的勞動，這就是自動控制思想的最初來源。自動控制技術的發展過程大體經過了四個階段：古代階段、17—19世紀階段、19世紀到“二戰”階段和“二戰”以後階段。這期間，經典控制理論、現代控制理論等從無到有地發展起來。
2 自動控制技術的早期發展
在古代，大約公元前14世紀到公元前11世紀，世界上包括中國、埃及和巴比倫等文明古國由於生產發展對計量時間的需要，都出現了能夠自動計時的漏壺。漢朝科學家張衡發明了渾天儀和地動儀，其模型外形圖如圖4-2所示，把自動控制思想應用到了天文觀測儀器和地震觀測儀器。三國時期出現了指南車，它是確定方位儀器中利用自動控制思想的成功示例。中國北宋時代（公元1086—1089年）蘇頌和韓公廉制造的水運儀像臺如圖4-3所示，它是將用於天文觀測的渾天儀和用於天文演示的渾象儀及自動計時裝置結為壹體的儀器。整個系統就是壹個按負反饋原理構成的閉環非線性自動控制系統。
圖4-2 張衡地動儀模型外形圖
圖4-3 水運儀像臺
古埃及和古希臘都先後出現了半自動的簡單機器，如教堂廟門自動開啟裝置、自動灑聖水的銅祭司、投幣式聖水箱和在教堂門口自動鳴叫的青銅小鳥等自動裝置，這些都是壹些互不相關的原始自動裝置，是壹些個別的發明。17世紀以後，隨著生產的發展和科學的進步，在歐洲出現了多種自動裝置，其中包括：1642年法國物理學家帕斯卡發明了能自動進位的加法器；1657年荷蘭機械師惠更斯發明了鐘表；1745年英國機械師E．李發明了帶有風向控制的風磨，這種風磨可以利用尾翼的調向作用使主翼對準風向；1765年俄國機械師波爾祖諾夫發明了浮子閥門式水位調節器，可以自動控制蒸汽鍋爐的水位。這壹時期，自動控制技術都是由於生產發展的需求而產生的。
1788年英國科學家瓦特（圖4-4）發明了離心式節速器，也稱作飛球調速器，如圖4-5所示，用它來控制蒸汽機的蒸汽閥門，構成蒸汽機轉速的閉環自動控制系統，從而實現了離心式節速器對蒸汽機轉速的控制。瓦特的這項發明促進了近代自動調節裝置的廣泛應用，對由蒸汽機帶來的第壹次工業革命及以後的控制理論發展都有重要的影響。其他國家的發明還有：1854年俄國機械學家和電工學家康斯坦丁諾夫發明的電磁調速器；1868年法國工程師法爾科發明了反饋調節器，通過它來調節蒸汽閥，操縱蒸汽船的舵，這就是後來得到廣泛應用的伺服機構。在1868年以前，自動化技術只是壹些個別的發明和簡單的應用，所以把它稱作第壹階段。在1868年之後，逐漸開始了對自動控制系統的理論分析和大規模的廣泛應用，所以把它稱作第二階段。
圖4-4 瓦特
圖4-5 瓦特離心式節速器對蒸汽機的控制示意圖
1—蒸汽機；2—蒸汽閥；3—調速器；4—負荷
3 自動控制理論的早期發展
各種簡單的自動控制裝置都可以改進生產技術，提高生產效率。雖然這種技術的發明在18世紀以前經歷了漫長的歷史過程，還沒有理論分析和數學描述，但是它們對自動化技術的形成起到了先導作用，都是從實際經驗中總結出來的。17—18世紀是自動化技術的逐漸形成時期，接下來是近代自動化技術的發展時期，數學描述和理論分析起到了至關重要的作用。人們最初遇到的是自動調節器的穩定性問題，由於瓦特發明的離心式調速器有時會造成系統的不穩定，使蒸汽機產生劇烈振蕩；到19世紀又發現了船舶上自動操舵機的穩定性問題。這些問題引起了人們的廣泛關註，壹些數學家嘗試用微分方程來描述和分析系統的穩定性問題。對自動控制系統最初的數學描述是英國物理學家麥克斯韋（圖4-6），他在1868年發表了《論調速器》的文章，該文章總結了無靜差調速器的理論。
1877年英國數學家勞斯（E．J．Routh）提出了著名的勞斯穩定判據，它是壹種代數穩定判據，可以根據微分方程的系數來判定控制系統的穩定性。1895年德國數學家A．胡爾維茨（圖4-7）提出著名的胡爾維茨穩定判據，它是另壹種形式的代數穩定判據。勞斯—胡爾維茨穩定判據是能預先根據傳遞函數或微分方程判定調節器穩定性的重要判據。1892年俄國數學家李雅普諾夫發表了《論運動穩定性的壹般問題》的專著，以數學語言形式給運動穩定性的概念下了嚴格的定義，給出了判別系統穩定的兩種方法。
圖4-6 麥克斯韋
圖4-7 胡爾維茨
進入20世紀以後，由於工業革命的需要，人們開始采用自動控制裝置，來解決工業生產中提出的控制問題。自動控制器的應用標誌著自動化技術進入新的歷史時期。在這壹時期中，控制器都是壹些跟蹤給定值的裝置，使壹些物理量保持在給定值附近。工業生產中廣泛應用各種自動控制裝置，促進了對調節系統進行分析和綜合的研究工作。到了20世紀20年代以後，美國開始采用比例、積分、微分調節器，簡稱PID調節器。PID調節器是壹種模擬式調節器，現在還有許多工廠采用這種調節器。在20世紀最初的20年裏，自動控制器中已廣泛應用反饋控制的結構。從20世紀20年代開始，越來越多的人開始致力於從理論上研究反饋控制系統。
1925年英國電氣工程師O．亥維賽把拉普拉斯變換應用到求解電網絡的問題上，運用微積分，求得瞬態過程。1927年美國貝爾電話實驗室在解決電子管放大器失真問題時，電氣工程師H．S．布萊克從電信號的角度引入了反饋的概念。1932年美國電信工程師奈奎斯特（圖4-8）提出了著名的奈奎斯特穩定判據，可以直接根據系統的傳遞函數畫出奈奎斯特圖，用來判定反饋系統的穩定性。1938年蘇聯電氣工程師米哈伊洛夫應用頻率法研究自動控制系統的穩定性，提出著名的米哈伊洛夫穩定判據。
圖4-8 奈奎斯特
隨著自動控制理論的發展，程序控制、邏輯控制和自動機的思想得到了發展。1833年英國數學家C．巴貝奇在設計分析自動機時首先提出程序控制的概念，他嘗試采用法國發明家J．M．雅卡爾設計的編織地毯花樣用的穿孔卡方法實現分析機的程序控制。1936年英國數學家圖靈研制了著名的圖靈機，成為現代數字電子計算機的雛形。他用圖靈機定義可計算函數類，並建立了算法理論和自動機理論。1938年美國電氣工程師香農和日本數學家中島，以及1941年蘇聯科學家舍斯塔科夫，分別獨立地建立了邏輯自動機理論，用僅有兩種工作狀態的繼電器組成了邏輯自動機，實現了邏輯控制。此外，香農還建立了信息論。
4 經典控制理論的形成
自動控制技術的發展歷史是壹部人類以自己的聰明才智延伸和擴展器官功能的歷史。自動化是現代科學技術和現代工業的結晶，它的發展充分體現了科學技術的綜合應用。自動控制技術是隨著社會的需要而發展起來的，尤其是隨著生產設備和軍事設備的控制，以及航空航天工業的需要而發展起來的。第二次世界大戰時期形成的經典控制理論對戰後發展自動控制技術起了重要的促進作用。在第二次世界大戰期間，德國的空軍優勢和英國的防禦地位，迫使美國、英國和西歐各國科學家集中精力解決了防空火力控制系統和飛機自動導航系統等軍事技術問題。在解決這些問題的過程中形成了經典控制理論，設計出各種精密的自動調節裝置，開創了系統和控制這壹新的科學領域。
第二次世界大戰期間，反饋控制方法被廣泛用於設計研制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達天線控制系統以及其他軍用系統（圖4-9）。這些系統的復雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技術，導致了許多新的見解和方法的產生，同時還促進了對非線性系統、采樣系統以及隨機控制系統的研究。
1945年美國數學家維納（圖4-10）把反饋的概念推廣到壹切控制系統，1948年維納發表《控制論》壹書，為控制論奠定了基礎。同年，美國電信工程師香農發表《通信的數學理論》，為信息論奠定了基礎。維納和香農從控制和信息這兩個側面來研究系統的運動，維納還從信息的觀點來研究反饋控制的本質。從此人們對反饋和信息有了較深刻的理解。1954年中國系統科學家錢學森全面地總結了經典控制理論，並進壹步把它提高到更高的理論高度上，在美國出版《工程控制論》壹書。工程控制論的目的是研究控制論這門學科中能夠直接用在工程上設計受控系統的那些部分。工程控制論使人們有可能具備更廣闊的眼界，用更系統的方法來觀察有關的問題，因而往往可以得到解決舊問題的更有效的新方法，還可能揭示新的以前沒有看到過的前景。
圖4-9 第二次世界大戰時期的雷達
圖4-10 維納
這壹新的學科當時在美國稱為伺服機構理論，在蘇聯稱為自動調整理論，主要是解決單變量的控制問題。當時在分析和設計反饋伺服系統時廣泛采用傳遞函數和頻率響應的概念。最常用的方法是奈奎斯特法（1932）、波德法（1945）和埃文斯法（1948）。埃文斯法又稱根軌跡法，是美國電信工程師W．R．Ewans於1948年提出來的，在20世紀30—40年代為適應單變量調節和隨動系統的設計而發展起來的頻率法奠定了經典控制理論的基礎，後來頻率法成為分析和設計線性自動控制系統的主要方法。這種方法不僅能定性地判明設計方向，而且它本身就是近似計算的簡便工具。因此，對於在很大程度上仍然需要依靠經驗和嘗試的控制系統的工程設計問題來說，這種方法是特別有效和特別受歡迎的。
經典控制理論這個名稱是1960年在第壹屆全美聯合自動控制會議上提出來的。在這次會議上把系統與控制領域中研究單變量控制問題的學科稱為經典控制理論；把系統與控制領域中研究多變量控制問題的學科稱為現代控制理論。
1952年，首臺數控機床誕生，數控機床技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征。數控機床如圖4-11所示。
20世紀40年代中期發明的電子數字計算機開創了數字程序控制的新紀元，雖然當時還局限於自動計算方面，但為60—70年代自動化技術的飛速發展奠定了基礎。
1961年，世界上首臺工業機器人（圖4-12）誕生，這對工業生產線的自動化產生了巨大的推動作用。
圖4-11 數控機床
圖4-12 工業機器人
1958年出現晶體管計算機，1965年出現集成電路計算機，1971年出現單片微處理機。微處理機的出現對控制技術產生了重大影響，控制工程師可以很方便地利用微處理機來實現各種復雜的控制，使綜合自動化成為現實。
1957年國際自動控制聯合會（IFAC）召開成立大會，有18個國家的代表團出席了這次大會，中國是發起國之壹。從1960年起每三年召開壹次國際自動控制學術大會，並出版《自動學》﹑《IFAC通訊》等期刊。IFAC的成立標誌著自動控制這壹學科已經成熟，通過國際合作來推動系統和控制領域的新發展。
5 現代控制理論和技術的形成和發展
20世紀50年代以後，經典控制理論有了許多新的發展。各種新的理論和方法，逐漸滲入控制理論的研究中來。但是到了50年代末就發現把經典控制理論的方法推廣到多變量系統時會得出錯誤的結論，經典控制理論的方法有其局限性，為了解決和克服遇到的問題，現代控制理論應運而生。
1）系統辨識﹑建模與仿真
現代控制理論中最優控制器的設計﹑觀察器的設計和零極點配置等都是在已知系統的動態方程或狀態方程的前提下進行的。這些系統綜合方法往往選擇壹種使用方便的描述形式，而不考慮如何獲得這些數學模型。在實際應用中系統的模型往往是未知的。對於復雜系統用已知的物理規律來建立模型常常遇到難以克服的困難。於是根據系統的輸入輸出數據來建立數學模型的方法便發展起來，逐步形成了系統辨識的理論和方法。
在分析﹑綜合和設計自動控制系統的過程中除了應用理論進行計算以外，常常要對系統的特性進行試驗研究。顯然，在系統未建立前是不可能對系統進行試驗的。對於已有的系統，如果系統十分復雜，在實際系統上進行試驗，不論出於經濟還是安全的考慮，都是不能允許的，有時甚至是不可能的。為此，有必要在仿真設備上試驗系統，包括建立﹑修改﹑復現系統的模型，通常把這種試驗過程稱為系統仿真。現在系統辨識﹑建模和仿真已成為系統和控制領域中十分活躍的重要學科。
2）自適應控制和自校正調節器
50年代初為了設計飛機的自動導航系統，使其能在較寬的速度和高度範圍內飛行，開始重視自適應控制的研究。60年代控制理論的發展加深了對自適應過程的理解。自適應控制可用隨機遞推過程來描述。到了70年代由於微電子學有了新的突破，可用簡單而經濟的方法來實現自適應控制。目前對於參數自適應控制已研究出三種方法，即增益調整法﹑模型參考法和自校正調節器。
3）遙測﹑遙控和遙感
19世紀末已出現了遠距離測量和控制的嘗試。20世紀20年代遙測和遙控開始達到實用階段，用於鐵路上信號和道岔的控制。1930年發送了世界上第壹個無線電高空探測儀，用以測量大氣層的氣象數據。這是第壹臺比較完善的無線電遙測設備。到了40年代，大電力系統，石油﹑天然氣管道輸送系統和城市公用事業系統都需要通過遙測﹑遙信﹑遙控﹑遙調來對地理上分散的對象進行集中監控，促進了遙測遙控系統的發展。蘇聯和東歐各國把這類系統稱為遠動系統。
遙測就是對被測對象的某些參數進行遠距離測量，壹般是由傳感器測出被測對象的某些參數並轉變成電信號，然後應用多路通信和數據傳輸技術，將這些電信號傳送到遠處的遙測終端，進行處理﹑顯示及記錄。遙信則是對遠距離被測對象的工作極限狀態（是否工作或工作是否正常）進行測量。遙控就是對被控對象進行遠距離控制。遙控技術綜合應用自動控制技術和通信技術，來實現遠距離控制，並對遠距離被控對象進行監測。其中對遠距離被控對象的工作狀態的調整稱為遙調。對按壹定導引規律運動的被控對象進行遠距離控制則稱為制導，即控制和導引，在航天﹑航空和航海上有廣泛的應用。
60年代以後遙感技術得到了迅速的發展。遙感就是裝載在飛機或人造衛星等運載工具上的傳感器，收集由地面目標物反射或發射來的電磁波，利用這些數據來獲得關於目標物的信息。以飛機為主要運載工具的航空遙感發展到以地球衛星和航天飛機為主要運載工具的航天遙感以後，使人們能從宇宙空間的高度上大範圍地周期性地快速地觀測地球上的各種現象及其變化，從而使人類對地球資源的探測和對地球上壹些自然現象的研究進入了壹個新的階段，現已應用在農業﹑林業﹑地質﹑地理﹑海洋﹑水文﹑氣象﹑環境保護和軍事偵察等領域。
4）綜合自動化
50年代末到60年代初，開始出現電子數字計算機控制的自動化工廠，60年代末在制造工業中出現了許多自動化生產線（圖4-13），工業生產開始由局部自動化向綜合自動化方向發展。70年代以來微電子技術﹑計算機技術和機器人技術的重大突破，促進了綜合自動化的迅速發展。過程控制方面，1975年開始出現集散型控制系統，使過程自動化達到很高的水平。制造工業方面，在采用成組技術﹑數控機床﹑加工中心和群控的基礎上發展起來的柔性制造系統（FMS）及計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）系統成為工廠自動化的基礎。70年代開發出來的壹批工業機器人﹑感應式無人搬運臺車﹑自動化倉庫和無人叉車成為綜合自動化的強有力的工具。柔性制造系統是從60年代開始研制的，1972年美國第壹套柔性制造系統正式投入生產。70年代末到80年代初柔性制造系統得到迅速的發展，普遍采用搬運機器人和裝配機器人。1982年10月在英國的普賴頓召開第壹屆柔性制造系統國際會議。
圖4-13 自動化生產線
5）大系統理論的誕生
系統和控制理論的應用從60年代中期開始逐漸從工業方面滲透到農業﹑商業和服務行業，以及生物醫學﹑環境保護和社會經濟各個方面。由於現代社會科學技術的高度發展出現了許多需要綜合治理的大系統，現代控制理論又無法解決這樣復雜的問題，系統和控制理論急待有新的突破。在計算機技術方面，60年代初開始發展數據庫技術，1970年提出關系數據庫，到80年代數據庫技術已經達到相當的水平。60年代末計算機技術和通信技術相結合產生了數據通信。1969年美國國防部高級研究局的阿帕網（ARPA）的第壹期工程投入使用取得成功，開創了計算機網絡的新紀元。數據庫技術和計算機網絡為80年代實現管理自動化創造了良好的條件。管理自動化的壹個核心問題是辦公室自動化，這是從70年代開始發展起來的壹門綜合性技術，到80年代已初步成熟。辦公室自動化為管理自動化奠定了良好的基礎。
國際自動控制聯合會（IFAC）於1976年在意大利的烏第納召開了第壹屆大系統學術會議，於1980年在法國的圖魯茲召開第二屆大系統學術會議。美國電氣與電子工程師學會（IEEE）於1982年10月在美國弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘舉行了壹次國際大系統專題討論會。1980年在荷蘭正式出版國際性期刊《大系統──理論與應用》。這些活動標誌著大系統理論的誕生。
6）人工智能和模式識別
用機器來模擬人的智能，雖然是人類很早以前就有的願望，但其實現還是從有了電子計算機以後才開始的。1936年，圖靈提出了用機器進行邏輯推理的想法。50年代以來，人工智能的研究是基於充分發揮計算機的用途而展開的。
早期的人工智能研究是從探索人的解題策略開始，即從智力難題﹑弈棋﹑難度不大的定理證明入手，總結人類解決問題時的心理活動規律，然後用計算機模擬，讓計算機表現出某種智能。1948年美國數學家維納在《控制論》壹書的附註中首先提出制造弈棋機的問題。1954年美國國際商業機器公司（IBM）的工程師塞繆爾應用啟發式程序編成跳棋程序，存儲在電子數字計算機內，制成能積累下棋經驗的弈棋機。1959年該弈棋機擊敗了它的設計者。1956年赫伯特·西蒙和艾倫·紐厄爾等研制了壹個稱為邏輯理論家的程序，用電子數字計算機證明了懷特海和羅素的名著《數學原理》第二章52條定理中的33條定理。1956年M．L．明斯基、J．麥卡錫、紐厄爾、西蒙等10位科學家發起在達特茅斯大學召開人工智能學術討論會，標誌人工智能這壹學科正式誕生。1960年人工智能的4位奠基人，即美國斯坦福大學的麥卡錫、麻省理工學院的明斯基、卡內基梅隆大學的紐厄爾和西蒙組成了第壹個人工智能研究小組，有力地推動了人工智能的發展。從1967年開始出版不定期刊物《機器智能》，***出版了9集。從1970年開始出版期刊《人工智能》。從1969年開始每兩年舉行壹次人工智能國際會議（IJCAI）。這些活動進壹步促進了人工智能的發展。70年代以來微電子技術和微處理機的迅速發展，使人工智能和計算機技術結合起來。壹方面在設計高級計算機時廣泛應用人工智能的成果，另壹方面又利用超級微處理機實現人工智能，大大地加速了人工智能的研究和應用。人工智能的基礎是知識獲取﹑表示技術和推理技術，常用的人工智能語言則是LISP語言和PROLOG語言，人工智能的研究領域涉及自然語言理解﹑自然語言生成﹑機器視覺﹑機器定理證明﹑自動程序設計﹑專家系統和智能機器人等方面。人工智能已發展成為系統和控制研究的前沿領域。
1977年E．A．費根鮑姆在第五屆國際人工智能會議上提出了知識工程問題。知識工程是人工智能的壹個分支，它的中心課題就是構造專家系統。1973—1975年費根鮑姆領導斯坦福大學的壹個研究小組研制成功壹個用於診治血液傳染病和腦膜炎的醫療專家系統MYCIN，能學習專家醫生的知識，模仿醫生的思維和診斷推理，給出可靠的診治建議。1978年費根鮑姆等人研制成功水平很高的化學專家系統DENDRAL。1982年美國學者W．R．納爾遜研制成功診斷和處理核反應堆事故的專家系統REACTOR。中國也已經研制成功中醫專家系統和蠶育種專家系統。現在專家系統已應用在醫學﹑機器故障診斷﹑飛行器設計﹑地質勘探﹑分子結構和信號處理等方面。
為了擴大計算機的應用，使計算機能直接接受和處理各種自然的模式信息，即語言﹑文字﹑圖像﹑景物等，模式識別研究受到人們的重視。1956年，塞爾弗裏奇等人研制出第壹個字符識別程序，隨後出現了字符識別系統和圖像識別系統，並形成了以統計法和結構法為核心的模式識別理論，語音識別和自然語言理解的研究也取得了較大進展，為人和計算機的直接通信提供了新的接口。
60年代末到70年代初美國麻省理工學院﹑美國斯坦福大學和英國愛丁堡大學對機器人學進行了許多理論研究，註意到把人工智能的所有技術綜合在壹起，研制出智能機器人，如麻省理工學院和斯坦福大學的手眼裝置﹑日立公司有視覺和觸覺的機器人等。由於機器人在提高生產率，把人從危險﹑惡劣等工作條件下替換出來，擴大人類的活動範圍等方面顯示出極大的優越性，所以受到人們的重視。機器人技術發展很快，並得到越來越廣泛的應用，並在工業生產﹑核電站設備檢查﹑維修﹑海洋調查﹑水下石油開采﹑宇宙探測等方面大顯身手，正在研究中的軍用機器人也具有較大的潛在應用價值。關於機器人的設計﹑制造和應用的技術形成了機器人學。
總結人工智能研究的經驗和教訓，人們認識到，讓機器求解問題必須使機器具有人類專家解決問題的那些知識，人工智能的實質應是如何把人的知識轉移給機器的問題。1977年，費根鮑姆首倡專家系統和知識工程，於是以知識的獲取﹑表示和運用為核心的知識工程發展起來。自70年代以來，人工智能學者已研制出用於醫療診斷﹑地質勘探﹑化學數據解釋和結構解釋﹑口語和圖像理解﹑金融決策﹑軍事指揮﹑大規模集成電路設計等各種專家系統。智能計算機﹑新型傳感器﹑大規模集成電路的發展為高級自動化提供了新的控制方法和工具。
50年代以來，在探討生物及人類的感覺和思維機制，並用機器進行模擬方面，取得壹些進展，如自組織系統﹑神經元模型﹑神經元網絡腦模型等，對自動化技術的發展有所啟迪。同壹時期發展起來的壹般系統論﹑耗散結構理論﹑協同學和超循環理論等對自動化技術的發展提供了新理論和新方法。