自動化控制理論的發(fā)展趨勢研究

朱光華

【摘 要】自動化控制作為一個獨(dú)立的學(xué)科發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用社會各個領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。自動化控制是按照生產(chǎn)要求和生產(chǎn)目標(biāo)通過機(jī)器、設(shè)備，代替人為的操作進(jìn)行自動化生產(chǎn)，取代了人力的投入，對于生產(chǎn)率的提高具有重要作用，是社會生產(chǎn)力發(fā)展的重要標(biāo)志。自動化控制理論自誕生以來經(jīng)歷了一系列的發(fā)展過程，本文通過總結(jié)自動化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，厘清了自動化控制的基本原理，最后就自動化控制的發(fā)展趨勢展開了討論。

【關(guān)鍵詞】自動化技術(shù)；自動化控制理論；發(fā)展；趨勢

引言

本文主要介紹了自動化技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展及發(fā)展趨勢，所謂的自動化控制技術(shù)是指通過一定的控制功能對工業(yè)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的控制目標(biāo)，保證工業(yè)生產(chǎn)的有序化。自動化控制技術(shù)通過一定的控制功能對生產(chǎn)中的溫度、壓力和濕度等進(jìn)行自動化控制，已成了工業(yè)生產(chǎn)中的重要控制手段。傳統(tǒng)的人工控制與現(xiàn)代的自動化控制，無論是工作原理或者效果等有很大的區(qū)別，現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中想要實(shí)現(xiàn)自動化控制，操作人員必須具備熟練的自動化技能技巧，還要制定合理的自動化控制方案。

1 自動化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

在早期的控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系，主要研究單輸入-單輸出的系統(tǒng)。控制論誕生初期，普通的科技人員沒有計(jì)算機(jī)作為計(jì)算工具，控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要依靠手工計(jì)算和一些圖表的幫助。因而，在早期的控制理論中，人們設(shè)計(jì)了各種各樣的圖表和曲線，如伯德（Bode）圖、奈奎斯特（Nyquist）圖、尼柯爾斯（Nichols）圖以及M圓等，用頻域法作為控制系統(tǒng)的輔助分析方法。把這一時(shí)期的控制論稱為經(jīng)典控制理論。

20世紀(jì)60～70年代，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動了空間技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，單輸入-單輸出的傳遞函數(shù)已不能描述現(xiàn)在的復(fù)雜系統(tǒng)，這時(shí)出現(xiàn)了狀態(tài)空間法。它采用狀態(tài)空間描述取代了先前的傳遞函數(shù)那種外部輸入輸出描述，對系統(tǒng)的分析直接在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行，集中表現(xiàn)為用系統(tǒng)的內(nèi)部研究代替了外部研究，從而大大地?cái)U(kuò)充了所能處理問題的范圍。在狀態(tài)空間法的基礎(chǔ)上，提出了能控性、能觀性的概念，從而形成了現(xiàn)代控制理論。

隨著計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出一批新型的控制策略，這些控制策略結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不借助于計(jì)算機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)。這些控制策略有些已經(jīng)成為自動控制理論的重要分支。例如，自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、智能控制、魯棒控制、最優(yōu)控制等。當(dāng)使用這些控制策略對系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，所面臨的設(shè)計(jì)和校正的任務(wù)就是根據(jù)希望的系統(tǒng)性能指標(biāo)，研究、設(shè)計(jì)這些控制策略的結(jié)構(gòu)和參數(shù)了。把這一時(shí)期的控制理論稱為超現(xiàn)代控制理論。

2 自動化控制的基本原理

自動化控制基本原理可通過前饋控制和反饋控制兩個詞來表現(xiàn)。前饋控制是建立在干擾量得基礎(chǔ)之上的，控制量會由于干擾量得變化而發(fā)生變動，預(yù)先施加一個作用用以對干擾量加以抵消，使被控量保持恒定，不受干擾量的影響。反饋控制是建立在被控量偏差的基礎(chǔ)之上的，當(dāng)被控量發(fā)生改變時(shí)，控制器機(jī)構(gòu)會接收到的反饋信號進(jìn)行輸出控制反應(yīng)，對變化進(jìn)行調(diào)整，也就是說只有控制量變化，才會有反饋控制的輸出。但是無論是前饋控制還是反饋控制，目的都是一致的，都是為了被控量按照任務(wù)要求穩(wěn)定輸出。

3 自動化控制的發(fā)展趨勢

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，自動化控制技術(shù)在已有的技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，也呈現(xiàn)出以下良好的發(fā)展趨勢。

1）自動化控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為了跟隨高新技術(shù)發(fā)展的步伐，滿足各行業(yè)領(lǐng)域的需要，自動化控制系統(tǒng)必將朝著大規(guī)模化、復(fù)雜化得方向發(fā)展。自動化控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其建模和仿真的工作任務(wù)也將面臨越來越多的困難。系統(tǒng)的建模涉及范圍廣泛，模型的轉(zhuǎn)換、分辨率、模型之間的融合集成都是亟待解決的問題。

2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法的優(yōu)化。自動化控制系統(tǒng)在應(yīng)用和發(fā)展中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向朝著分布式分層遞階控制發(fā)展前進(jìn)，隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，控制算法也隨之發(fā)展進(jìn)化。

3）混雜控制系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用。最近幾年，混雜控制系統(tǒng)迅速發(fā)展，很快受到行業(yè)的關(guān)注和重視，很多專家學(xué)者致力于該理論的研究。混雜控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是通過一個框架結(jié)構(gòu)的建立，將離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)加以綜合，在框架內(nèi)部進(jìn)行集成分析，形成一個綜合優(yōu)化的系統(tǒng)。混雜控制系統(tǒng)綜合數(shù)學(xué)、人工智能等多種學(xué)科技術(shù)，是自動化控制學(xué)科發(fā)展的里程碑。

4）非線性控制系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用。在控制領(lǐng)域總，非線性控制系統(tǒng)理論一直備受關(guān)注，發(fā)展迅速。在未來的技術(shù)發(fā)展中，非線性控制系統(tǒng)以清晰的模型為基礎(chǔ)，朝著更簡單化、更實(shí)用化、高性能化得方向發(fā)展。

5）智能化控制系統(tǒng)。現(xiàn)今智能化控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸興起，并且表現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。在未來自動化控制的發(fā)展中，智能化系統(tǒng)能夠?qū)?fù)雜化得大規(guī)模的工業(yè)過程進(jìn)行自動化、智能化的全程控制和決策。未來計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為智能化控制系統(tǒng)提供技術(shù)支持和保障。

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