自動控制發展歷程

劉雅軒

自動控制是指應用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設備或工業生產過程進行控制，使之達到預期的狀態或性能指標。經歷了經典控制理論、現代控制理論、智能控制三個階段。為工業4.0智能化時代奠定了基礎。

自動控制領域從古典控制理論、現代控制理論到現在的智能控制理論，經歷了很長時e69da5e887aae799bee5baa631333366303130間的發展。隨著自動化技術的發展，它也面臨著許多難題，如傳統控制系統的設計和分析是建立在精確系統數學模型基礎上的，而實際系統由于在復雜性、非線性、時變性、不確定性等情況，一般都無法獲得精確的數學模型;當研究這些系統時，必須提出并遵循一些比較苛刻的假設，而這些假設在應用中往往與實際不相吻合;對于某些復雜的和包含不確定性的控制過程，根本無法用傳統數學模型來表示，即無法解決建模問題;為了提高控制性能，傳統控制系統可能變得很復雜，從而增加了設備的初投資，降低了系統的可靠性。為了解決這些問題，就出現了智能控制理論。隨著人工智能、機器人、計算機和空間技術的迅速發展，智能控制也取得了重大進展。各種智能咨詢與決策系統、專家控制系統、學習控制系統、模糊控制系統和智能故障檢測與診斷等已在工業過程控制、智能機器人控制、智能化生產系統和家用電氣設備中都得到了成功的應用。

近年來自動控制技術發展迅猛，特別是計算機技術、網絡和通信技術發展的突飛猛進，使人們籍助于許多使能技術的進步和一些開發工具的擴大，將人們構思的自動操作得以付諸實現。如網絡控制技術、可編程控制器等均屬于自動化控制技術中的使能技術。自動控制技術正向著網絡化、集成化、分布化、節點節能化的方向發展。

自動控制技術有很強的應用背景，無論是在煉鋼、軋鋼、化工、石油、電力等工業上，或是造紙、紡織、皮革和食品等工業上;無論是在航空、航海、汽車和鐵路運輸工業和國防工業上，或是圖書資料的管理、實驗室技術設備上都得到廣泛應用。自動控制技術對導彈和人造地球衛星是非常重要的，對于研究原子能的應用，研究飛機和導彈的空氣動力和結構強度也是有用的。沒有應用背景的“控制理論”就缺乏生命力。如何巧妙地運用控制的基礎理論來解決實際問題是和研究控制理論本身不同的另一種創造性工作。

自動控制理論是與人類社會發展密切聯系的一門學科，是自動控制科學的核心自從19世紀Maxwell對具有調速器的蒸汽發動機系統進行線性常微分方程描述及穩定性分析以來，經過20世紀初Nyquist，Bode， Harris， Evans ，Wienner， Nichols等人的杰出貢獻，終于形成了經典反饋控制理論基礎，并于50年代趨于成熟特點是以傳遞函數為數學工具，采用頻域方法，主要研究單輸入單輸出線性定常控制系統的分析與設計，但它存在著一定的局限性。

隨著20世紀40年代中期計算機的出現及其應用領域的不斷擴展，促進了自動控制理論朝著更為復雜也更為嚴密的方向發展，特別是在Kalman提出的可控性和可觀測性概念以及提出的極大值理論的基礎上，在20世紀50 60年代開始出現了以狀態空間分析（應用線性代數）為基礎的現代控制理論現代控制理論本質上是一種時域法，其研究內容非常廣泛，主要包括三個基本內容：多變量線性系統理論最優控制理論以及最優估計與系統辨識理論現代控制理論從理論，上解決了系統的可控性可觀測性穩定性以及許多復雜系統的控制問題。

但是，隨著現代科學技術的迅速發展，生產系統的規模越來越大，形成了復雜的大系統，導致了控制對象控制器以及控制任務和目的的日益復雜化，從而導致現代控制理論的成果很少在實際中得到應用經典控制理論現代控制理論在應用中遇到了不少難題，影響了它們的實際應用。第三代控制理論即智能控制理論就是在這樣的背景下提出來的，它是人工智能和自動控制交叉的產物，是當今自動控制科學的出路之一，其主要原因有三：

1）精確的數學模型難以獲得此類控制系統的設計和分析都是建立在精確的數學模型的基礎上的，而實際系統由于存在不確定性不完全性模糊性時變性非線性等因素，一般很難獲得精確的數學模型;

2）假設過于苛刻研究這些系統時，人們必須提出一些比較苛刻的假設，而這些假設在應用中往往與實際不符;

3）控制系統過于復雜為了提高控制性能，整個控制系統變得極為復雜，這不僅增加了設備投資，也降低了系統的可靠性;

現代化工廠向規模集約化方向發展時，生產工藝對控制系統的可靠性、運算能力、擴展能力、開放性、操作及監控水平等方面提出了越來越高的要求。

傳統的DCS系統已經不能滿足現代工業自動化控制的設計標準和要求。隨著工業自動化控制理論、計算機技術和現代通信技術的迅速發展，自動控制系統的未來發展方向將向智能化、網絡化、全集成自動化等方向發展。

自動控制也可以概括為四個時期：

（1） 自動化裝置的出現和應用（18世紀以前）

古代人類在長期的生產和生活中，為了減輕自己的勞動，逐漸利用自然界的動力（水力、風力等）代替人力、畜力，以及用自動裝置代替人的部分繁雜的腦力勞動和對自然界動力的控制。

（2）自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）

社會的需要是自動化技術發展的動力。自動化技術是緊密圍繞著生產﹑軍事設備的控制以及航空航天工業的需要而形成和發展起來的。工業上的應用，是以瓦特的蒸汽機調速器作為正式起點。1788年﹐瓦特為了解決工業生產中提出的蒸汽機的速度控制問題﹐把離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來﹐構成蒸汽機轉速調節系統﹐使蒸汽機變為既安全又實用的動力裝置。此時的自動化裝置是機械式的，而且是自力型的。

（3）局部自動化時期（20世紀40～50年代）

在1943～1946年，美國電氣工程師J.埃克脫（Eckert）核物理學家J.莫奇利（Mauchly）為美國陸軍研制成世界上第一臺基于電子管和數字管的計算機（Electronic Digit Computer）——電子書子積分和自動計數器（ENIAC）。隨后人們對計算機進行了多次改良，使之更加實用。同時，電子計算機的發明，為20世紀60～70年代開始的在控制系統廣泛應用程序控制和邏輯控制以及應用數字計算機直接控制生產過程，奠定了基礎。目前，小型電子數字計算機或單片機已成為復雜自動控制系統的一組成部分，以實現復雜的控制和算法。

（4）綜合自動化時期（20世紀50年代起末至今）

在這個時期，經典控制理論已不能滿足復雜工業化的需求，現代控制理論應運而生，得到了迅速的發展，并形成了許多各分支。

社會在不斷進步，智能化的提出引領了各個領域的變革，它是信息化技術的應用，它采用了人工智能理論、學習算法、先進技術，使設備能夠模擬人類智能的某些特性和功能。工業智能化控制是在人工智能的基礎上提出的控制方法，主要表現在機械設備自動控制的多功能化方面。通過以太網和Web技術實現開放型分布式智能系統，基于網絡通用的TCP/IP四層協議族，提供高度模塊化、分布式技術和可反復使用的工業控制方案。比如：新一代的固態傳感器和智能變送器向微型化、高精度、低功能、智能化方向發展，智能閥門定位器由高集成度的微控制器控制，對所有控制參數都可組態，實現線性、分程控制、等百分比、快開等特性修正功能，并能實現智能化。網絡的嵌入使智能化的實現成為必然趨勢。