控制理論發(fā)展歷史(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上控制理論發(fā)展歷史綜述一：20世紀(jì)40年代末-50年代的經(jīng)典控制理論時(shí)期，著重解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題，主要數(shù)學(xué)工具是微分方程、拉氏變換、傳遞函數(shù)；主要方法是時(shí)域法、頻域法、根軌跡法；主要問(wèn)題是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快。二：20世紀(jì)60年代的現(xiàn)代控制理論時(shí)期，著重解決多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題，主要數(shù)學(xué)工具是以此為峰方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法主要方法是變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論；重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨即控制、自適應(yīng)控制；核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)。三：20世紀(jì)70年代之后的先進(jìn)控制理時(shí)期，先進(jìn)控制理論是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和延伸。先進(jìn)控制理論內(nèi)容豐富、涵蓋面最廣，包括自適應(yīng)

2、控制、魯棒控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論適用于單輸入、單輸出的線性定常（參數(shù)不隨時(shí)間而變）系統(tǒng)。發(fā)展過(guò)程1. 原始階段中國(guó)，兩千年前我國(guó)發(fā)明的指南車：一種開(kāi)環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它利用差速齒輪原理，利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，由車上木人指示方向。不論車子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向南方，“車雖回運(yùn)而手常指南”。2. 起步階段人類社會(huì)發(fā)展，有一個(gè)點(diǎn)把人類社會(huì)的發(fā)展分成兩大部分，那就是工業(yè)革命。18世紀(jì)中葉之前，不管你什么怎么劃分人類社會(huì)也好（農(nóng)業(yè)牧業(yè)手工業(yè)），社會(huì)的發(fā)展始終離不開(kāi)人力，就是必須得有人親自去做。18世紀(jì)中葉之后，機(jī)器的出現(xiàn)，使得以機(jī)器取代了人力，所以稱之

3、為革命。然后機(jī)器的出現(xiàn)變革了人類的整個(gè)歷史，直至現(xiàn)代社會(huì)文明的如此進(jìn)步。工業(yè)革命的開(kāi)始的標(biāo)志為哈格里夫斯發(fā)明的珍妮紡紗機(jī)，而工業(yè)革命的標(biāo)志是瓦特改良蒸汽機(jī)，為什么扯這么多？如果機(jī)器不能控制，那和工具又有什么區(qū)別？所以工業(yè)革命的標(biāo)志是瓦特改良蒸汽機(jī)。錢學(xué)森也在最新一版的工程控制論中提到技術(shù)革命。1769年，控制思想首次應(yīng)用于工業(yè)控制的是瓦特，發(fā)明用來(lái)控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的飛球離心控制器。以后人們?cè)?jīng)試圖改善調(diào)速器的準(zhǔn)確性，卻常常導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。1868年以前，這一百年來(lái)，自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)還出于“直覺(jué)”階段，沒(méi)有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，因此在控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）的協(xié)調(diào)方面經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。實(shí)踐中出現(xiàn)

4、的問(wèn)題，促使科學(xué)家們從理論上進(jìn)行探索研究。19世紀(jì)后半葉許多科學(xué)家開(kāi)始基于理論來(lái)研究控制。1868年，麥克斯韋(J.C. Maxwell)通過(guò)對(duì)瓦特的調(diào)速器建立起線性常微分方程，解釋了瓦特蒸汽機(jī)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問(wèn)題，提出了簡(jiǎn)單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，開(kāi)辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。1877年，勞斯（E.J.Routh）提出了不直接求解系統(tǒng)微分方程的根的穩(wěn)定性判據(jù)。1895年，霍爾維茨（A.Hurwitz）也獨(dú)立提出了類似的霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。他倆把麥克斯韋的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，各自提出了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯

5、判據(jù)和霍爾維茨判據(jù)。這些方法基本上滿足了20世紀(jì)初期控制工程師的需要，奠定了經(jīng)典控制理論中時(shí)域分析法的基礎(chǔ)。3. 發(fā)展階段早期的控制的目的是防止不穩(wěn)定，控制目的比較單一，于是勞斯和霍爾維茨的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)在相當(dāng)一個(gè)歷史時(shí)期里基本滿足了控制工程師的需要。直至二戰(zhàn)前后，這種情況才發(fā)生了改變。戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)生某種意義上也是有好處的，比如推動(dòng)的科技的發(fā)展這方面。戰(zhàn)爭(zhēng)武器的進(jìn)化需求，需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，這種要求推動(dòng)了控制理論的研究和蓬勃發(fā)展。故先后出現(xiàn)了奈奎斯特、伯德的頻率法和伊萬(wàn)斯的根軌跡法，這兩種方法不用求解微分方程就能分析高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)性能。1932年美國(guó)物理學(xué)家奈奎斯特

6、(H. Nyquist)提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，為具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。伯德(H.W. Bode)和尼科爾斯(N.B. Nichols)在1930年代末和1940年代初進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。4. 成熟階段1947年控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家維納(N. Weiner) 的控制論一書的出版，標(biāo)志著控制論的正式誕生。把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來(lái)，于 1948年出版了控制論關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)。書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控

7、制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。1948年，美國(guó)科學(xué)家伊萬(wàn)斯(W.R. Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)中。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并與1954年出版了工程控制論。到20世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制理論發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步，形成了相對(duì)完整的理論體系，以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設(shè)計(jì)工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架，為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的有效工具?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)變量概念為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)來(lái)分析、

8、綜合復(fù)雜控制系統(tǒng)的新理論，適用于多輸入、多輸出，時(shí)變的或非線性系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時(shí)域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上，它不用傳遞函數(shù)而是狀態(tài)向量方程作為基本工具，從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)表達(dá)方法。現(xiàn)代控制論的形成主要標(biāo)志是卡爾曼的濾波理論、龐特里亞金極大值原理、貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。主要分支學(xué)科有最有控制論、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、大系統(tǒng)論。發(fā)展過(guò)程20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)力的發(fā)展，特別是空間技術(shù)的發(fā)展，迫切要求解決更復(fù)雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題(例如火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過(guò)程中的高精度、低消耗控制，到達(dá)目標(biāo)的控制時(shí)間最小等)。實(shí)踐的需求推動(dòng)了控制理論的進(jìn)步，同時(shí)，計(jì)

9、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也從計(jì)算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件，適合于描述航天器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又便于計(jì)算機(jī)求解的狀態(tài)空間模型成為主要的模型形式?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個(gè)重要的條件現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺(tái)，促使控制理論由經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論轉(zhuǎn)變。1892年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家李雅普諾夫創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中。1956年，美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼(R. Bellman)提出了尋求最優(yōu)控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。1959年，美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼(R. K

10、alman)等人提出了著名的卡爾曼濾波器，在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，提出系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性問(wèn)題。1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金(L.S. Pontryagin)提出極大值原理，極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問(wèn)題提供了理論工具。到1960年代初，一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制理論的核心，它研究的主要問(wèn)題是：在滿足一定約束條件下，尋求最優(yōu)控制策略，使得性能指標(biāo)取極大值或極小值。但是最優(yōu)控制依賴確定的數(shù)學(xué)模型，但環(huán)境和被控對(duì)象參數(shù)不可避免的變化導(dǎo)致將實(shí)際

11、系統(tǒng)的模型發(fā)生變化。因此，在線辨識(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并按當(dāng)前模型修改最優(yōu)控制規(guī)律的自適應(yīng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)理論也是現(xiàn)代控制的研究范疇。20世紀(jì)70年代瑞典控制理論學(xué)者奧斯特隆姆(K.J. Astrom)和法國(guó)控制理論學(xué)者朗道(L.D. Landau)在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。與此同時(shí),關(guān)于系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、離散時(shí)間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。先進(jìn)控制理論先進(jìn)控制理論是建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動(dòng)控制理論的一個(gè)主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中，對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來(lái)進(jìn)行的，基本的方法是時(shí)間域方法?，F(xiàn)代控制理論比經(jīng)典控

12、制理論所能處理的控制問(wèn)題要廣泛得多，包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。現(xiàn)代控制理論還為設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有指定的性能指標(biāo)的最優(yōu)控制系統(tǒng)提供了可能性。繼現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生以后，出現(xiàn)的多種先進(jìn)控制理論。計(jì)算機(jī)的普及，為先進(jìn)控制理論的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺(tái)。自適應(yīng)控制：自適應(yīng)控制是一種跟蹤系統(tǒng)特性變化的控制方案，它能感知系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化，并隨時(shí)修正控制器參數(shù)，以使得控制效果保持較好的水平。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)

13、知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說(shuō)，可以依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。隨著生產(chǎn)過(guò)程的不斷進(jìn)行，通過(guò)在線辯識(shí)，模型會(huì)變得越來(lái)越準(zhǔn)確，越來(lái)越接近于實(shí)際。在這個(gè)意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。魯棒控制：魯棒控制的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，它能保證當(dāng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)時(shí)仍能保證較好的控制性能。它討論的是如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象也滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制。魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說(shuō)，計(jì)算機(jī)軟件在輸

14、入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或有意攻擊情況下，能否不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。魯棒性一般定義為在實(shí)際環(huán)境中為保證安全要求控制系統(tǒng)最小必須滿足的要求。一旦設(shè)計(jì)好這個(gè)控制器，它的參數(shù)不能改變而且控制性能保證。一般魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以一些最差的情況為基礎(chǔ)，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。自適應(yīng)控制的基本思想是進(jìn)行模型參數(shù)的辯識(shí),進(jìn)而設(shè)計(jì)控制器?？刂破鲄?shù)的調(diào)整依賴于模型參數(shù)的更新,不能預(yù)先把可能出現(xiàn)的不確定性考慮進(jìn)去。而魯棒控制在設(shè)計(jì)控制器時(shí)盡量利用不確定性信息來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)控制器,使得不確定參數(shù)出現(xiàn)時(shí)仍能滿足性能指標(biāo)要求。模糊控制對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。模糊控制實(shí)際上是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)控制領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一。它是智能控制的一個(gè)新的分支，為解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問(wèn)題開(kāi)辟了新途徑