控制理論發(fā)展史

控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

同學(xué)們，我們都知道：控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于我們社會(huì)生活的方方面面。洗衣機(jī)智能控制電冰箱溫度控制第一階段:經(jīng)典(自動(dòng))控制理論

經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動(dòng)控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)過程：一萌芽階段

如果要追朔自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國(guó)就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個(gè)發(fā)展階段：1.兩千年前我國(guó)發(fā)明的

指南車，就是一種開

環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我國(guó)發(fā)明的水運(yùn)儀象臺(tái)，

就是一種閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系

統(tǒng)。水運(yùn)儀象臺(tái)二起步階段

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特三發(fā)展階段1.1868年馬克斯韋爾（）解決了蒸汽機(jī)調(diào)速

系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡(jiǎn)單的穩(wěn)

定性代數(shù)判據(jù)。馬克斯韋爾（）1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—?jiǎng)谒古袚?jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。赫爾維茨（Hurwitz）3.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，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。

奈奎斯特4.1948年伊萬(wàn)斯（）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。

建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬(wàn)斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動(dòng)控制理論）。四標(biāo)志階段1.1947年控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）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，并與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，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝浮f納2.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》。錢學(xué)森

從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個(gè)世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸及國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用了自動(dòng)化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭(zhēng)促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。第二階段現(xiàn)代控制理論

科學(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)。現(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)。在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對(duì)出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。1.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃。2.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測(cè)性的新概念?？柭?.羅森布洛克（）、歐文斯（）和麥克法輪（）研究了使用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)3.1961年龐特里亞金（俄國(guó)人）提出了極?。ù螅┲翟?。龐特里亞金L.S.Pontryagin4.羅森布洛克（）、歐文斯（）和麥克法輪（）研究了使用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)5.20世紀(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國(guó)，）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。

朗道L.D.Landau第三階段魯棒控制理論階段1.由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H等范數(shù)而

出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。2.20世紀(jì)70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、

“智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系的結(jié)

構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等

問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制智能控制理論：研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信

息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人

智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機(jī)智能模糊控制機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)雜系宜統(tǒng)理論欠：把系統(tǒng)的精研究拓廣呢到開放復(fù)棄雜巨系統(tǒng)衫的范流籌，以勇解決復(fù)雜懂系統(tǒng)的控垃制為目標(biāo)閃?；仡櫩刂坪蘩碚摰陌l(fā)三展歷程可塊以看出，不它的發(fā)展斥過程反映唯了人類由偶機(jī)械化時(shí)蓋代進(jìn)入電扇氣化時(shí)代尿，并走向池自動(dòng)化、睡信息化、儲(chǔ)智能化時(shí)究代。復(fù)雜航蓬天器控那制現(xiàn)代控制蕉理論基礎(chǔ)靈的內(nèi)容為:線性系滿統(tǒng)理論絡(luò)最殿優(yōu)控制瓶理論最優(yōu)估計(jì)崖理論榆系康統(tǒng)辨識(shí)理略論自適應(yīng)鮮控制理玩論佛智俱能控制止理論現(xiàn)代控脅制理論備基礎(chǔ)的明內(nèi)容現(xiàn)代控班制理論徐與經(jīng)典籠控制理自論的差攝異

經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論

研究對(duì)象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)高階微分方程

多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO):一階微分方程

研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述)

狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述)

研究工具拉普拉斯變換

線性代數(shù)矩陣

分析方法頻域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法

復(fù)域、實(shí)域，可控和可觀測(cè)

設(shè)計(jì)方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)

狀態(tài)反饋和輸出反饋

其他

頻率法的物理意義直觀、實(shí)用，難于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制

易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和最優(yōu)控制現(xiàn)代控制牧理論的應(yīng)按用比起經(jīng)典標(biāo)控制理論,現(xiàn)代控制憶理論考慮艇問題更全曬面、更復(fù)灶雜,主要表研現(xiàn)在考夸慮系統(tǒng)抓內(nèi)部之勤間的耦恭合,系統(tǒng)外部篇的干擾,但符合竿從簡(jiǎn)單茄到復(fù)雜祥的規(guī)律評(píng)?，F(xiàn)代鎮(zhèn)控制理搬論已經(jīng)閱應(yīng)用在樸工業(yè)、艇農(nóng)業(yè)、券交通運(yùn)逆輸及國(guó)寧防建設(shè)國(guó)等各個(gè)娛領(lǐng)域。倒立擺瓜穩(wěn)定控柏制單級(jí)倒立燒擺穩(wěn)定控誰(shuí)制二級(jí)倒立愧擺穩(wěn)定控惰制導(dǎo)彈穩(wěn)定匯控制空空導(dǎo)叢彈穩(wěn)定單控制地空導(dǎo)斤彈穩(wěn)定貫控制航天器控悲制月球車控號(hào)制衛(wèi)星控始制機(jī)器人艇控制空間機(jī)器燒人控制足球機(jī)器晌人控制指南車沒與司南賢、指南鼻針等相戚比在指推南的原禾理上截餃然不同蓄。它的血車箱里低裝著非們常巧妙誓而復(fù)雜威的機(jī)械幫。是一悶種雙輪豪獨(dú)轅車板。它的如中央有態(tài)一個(gè)大奪平輪，觸木頭人吉就豎立叢在上面犧。在大墻平輪兩奶旁，裝仔著很多具小齒輪債。如果庸車子向標(biāo)左轉(zhuǎn)，徹右邊的壞車輪就豈會(huì)帶動(dòng)樂小齒輪航，小齒梁輪再帶糾動(dòng)大平撥輪，使屠大平輪娘相反地藏向右轉(zhuǎn)于。如果市車子向模右轉(zhuǎn)，冷同樣地熟，大平旗輪則向牙左轉(zhuǎn)。派因此，橡只要指攏南車開左動(dòng)以前斗，先讓恭木頭人味的右手子指向南夠方，以果后車子墾不論是迅向左轉(zhuǎn)享還是向越右轉(zhuǎn)，娃木頭人叔的右手膨就總是御指向南讓方。指焦南車是說利用齒蝦輪的原丙理造成穗的。這迅種齒輪仁傳動(dòng)類谷似現(xiàn)代供汽車用贊的差動(dòng)間齒輪，丟相當(dāng)于毒汽車中寫差動(dòng)齒旺輪的逆將向使用焦原理。壯這種指靈南車，迎可以說扛是世界給上最早陶的自動(dòng)織化設(shè)備從。指南車指南車是褲我國(guó)古代霧偉大的發(fā)騙明之一，侵也是世界侵上最早的痛控制論機(jī)脾械之一。牽用英國(guó)著瘡名科學(xué)史撒專家李約搭瑟的話說巾，中國(guó)古戲代的指南憲車“可以廢說是人類藝歷史上邁帖向控制論芒機(jī)器的第該一步”，酒是人類“魄第一架體項(xiàng)內(nèi)穩(wěn)定機(jī)電”。整個(gè)水狹運(yùn)儀象悄臺(tái)高12米，寬7米，共分3層，相濃當(dāng)于一潛幢四層闊樓的建楚筑物。假最上層抬的板屋票內(nèi)放置羨著1臺(tái)渾儀典，屋供的頂板怕可以自墻由開啟主，平時(shí)碑關(guān)閉屋吊頂，以芝防雨淋括，這已斬經(jīng)具有稈現(xiàn)代天但文觀測(cè)里室的雛悄型了；扇中層放外置著一褲架渾象予；下層革又可分蠻成五小醒層木閣桑，每小寒層木閣羅內(nèi)均安調(diào)排了若謀干個(gè)木促人，5層共有162個(gè)木人，益它們各司蛋其職：每叨到一定的勇時(shí)刻，就燙會(huì)有木人懶自行出來擾打鐘、擊進(jìn)鼓或敲打債樂器、報(bào)味告時(shí)刻、輔指示時(shí)辰惜等。在木核閣的后面航放置著精子度很高的斧兩級(jí)漏刻包和一套機(jī)乘械傳動(dòng)裝絕置，可以刊說這里是牌整個(gè)水運(yùn)悶儀象臺(tái)的“心臟”部分，阿用漏壺錢的水沖顏動(dòng)機(jī)輪巾，驅(qū)動(dòng)易傳動(dòng)裝膝置，渾低儀、渾曬象和報(bào)忽時(shí)裝置閘便會(huì)按壞部就班神地動(dòng)作夢(mèng)起來。這臺(tái)儀器蠻的制造水灑平堪稱一星絕，充分議體現(xiàn)了我化國(guó)古代人有民的聰明沈才智和富題于創(chuàng)造的筍精神。水運(yùn)儀稍象臺(tái)水運(yùn)儀藝象臺(tái)是夕我國(guó)古永代一種雜大型的泛天文儀鋪器，由遺宋朝天騰文學(xué)家射蘇頌等絨人創(chuàng)建亦。它是間集觀測(cè)丘天象的唱渾儀、且演示天拆象的渾絨象、計(jì)國(guó)量時(shí)間宗的漏刻脾和報(bào)告邁時(shí)刻的指機(jī)械裝摧置于一時(shí)體的綜永合性觀乳測(cè)儀器袋，實(shí)際豈上是一衰座小型賠的天文目臺(tái)。到此為挨止，瓦宅特完成搖了對(duì)蒸耍汽機(jī)的鴿整套發(fā)搞明過程砌。經(jīng)過氣他的一蒙系列重惜大的發(fā)抹明和改鞏進(jìn)，使鋼蒸汽機(jī)這的效率去提高到挑原來紐護(hù)科門機(jī)堵的3倍多，而亮且配套齊碼全、性能哥優(yōu)良、切反合實(shí)用。吵瓦特由此筒博得了第根一部現(xiàn)代警蒸汽機(jī)——高效率并瓦特蒸咽汽機(jī)的羽發(fā)明者芝稱號(hào)。瓦特Jam襲esW抬att（Jame斯sWat繭t,17督36～1819）英國(guó)手發(fā)明家姑、工程意師。173熟6年1月19日生于躺蘇格蘭幫的一個(gè)軋小鎮(zhèn)格芳里諾克蹄。1753年他在家策鐘表店學(xué)吐手藝。15歲學(xué)完活了《物理學(xué)原鵲理》并獲得了俯豐富的木挎工、金屬售冶煉和加許工等工藝稅技術(shù)。1753年他在稠一家鐘旱表店學(xué)島手藝。175麻3年又跟有斃名的機(jī)械厚師摩爾根扯當(dāng)學(xué)徒。達(dá)經(jīng)過刻苦宗學(xué)習(xí)，努課力實(shí)踐，源他已能制在造難度較嚷高的象限岔儀、羅盤肢、經(jīng)緯儀靈等。1756年在格拉抱斯哥大學(xué)旗當(dāng)了儀器姜修理員。1765年發(fā)明了篩把冷凝過舒程從汽缸籮中分離出六來的分離毫式冷凝器桃。冷凝器閥的發(fā)明在潛蒸汽機(jī)的救發(fā)展中起楊了關(guān)鍵性秘的作用。176艙8年他制成碌了一臺(tái)單鄉(xiāng)豐動(dòng)作蒸汽殲機(jī)。178銅1年，他鞋發(fā)明了尾行星式那齒輪，題將蒸汽繁機(jī)活塞顧的往運(yùn)兼動(dòng)變?yōu)檎倚D(zhuǎn)運(yùn)副動(dòng)1782年他發(fā)明瓣了大動(dòng)力演的“雙動(dòng)頑作蒸汽機(jī)概”并獲得經(jīng)專利178舟4年他發(fā)忽明了平惱行運(yùn)動(dòng)存連桿機(jī)覆構(gòu)，解徐決了雙憶動(dòng)作蒸鳳汽機(jī)的晝結(jié)構(gòu)問垃題。178圣8年他發(fā)答明了離泊心式調(diào)識(shí)速器和童節(jié)氣閥花，用來半自動(dòng)控軍制蒸汽薯機(jī)的運(yùn)泉轉(zhuǎn)速度晨。179雙0年發(fā)明了事蒸汽機(jī)配運(yùn)套用壓力喘計(jì)。為貝爾電庭話實(shí)驗(yàn)室芳的工程師窄，在熱噪螺聲(Jo月hns陜on-鹽Nyq貿(mào)uis證tn留ois濤e)和反饋放立大器穩(wěn)定轎性方面做欠出了很大折的貢獻(xiàn)他結(jié)早期的理買論性工作戚關(guān)于確定兆傳輸信息顫的需滿足吼的帶寬要精求，在《貝爾系遍統(tǒng)技術(shù)》期刊上發(fā)美表了《影響電報(bào)即速度傳輸職速度的因種素》文章，為度后來香農(nóng)焰的信息論室奠定了基悉礎(chǔ)。192啟7年，奈率奎斯特截確定了柜如果對(duì)售某一帶附寬的有牛限時(shí)間斧連續(xù)信劍號(hào)（模肺擬信號(hào)頁(yè)）進(jìn)行蛙抽樣，釣且在抽仇樣率達(dá)址到一定那數(shù)值時(shí)漿，根據(jù)雜這些抽害樣值可住以在接卷收端準(zhǔn)織確地恢啄復(fù)原信傘號(hào)。為攤不使原忽波形產(chǎn)尸生“半獨(dú)波損失讓”，采預(yù)樣率至康少應(yīng)為刃信號(hào)最計(jì)高頻率倆的兩倍男，這就業(yè)是著名誕的奈奎稍斯特采緒樣定理拌。奈奎暮斯特1928年發(fā)表扣了《電報(bào)傳段輸理論金的一定插論題》。195侮4年，他從般貝爾實(shí)驗(yàn)膝室退休。奈奎斯特奈奎斯特灶，美國(guó)物傘理學(xué)家，1889年出生罰在瑞典么。1976年在德克最薩斯逝世捎。奈奎斯苦特對(duì)信息悠論做出了劈燕重大的貢燦獻(xiàn)。奈奎隱斯特1907年移民到六美國(guó)并于191月2年進(jìn)入脫北達(dá)克丸塔大學(xué)鈔學(xué)習(xí)。191估7年在耶臟魯大學(xué)臉獲得物吃理學(xué)博捷士學(xué)位富。1917年～193窗4年在AT&鉗T公司工作都，后轉(zhuǎn)入設(shè)貝爾電話頑實(shí)驗(yàn)室工牛作。物理、劣電學(xué)了朗。他18歲時(shí)取得厘了哈佛大愧學(xué)數(shù)學(xué)和壺哲學(xué)兩個(gè)色博士學(xué)位姜，后來又結(jié)到德國(guó)、餓英國(guó)學(xué)習(xí)標(biāo)，拜著名魚哲學(xué)家羅做素、數(shù)學(xué)岡家希爾伯繩特為師，程進(jìn)一步深預(yù)造。利維納已是婦一個(gè)很有雷名的數(shù)學(xué)粱家了，但非他對(duì)其他宇學(xué)科也很襖有興趣。輕在第二次配世界大戰(zhàn)縫末期，有變兩個(gè)大問阿題特別引承起了他的版興趣，一戀個(gè)是電子刊計(jì)算機(jī)，路另一個(gè)是榜火炮命中站率問題。維納和橫一位年低輕工程碧師合作掀，從駕哄駛汽車舅這種簡(jiǎn)徹單的動(dòng)罵作中發(fā)重現(xiàn)，人照是采用考了一種汪叫“反庭饋”的迷控制方來法，使鼓汽車按貝要求行惕駛。維志納又請(qǐng)擋來了神駛經(jīng)專家豈進(jìn)行共這同研究鄙，發(fā)現(xiàn)自機(jī)器和茄人的控性制機(jī)能完有相似婦之處。徐后來，韻維納又粗和許多形有名科瞎學(xué)家進(jìn)煤行討論銹，聽取痕對(duì)方的討批評(píng)意港見，甚寨至是“叉攻擊”怖意見，蔽終于于194荷8年把自講己的研獄究成果釋發(fā)表了骨出來，景叫《控制論》。維納維納生于即哥倫比亞弟市一個(gè)猶蠻太人家里兔。維納4歲開始端讀書。9歲時(shí)讀巴中學(xué)，11歲進(jìn)人大父學(xué)學(xué)習(xí)．嘴他的數(shù)學(xué)喚知識(shí)已超壘過大學(xué)一蝦年級(jí)學(xué)生幟的水平，誤所以轉(zhuǎn)而喝熱衷于研碑究化學(xué)、195蠟5年回國(guó)邁。1955年至194情6年任中國(guó)輕科學(xué)院力散學(xué)研究所疤所長(zhǎng)、研特究員，國(guó)叮防部第五秘研究院院刷長(zhǎng)。196如5年至1970年任第七鼠機(jī)械工業(yè)中部副部長(zhǎng)皂。197塞0年至198錯(cuò)2年任國(guó)外防科工壟委科學(xué)嫩技術(shù)委培員會(huì)副多主任，公中國(guó)科榴協(xié)副主作席。還娃歷任中柄國(guó)自動(dòng)扭化學(xué)會(huì)債第一、壤二屆理榨事長(zhǎng)，費(fèi)中國(guó)宇往航學(xué)會(huì)獸、中國(guó)姿力學(xué)學(xué)終會(huì)、中現(xiàn)國(guó)系統(tǒng)掙工程學(xué)浪會(huì)名譽(yù)國(guó)會(huì)長(zhǎng)，踢中科院巧主席團(tuán)勁執(zhí)行主炒任、數(shù)裹學(xué)物理捕學(xué)部委釋員。1986年至1991年5月任中豆國(guó)科協(xié)鋪第三屆駕全委會(huì)摔主席。1991年5月在中國(guó)懶科協(xié)第四勞次全國(guó)代斥表大會(huì)上外當(dāng)選為科瘋協(xié)名譽(yù)主買席。1992年4月被聘為宇中科院學(xué)杏部主席團(tuán)欠名譽(yù)主席鋒。1994年6月當(dāng)選為芽中國(guó)工程形院院士。錢學(xué)森錢學(xué)森，1911年12月11日生，價(jià)浙江杭砍州人，195健9年8月加入