羅淇艦

（重慶大學(xué)，重慶 400030）

自動控制理論在日常的生產(chǎn)經(jīng)營生活中所起到的作用越來越重要，這種作用影響著現(xiàn)代生活與工業(yè)生產(chǎn)制造的各個方面，從機械工廠車間的自動生產(chǎn)流水線到校正線性系統(tǒng)，都需要運用到自動控制理論。自動控制能夠在復(fù)雜多變的外部客觀環(huán)境以及不可更改的條件下得到了更為方便的運用。比如，人類在高壓高溫條件下的高精度操控作業(yè)，又比如人們在工廠中被要求的精準而又快速的操作。在自動控制裝置的幫助之下，人類可以突破生理客觀條件的限制，完全解放自我。

1 自動控制理論的概念和特點

（1）自動控制理論的概念。自動控制是有別于人工控制的獨立概念。自動控制能夠通過外加一定的自動控制裝置按照已經(jīng)設(shè)定好的運行規(guī)律對設(shè)備、機器或者生產(chǎn)過程中特定的工作狀態(tài)進行自動化的操作，從而能夠全面替代人力工作，并達到人們期望的狀態(tài)指標或者性能。自動控制技術(shù)能夠有效地提升產(chǎn)品的質(zhì)量或者企業(yè)的經(jīng)濟利益，并克服人工在惡劣環(huán)境中不能工作的不足點，幫助企業(yè)實現(xiàn)在該種環(huán)境中依舊能夠正常進行生產(chǎn)經(jīng)營的期望。控制論中，“反饋”和“系統(tǒng)”是自動控制理論的核心概念。其中，反饋是自動控制理論中最為核心的概念，這個概念能夠應(yīng)付各種風(fēng)險因素對于被控制系統(tǒng)的影響。另外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向為全球研究者將對復(fù)雜性科學(xué)研究或者復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)進行越來越多的研究，而控制理論需要解決的主要問題在于調(diào)控系統(tǒng)的運動狀態(tài)以及分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在自動控制系統(tǒng)中，自動控制理論是能夠研究變量的變化規(guī)律并對其進行改進的途徑。

（2）自動控制理論的特點。自動控制理論具備以下兩個特點：①自動控制理論對定量研究較為重視，在控制理論的研究當(dāng)中數(shù)學(xué)方法和理論得到廣泛運用；②自動控制理論能夠從實踐中獲取豐富的理論來源，同時其理論的科學(xué)命題具有十分廣泛的社會實踐背景。自動控制理論的兩個特點源于自動控制理論包含的“系統(tǒng)”和“反饋”的兩個概念。

2 自動控制理論的發(fā)展過程

（1）自動控制理論的產(chǎn)生與形成。在實際的科學(xué)研究當(dāng)中，理論的萌芽、形成和發(fā)展常常隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展而逐步進行。2000 多年前，我國曾發(fā)明了指南車，這種產(chǎn)品屬于能夠進行自動調(diào)節(jié)的機器。18 世紀，瓦特將蒸汽機的汽錘調(diào)節(jié)器發(fā)明出來，這是世界上最早的自動控制裝置。汽錘調(diào)節(jié)器的誕生加速了世界第一次工業(yè)革命的步伐，其發(fā)明表明控制理論進入起步階段。19 世紀，Maxwell 發(fā)表了線性常微分方程的穩(wěn)定性分析，其后，H.Nyquist 的“穩(wěn)定裕量”和穩(wěn)定判據(jù)、Hurwitz 和Routh 的穩(wěn)定性依據(jù)、W.R.E-vans 的“根軌跡法”、H.W.Bode 的頻率法也逐步出現(xiàn)在世人面前。在這些前人的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)典的反饋控制的理論基礎(chǔ)形成，它是由美國自動控制理論的創(chuàng)始人Wiener.N 所提出。

（2）自動控制理論的發(fā)展。自動控制理論的發(fā)展主要分為三個階段。第一個階段是20 世紀40 年代～20 世紀50年代，該階段為經(jīng)典控制理論。第二階段是20 世紀60 年代的現(xiàn)代控制理論，該理論是從線性代數(shù)的理論研究基礎(chǔ)上得來。第三階段在20 世紀70 年代末萌芽，為智能控制理論，該理論在發(fā)展和形成的過程當(dāng)中融合了運籌學(xué)、自動控制、信息論以及自動控制等多個學(xué)科的理論基礎(chǔ)知識。

（3）經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。20 世紀40 年代～20 世紀50 年代為經(jīng)典控制理論的時期，該理論的主要研究對象為系統(tǒng)中的各組成環(huán)節(jié)、元件的狀態(tài)以及能夠用線性微分方程描述特性的控制系統(tǒng)。18 世紀，自動控制技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中受到逐漸的應(yīng)用，這種應(yīng)用加速了世界第一次工業(yè)革命的腳步，這個時期最具代表性意義的是蒸汽機離心調(diào)速器。1868 年，Maxwell 提出穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)；1895 年，Routh 與Hurwitz 提出勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)，1932 年，Nyquist 提出頻率響應(yīng)法，1948 年Ewans 提出根軌跡法。經(jīng)典控制理論即建立在根軌跡法與頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)之上。1948 年，《控制論》被美國控制論的奠基人Weiner 提出并出版，該書的出現(xiàn)推動了反饋的概念，并為該學(xué)科奠定了理論基礎(chǔ)。

（4）現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。20 世紀60 ～20 世紀70 年代，經(jīng)典控制理論的局限性導(dǎo)致現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生。新理論的研究范圍包括單入單出、多入多出以及線性和非線性問題，涉及的范圍較廣，應(yīng)用的范圍也較為廣闊。該理論的產(chǎn)生主要是為了結(jié)論魯棒控制、多入多出以及最優(yōu)控制等較為復(fù)雜的問題?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展體現(xiàn)了控制理論的信息化、智能化以及自動化的發(fā)展趨勢，其發(fā)展并逐步走向成熟的過程反映了人類社會由機械化時代走向電氣化時代。這段時期的主要理論與人物如下：1957 年，Bellman 等提出的動態(tài)規(guī)則；1959 年，布西和Kalman 提出的狀態(tài)空間法和卡爾曼濾波理論；1961 年，龐特里亞金提出的極小（大）值原理。

（5）智能控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。智能控制是指驅(qū)動智能機械設(shè)備自動實現(xiàn)目標的過程，這個概念的理論基礎(chǔ)是運籌學(xué)、人工智能、信息論和控制論等學(xué)科的交叉理論知識。20 世紀70 年代，“智能控制”概念由傅京孫教授最早提出。他在1965 年就已經(jīng)把人工智能學(xué)科的規(guī)則運用到學(xué)習(xí)系統(tǒng)當(dāng)中。這說明1965 年是智能控制理論的萌芽時間。1977 年，美國學(xué)者Saridis 在傅京孫教授所提出的二元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，提出三元結(jié)構(gòu)，即自動控制、人工智能和運籌學(xué)的交叉。而中南大學(xué)的蔡自興教授在Saridis 的基礎(chǔ)上將三元結(jié)構(gòu)進一步擴展為自動控制、人工智能、運籌學(xué)、信息論的交叉的四元結(jié)構(gòu)，智能控制的理論體系也得以形成和進一步完善。

智能控制是人類通過微機以及其他多種途徑來模擬人類在日常生產(chǎn)經(jīng)營活動中的智能控制和決策行為的過程，它是人工智能和自動控制的交集。盡管智能控制理論還未形成較為完整和成熟的理論體系，僅僅只是發(fā)展了十幾年，但是，現(xiàn)有的智能控制的成果與理論發(fā)展表明其正在成為自動控制領(lǐng)域的熱門學(xué)科之一。人工智能的發(fā)展受益于信息技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)如今人工智能已經(jīng)逐漸成為一門單獨的學(xué)科，并在實踐過程中顯示出很強的發(fā)展能力和生命力。因此，盡管將智能控制理論作為第三階段的控制理論還稍顯牽強，但隨著人工智能的廣泛運用和不斷認可，智能控制理論在未來將更加的前沿、先進和令人無法想象。智能制造理論的學(xué)科研究將不斷深入，并在不久的未來逐漸成為自動控制理論的第三階段的重要分支。

3 自動控制理論的理論現(xiàn)狀與現(xiàn)實運用

盡管自動控制理論在生活和生產(chǎn)中的各方面均有所涉及，但是這并不代表經(jīng)典控制理論被自動控制理論所替代。在經(jīng)典控制理論階段，自動控制運用于工業(yè)技術(shù)中的各種控制領(lǐng)域上，例如，生產(chǎn)過程、航空航天技術(shù)、通信技術(shù)以及武器控制等方面?，F(xiàn)代控制理論被提出后也被運用于生態(tài)環(huán)境、社會系統(tǒng)、交通管理、經(jīng)濟科學(xué)以及生物和生命現(xiàn)象的領(lǐng)域研究當(dāng)中。因此，這兩個理論均在各自的領(lǐng)域當(dāng)中運用廣泛，所發(fā)揮的作用不可替代。

4 自動控制理論的專業(yè)前景

在現(xiàn)代科技中，自動控制技術(shù)占據(jù)著較大的比重，智能控制技術(shù)能夠在未來的科技發(fā)展中成為行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。我們?nèi)祟悜?yīng)當(dāng)將自動控制理論的內(nèi)容掌握清楚，并在未來的社會發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展與科技發(fā)展中打造出更加具有科技感和智能的產(chǎn)品。智能手機、智能家居、智能飛機等智能化產(chǎn)品和設(shè)備是我們運用自動控制理論和智能控制的技術(shù)發(fā)明出來以突破人類的生理和物理界限的產(chǎn)品，通過這些產(chǎn)品人類將更加舒適更加自由，能在機械設(shè)備上花費更少的時間來獲取更高的享受。

5 結(jié)語

科技的日新月異使得社會的發(fā)展越來越快，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)等的突破性發(fā)展，使人類自身的局限性得以克服。而在不遠的未來，自動控制技術(shù)將受到人們越來越多的重視，人類將不斷地從重復(fù)的機械式活動中解放出來，將自動控制技術(shù)運用到生活和工作的方方面面。同時，人類對于自動控制理論的研究也將不斷深入，認識將不斷提高，對控制系統(tǒng)的要求也會越來越高，因此，自動控制理論有向?qū)I(yè)化方向和綜合方向發(fā)展的兩種趨勢。未來，自動控制的發(fā)展前景將會更加廣闊，人們的生活也將越來越智能化和科技化。人類社會的發(fā)展將會受到自動控制發(fā)展的極大助益。