1.5 控制理论的发展简史

控制理论与科学技术密切相关，在近代得到了极为迅速的发展，在众多领域的成功应用，使控制理论发展成为一门内涵极为丰富的新兴学科。纵观控制理论的发展，自动控制理论学科一般可以划分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

1.经典控制理论阶段

公认的最早应用于工业过程的自动反馈控制器，是瓦特（James Watt）于1769年发明的飞球调速器，它被用来控制蒸汽机的转速。图1-18所示的全机械装置，可以测量驱动杆的转速并利用飞球的运动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。如图1-18所示，调速器、轴杆通过斜面齿轮和连接机构，与蒸汽机的输出驱动杆连接在一起。当输出转速增大时，飞球离开轴线，重心上移，于是通过连杆关紧阀门，蒸汽机会因此减速。有些人认为，最早的具有历史意义的反馈系统，是由普尔佐诺夫（I.Polzunov）于1765年发明的水位浮球调节器，如图1-19所示，浮球探测水位并控制锅炉入水口处的阀门。

19世纪之前的自动控制系统是人们仅凭直觉和经验发明的，并取得了长足的发展。随着控制系统精度的不断提高，人们需要解决瞬态振荡问题，甚至是系统的稳定性问题，因此，发展自动控制理论便成了当务之急。1868年，麦克斯韦（J.C.Maxwell）用微分方程建立了一类调速器的模型，发展了与控制理论相关的数学理论，其工作重点在于研究参数对系统性能的影响。劳斯（E.J.Routh）、赫尔维茨（A.Hurwitz）分别于1877年、1895年独立给出了高阶线性系统的稳定性判据；另外，1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，I.A.Vyshnegradskii也建立了调速器的数学理论。

第二次世界大战之前，自动控制理论及应用在美国和西欧采取了与苏联和东欧不同的发展途径。伯德（H.W.Bode）、奈奎斯特（H.Nyquist）和布莱克（H.S.Black）等在贝尔电话实验室对电话系统和电子反馈放大器所做的研究工作，是促进反馈系统在美国得以应用的主要动力。1921年，布莱克进入美国电话电报公司（AT&T）的贝尔实验室工作。同年，贝尔实验室的主要任务是改进信号放大器的设计，进而改善整个电话系统，布莱克的任务是对放大器进行线性化和稳定化，并通过改进其设计，使串联起来的放大器可将话音传送到数千英里之外。采用带宽等频域术语和频域变量的频域方法，当初主要是用来描述反馈放大器的工作情况。与此不同，在苏联，一些著名的数学家和应用力学家发展和主导着控制理论，他们倾向于使用时域方法，因为时域方法利用微分方程来描述系统更直观。

第二次世界大战期间，自动控制理论及应用出现了一个发展高潮。战争需要用反馈控制的方法设计和建造飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统及其他军用系统。这些军用系统的复杂性和高性能要求，迫使拓展已有的控制技术，这致使人们更加关注控制系统，同时也产生了许多新的见解和方法。1940年以前，绝大部分场合，控制系统设计是一门艺术或手艺，采用的是“试凑法”。而到了20世纪40年代，无论在计算方面还是在实用性方面，基于数学和分析的设计方法都有了很大发展，控制工程也发展成为一门工程科学。

控制工程的另一个应用实例是贝尔实验室的帕金森（David B.Parkinson）发明的火炮射击指挥仪。1940年春，帕金森正在致力于改进自动电压记录仪。这种仪器用于在标有条形刻度的记录纸上绘制电压记录，其中的关键元件是一个小的电位计，它通过执行机构来控制记录笔的运动。经过艰苦的努力，1941年12月1日，帕金森提供了一台工程样机供美国陆军进行试验，并于1943年年初提供了生产样机，最终有3000台高炮射击指挥仪装备部队。该控制器由雷达提供输入，利用目标飞机的当前位置和计算出的目标预期位置，确定应该瞄准的方向。

1945年，美国数学家维纳（N.Wiener）把反馈控制的概念推广到生物系统和机器系统，并于1948年，出版了著名的《控制论》（Cybernetics）一书，为自动控制理论奠定了基础。第二次世界大战后，工业迅速发展，受控对象越来越复杂，当时又遇到新的控制问题，即非线性系统、时滞系统、脉冲及采样系统、时变系统、分布参数系统和随机信号输入系统的控制问题等，促使经典控制理论在20世纪50年代又有了新的发展。众多科学家在总结以往实践并在反馈理论、频率响应理论同时加以发展的基础上，形成了较为完整的自动控制系统设计的频域法理论。至此，自动控制理论发展的第一个阶段基本完成。这种建立在频域法和根轨迹法基础上的理论，通常称为经典控制理论。

经典控制理论以Laplace变换为数学工具，以单输入单输出的线性定常系统为主要研究对象，将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，从而得到系统的传递函数，并以此为基础在频域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。一般通过采用反馈控制，将输出的量测值与期望值进行比较，构成所谓的闭环控制系统。但经典控制理论具有明显的局限性，难以有效地应用于时变系统和多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的本质特性。这是由经典控制理论的特点决定的：经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也无法处理；经典控制理论只限于分析和设计单变量系统，采用系统的输入和输出描述方式，即只注重系统的输入和输出形式，而从本质上忽略了系统结构的内在特性。事实上，大多数工程对象都是多输入多输出系统，如焊接机器人、搬运机器人、锅炉温度控制系统等，尽管人们做了很多尝试，但是用经典控制理论都没有得到满意的控制结果。经典控制理论采用试探法设计系统，即根据经验选用简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行综合，直至得到满意的控制结果。虽然这种设计方法具有简单、实用等诸多优点，但是控制效果并非最佳。

2.现代控制理论阶段

由于航空航天和电子计算机的迅速发展，20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，又形成了所谓的“现代控制理论”，这是对自动控制技术认识的一次飞跃。现代控制理论的对象是多输入多输出系统，涉及控制系统本质的基本理论的建立，如能控性、能观测性、实现理论、分解理论等，使控制由一类工程设计方法提高为一门新的科学。现代控制理论解决了很多实际工程中所遇到的控制问题，也促使非线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、辨识与估计理论、卡尔曼滤波等发展为成果丰富的独立学科分支。在航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展的支持下，现代控制理论在1960年前后有了重大的突破和创新。在此期间，贝尔曼（R.E.Bel1man）提出了寻求最优控制的动态规划法。庞特里亚金（L.S.Pontryagin）证明了极大值原理，使得最优控制理论得到了极大的发展。卡尔曼（R.E.Kalman）将状态空间法引入系统与控制理论中，提出了能控性、能观测性的概念以及新的滤波理论。以上诸多成果构成了现代控制理论发展的起点和基础。

现代控制理论以线性代数和微分方程为主要数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计自动控制系统。状态空间法本质上是一种时域方法，它不仅描述了系统的外部现象和特性，而且描述和揭示了系统的内部状态和性能。它对系统进行分析和综合的目的是揭示系统的内在规律，并在此基础上实现系统的最优化。与经典控制理论相比，现代控制理论的研究对象要广泛得多。它涉及的控制系统既可以是单变量、线性、定常、连续的，也可以是多变量、非线性、时变、离散的。对现代控制理论而言，控制对象结构由简单的单回路模式向多回路模式转变，即从单输入单输出转变为多输入多输出，可以处理极为复杂的工业生产过程的优化和控制问题。现代控制理论的数学研究工具也发生了转变，由积分变换法向矩阵理论和几何方法转变，由频域法转向系统状态空间的研究，由机理数学建模方法向统计数学建模方法转变，并开始运用参数估计和系统辨识的统计建模方法。

3.智能控制理论阶段

智能控制理论是一个较为广义的范畴，是模拟人类智能的一种控制方法，其涉及的研究领域也十分广泛。经过20世纪80年代的孕育发展，特别是近几年的研究和实践，人们已认识到采用智能控制是解决复杂系统控制问题的有效途径。当前已有很多智能控制方法在工程中得到了应用。从国内外研究成果来看，越来越多的科技人员研究现代控制理论向智能化发展的技术，例如附有智能的自适应控制、鲁棒控制，智能反馈控制，学习控制和循环控制，故障诊断及容错控制，生产调度管理控制，机器人自组织协调控制，以及控制系统的智能化设计等。另外，用智能方法解决实际控制问题的研究也越来越多，如决策论，带有专家系统的过程监控、预警及调度系统，人工神经网络控制系统，模糊逻辑控制系统，模式识别与特征提取等。当前许多专业化学科与工程，针对受控对象的复杂性，综合应用各种智能控制策略，力求达到最佳的控制效果。

智能控制理论及系统具有以下几个显著特点。

（1）在分析和设计智能控制系统时，重点不在于传统控制器的分析和设计，而在于智能控制机的模型设计。事实上，对于一些复杂系统，当前根本无法用精确的数学模型描述，智能控制理论重点研究非数学模型的描述、符号和环境的识别、知识库和推理机的设计与开发。

（2）智能控制的核心是高层控制，其任务在于对实际环境或过程进行组织、决策和规划，实现广义问题的求解。同时，智能控制又是一门边缘交叉学科，即人工智能、自动控制和运筹学等学科的交叉。

（3）智能控制是一个新兴的研究和应用领域，发展前景广阔。随着人们对自身大脑机制的认识以及计算机技术的飞速发展，智能控制理论将不断完善，并在实际中发挥更重要的作用。

应当指出，现代控制理论的出现并非是对经典控制理论的否定，相反是对它的促进和发展。事实上，经典控制理论与现代控制理论在实际工程控制中，往往取长补短，发挥各自的优势，使控制效果达到最优，同时各自的理论在实践当中不断充实和发展。多输入多输出非线性时变复杂问题促使了经典控制理论向现代控制理论发展，而当前更加复杂化的受控对象以及对控制要求更加苛刻的问题，也使现代控制理论面临新的挑战，并由此催生了智能控制理论与技术的突起与发展。显然，这并未使现代控制理论失去理论和应用价值，相反，工程实际需求的不断提高正在为现代控制理论的发展提供动力。自20世纪60年代以来，控制理论迅速发展，在很多工程实际控制过程中，现代控制理论解决了多输入多输出的系统问题，取代了用经典控制理论解决单输入单输出的系统问题。应用状态空间法揭示了系统的内在规律，实现控制系统在一定意义下的最佳化。当前工业领域的受控对象大多属于多输入多输出系统，例如工业机器人、数控机床、锻压控制系统、液压控制系统等，其控制问题特别适于用现代控制理论来解决。如何将现代控制理论与实际工程控制问题有机结合是复杂控制系统的发展方向，也是一个国家制造业飞速发展的需要。

现代控制理论通常用于解决复杂的受控对象问题，经过几十年的发展，它不仅在航空航天技术上取得了惊人成就，而且在其他众多工程领域及非工程领域的应用也得到了巨大的成功。例如中国用于发射“嫦娥一号”绕月卫星的“长征三号”甲火箭，就应用了现代控制理论中的自适应控制，可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态定向调姿，并提供可调整的卫星起旋速率，对周围环境具有很强的抗干扰和适应能力。而汽车制造过程中的激光焊接、轧钢过程的滚轮控制及石油化工提炼等过程都应用了最优控制技术。显然，随着控制理论与计算机技术的不断发展，现代控制理论的内容将会得到进一步的提升，并在工程上得到更广泛的应用，创造更大的经济效益和社会效益。

事实上，经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论的内容相互渗透，从某种意义上讲，它们之间没有严格的界限。特别是随着科学技术的发展以及各学科领域的不断渗透交叉，现代控制理论所涉及的研究范围越来越广，现代控制理论与智能控制理论的内容也相互覆盖，形成了多控制理论融合的新的控制方法。