自動控制的發(fā)展歷程
再讓我們回顧一下自動控制的發(fā)展歷程。有人說懶人促進了社會的進步，這話雖然有些片面，但是還是有一定道理的，從刀耕火種的年代起，人們就夢想著省時省力地生產(chǎn)出更多的東西，來滿足生活的需要，工具的發(fā)明使人類擺脫了大自然的束縛，與其他低等動物產(chǎn)生巨大差別，進人到更高的生物體系。
自動控制的發(fā)展經(jīng)歷了四個主要階段：原始萌芽階段，經(jīng)典控制理論階段，現(xiàn)代控制理論階段以及智能控制理論階段。
1、原始萌芽階段
中國古代能工巧匠發(fā)明許多原始自動裝置，以滿足生產(chǎn)、生活和作戰(zhàn)的需要。指南車、銅壺滴漏、記里鼓車、漏水轉(zhuǎn)渾天儀、候風(fēng)地動儀、水運儀象臺等就是其中比較著名的發(fā)明。
①指南車
指南車(見圖1-4) 遠(yuǎn)在公元前26世紀(jì)的中國黃帝時代就發(fā)明了指南車，指南車是一種馬拉的雙輪獨校車，車箱上立一伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時，車轍前端就順此方向移動，而后端則向相反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的轉(zhuǎn)動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。車向正南方向行駛時，車輪和木人下的大齒輪是分離的，木人指向不變。因此，無論車轉(zhuǎn)向何方，都能使木人的手臂始終指向南方。車的齒輪系雖然非常簡單，但它能夠自動離合，在技巧上優(yōu)于記里鼓車的齒輪系。從自動控制原理來看，指南車是利用擾動補償原理的開環(huán)定向自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。被控制量是木人的指向。車子轉(zhuǎn)彎時，車輪帶動齒輪系使木人沿著與車子轉(zhuǎn)動方向相反的方向轉(zhuǎn)動，恰好補償了車的轉(zhuǎn)角。
②銅壺滴漏
自動計時漏壺是中國古代的自動計時裝置，又稱刻漏或漏刻。漏壺的最早記載見于《周禮》。這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度(即時間)，這里的浮箭可看作是一種自動檢測裝置。保持上壺的水位恒定，則是自動調(diào)節(jié)的問題，這種計時裝置是一種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
③記里鼓車
記里鼓車(見圖1-5)是中國古代能自報行車?yán)锍痰难b置。據(jù)王振鐸考證，記里鼓車是東漢以后出現(xiàn)的，由漢代鼓車改裝而成，車中裝設(shè)具有減速作用的傳動齒輪和凸輪杠桿等機構(gòu)。車行一里，車上木人受凸輪牽動，由繩索拉起木人右臂擊鼓一次，以表示行車的里程。
④漏水轉(zhuǎn)渾天儀
公元二世紀(jì)、東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制了一種天文表演儀器。它是一種水運渾象，和現(xiàn)代的天球儀相似，可以用來實現(xiàn)天體運行的自動仿真。渾象是在一個直徑4尺多(約1.5m)的銅球上刻有二十八宿、中外星官、黃赤道、南北極、二十四節(jié)氣、恒顯圈、恒隱圈等。漏水轉(zhuǎn)渾天儀就是把渾象與漏壺結(jié)合起來，以漏壺滴水控制渾象，使它與天球同步轉(zhuǎn)動，用來表演星空的運動，如恒星的出沒和中天等。
⑤候風(fēng)地動儀
這是公元132年，東漢的張衡發(fā)明的一種觀察地震的自動檢測儀器。它的工作原理不僅涉及反映信號的方向問題，而且還包含著“小偏差內(nèi)穩(wěn)定，大偏差內(nèi)不穩(wěn)定”等自動控制原理。
⑥水運儀象臺
水運儀象臺高約12m，寬約7m，它既能演示或觀測天象，又能計時或報時。水運儀象臺利用銅壺滴漏的恒定水流作動力來推動樞輪，使它每天轉(zhuǎn)400周，樞輪又帶動渾象和渾儀兩個齒輪系，由頂部的杠桿裝置(即天衡)控制框輪作恒速轉(zhuǎn)動，天衡使受水壺達(dá)到恒定水位后，便自動脫離受水位置而下降，起自動調(diào)節(jié)器的作用?？蜉嗈D(zhuǎn)動時，受水壺中的水陸續(xù)泄入退水壺，使合成的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩減小(相當(dāng)于一個負(fù)反饋作用)，樞輪被天關(guān)擋住，下一個空受水壺就接受水流。因此，天衡還起著類似鐘表中擒縱器的作用。而整個框輪轉(zhuǎn)速恒定系統(tǒng)則是一個采用內(nèi)部負(fù)反饋并進行自振蕩的系統(tǒng)。水運儀象臺裝有自動機構(gòu)，在每個時辰初、正和每刻相應(yīng)地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。
中國古代對自動控制技術(shù)的研究還是很深入的。
2、經(jīng)典控制理論階段
公元18世紀(jì)，詹姆斯.瓦特(James Watt)為控制蒸汽機速度而設(shè)計了離心調(diào)節(jié)器(見圖1-6)，這是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。在控制理論發(fā)展初期，在眾多學(xué)者中做出過重大貢獻(xiàn)的有邁納斯基(Minorsky)、黑曾(Hezen)和奈奎斯特(Nyquist)。1922年邁納斯基研制出船舶操縱自動控制器，并且證明了如何從描述系統(tǒng)的微分方程中確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1932年奈奎斯特提出了一種相當(dāng)簡便的方法，根據(jù)對穩(wěn)態(tài)正弦輸入的開環(huán)響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1934年，黑曾提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的繼電式伺服機構(gòu)。
20世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為工程技術(shù)人員設(shè)計滿足性能要求的線性閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行的方法。20世紀(jì)40年代末到50年代初，伊凡恩(Evans)提出并完善了根軌跡法。頻率響應(yīng)法和根軌跡法是經(jīng)典控制理論的核心。由這兩種方法設(shè)計出來的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且或多或少地滿足一組獨立的性能要求。一般來說，這些系統(tǒng)是令人滿意的，但它不是某種意義上的最佳系統(tǒng)。從50年代末期開始，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變到設(shè)計在某種意義上的一種最佳系統(tǒng)。
3、現(xiàn)代控制理論階段
大約從1960年開始，由于數(shù)字計算機的出現(xiàn)以及工業(yè)、軍事特別是空間技術(shù)的需求，以時域方法為主的諸多分析設(shè)計方法得以迅猛發(fā)展，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，又形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論”，這是人類在自動控制技術(shù)認(rèn)識上的一次飛躍。為現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法的建立做出開拓性貢獻(xiàn)的有：1954年，貝爾曼(P.Bellman)的動態(tài)規(guī)劃理論；1956年，龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理；1960年，卡爾曼(R.E.Kalman)的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。
在20世紀(jì)50年代，控制理論的發(fā)展主要集中在復(fù)平面上及根軌跡的發(fā)展。同時，在這一時期，控制的對象從單輸入-單輸出發(fā)展到多輸入-多輸出，從確定性系統(tǒng)發(fā)展到隨機系統(tǒng)，由于數(shù)字計算機在控制系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，以及一些新的控制部件的使用，把控制變得更加精確、快速。
狀態(tài)空間法屬于時域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)。它以狀態(tài)空間描述(實質(zhì)上是一階微分或差分方程組)作為數(shù)學(xué)模型，利用計算機作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。它不僅在航天、航空、制導(dǎo)與軍事武器控制中有成功的應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中也得到逐步應(yīng)用。
1954年，我國學(xué)者錢學(xué)森出版了專著《工程控制論》，系統(tǒng)地揭示了控制論對自動化、航空、航天、電子通信等工程技術(shù)領(lǐng)域的意義和深遠(yuǎn)影響。這標(biāo)志著控制論學(xué)科分化而產(chǎn)生的第一個分支學(xué)科“工程控制論”的誕生。
1960年到1980年這段時間內(nèi)，不論是確定性系統(tǒng)和隨機性系統(tǒng)的最優(yōu)控制，還是復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到了充分研究。
4、智能控制理論階段
近年來，把傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合，充分利用人類的控制知識對復(fù)雜系統(tǒng)進行控制，逐漸形成了智能控制理論的雛形。智能控制是一種能更好地模仿人類智能的、非傳統(tǒng)的控制方法。內(nèi)容包括最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、仿人控制等。
智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)思想是，依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決目前那些需要人的智能才能解決的控制問題。被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)為模型的不確定性、高度非線性、分布式傳感器和執(zhí)行器、動態(tài)突變、多時間標(biāo)度、復(fù)雜的信息模式、龐大的數(shù)據(jù)量以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。雖然智能控制體系形成的歷史不長，理論還未完全成熟，但其已有的應(yīng)用成果和理論發(fā)展說明了一點，智能控制正成為自動控制的前沿學(xué)科之一。
自動控制的未來
自動控制技術(shù)已經(jīng)從簡單的設(shè)備控制發(fā)展成為復(fù)雜的系統(tǒng)控制。在使用單一自動控制設(shè)備時，我們完成的是簡單的勞動，僅僅是由設(shè)備替代人的工作而已，比如汽車從整體來看也算是一種自動控制設(shè)備，它需要人的駕駛才能行動，但是，隨著汽車的增多，以及應(yīng)用的推廣，交通事故、交通擁堵、環(huán)境污染、能源的大量消耗等開始逐步困擾著人類的進步。未來汽車技術(shù)的發(fā)展，使得自動駕駛成為可能，自動避險功能可以實現(xiàn)，自動導(dǎo)航技術(shù)也會快速發(fā)展，假如再把自動駕駛納入整體管理，形成一套可控的、優(yōu)化的方案，那么，是不是就會形成智慧交通呢?到那個時候，我們只需要按下某個按鈕，在高速公路上行駛的時候就可以安心睡大覺了。自動控制技術(shù)的未來會向兩個方向發(fā)展，一個方向是控制理論的深入研究，融合管理技術(shù)的智能控制理論的深入進步；另一個方向是應(yīng)用范圍的擴展，導(dǎo)致人類生活的極大改變，比如現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，如果沒有自動控制的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用發(fā)展，就不會有它的出現(xiàn)。
