自動(dòng)控制的發(fā)展歷程
再讓我們回顧一下自動(dòng)控制的發(fā)展歷程。有人說懶人促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)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(mèng)想著省時(shí)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(dòng)物產(chǎn)生巨大差別，進(jìn)人到更高的生物體系。
自動(dòng)控制的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)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(guó)古代能工巧匠發(fā)明許多原始自動(dòng)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(dòng)儀、水運(yùn)儀象臺(tái)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(guó)黃帝時(shí)代就發(fā)明了指南車，指南車是一種馬拉的雙輪獨(dú)校車，車箱上立一伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)，車轍前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向相反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。車向正南方向行駛時(shí)，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(jiǎn)單，但它能夠自動(dòng)離合，在技巧上優(yōu)于記里鼓車的齒輪系。從自動(dòng)控制原理來看，指南車是利用擾動(dòng)補(bǔ)償原理的開環(huán)定向自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。被控制量是木人的指向。車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪帶動(dòng)齒輪系使木人沿著與車子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好補(bǔ)償了車的轉(zhuǎn)角。
②銅壺滴漏
自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺是中國(guó)古代的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置，又稱刻漏或漏刻。漏壺的最早記載見于《周禮》。這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)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(shí)間)，這里的浮箭可看作是一種自動(dòng)檢測(cè)裝置。保持上壺的水位恒定，則是自動(dòng)調(diào)節(jié)的問題，這種計(jì)時(shí)裝置是一種開環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
③記里鼓車
記里鼓車(見圖1-5)是中國(guó)古代能自報(bào)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(dòng)齒輪和凸輪杠桿等機(jī)構(gòu)。車行一里，車上木人受凸輪牽動(dòng)，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(yùn)渾象，和現(xiàn)代的天球儀相似，可以用來實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動(dòng)仿真。渾象是在一個(gè)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(dòng)，用來表演星空的運(yùn)動(dòng)，如恒星的出沒和中天等。
⑤候風(fēng)地動(dòng)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(dòng)檢測(cè)儀器。它的工作原理不僅涉及反映信號(hào)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(dòng)控制原理。
⑥水運(yùn)儀象臺(tái)
水運(yùn)儀象臺(tái)高約12m，寬約7m，它既能演示或觀測(cè)天象，又能計(jì)時(shí)或報(bào)時(shí)。水運(yùn)儀象臺(tái)利用銅壺滴漏的恒定水流作動(dòng)力來推動(dòng)樞輪，使它每天轉(zhuǎn)400周，樞輪又帶動(dòng)渾象和渾儀兩個(gè)齒輪系，由頂部的杠桿裝置(即天衡)控制框輪作恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，天衡使受水壺達(dá)到恒定水位后，便自動(dòng)脫離受水位置而下降，起自動(dòng)調(diào)節(jié)器的作用?？蜉嗈D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受水壺中的水陸續(xù)泄入退水壺，使合成的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小(相當(dāng)于一個(gè)負(fù)反饋?zhàn)饔?，樞輪被天關(guān)擋住，下一個(gè)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(gè)框輪轉(zhuǎn)速恒定系統(tǒng)則是一個(gè)采用內(nèi)部負(fù)反饋并進(jìn)行自振蕩的系統(tǒng)。水運(yùn)儀象臺(tái)裝有自動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每個(gè)時(shí)辰初、正和每刻相應(yīng)地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。
中國(guó)古代對(duì)自動(dòng)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(jī)速度而設(shè)計(jì)了離心調(diào)節(jié)器(見圖1-6)，這是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)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(dòng)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(jiǎn)便的方法，根據(jù)對(duì)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(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的繼電式伺服機(jī)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(jì)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(jì)出來的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且或多或少地滿足一組獨(dú)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(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變到設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及工業(yè)、軍事特別是空間技術(shù)的需求，以時(shí)域方法為主的諸多分析設(shè)計(jì)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(dòng)控制技術(shù)認(rèn)識(shí)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(dòng)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(shí)，在這一時(shí)期，控制的對(duì)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(jī)系統(tǒng)，由于數(shù)字計(jì)算機(jī)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(shí)域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)。它以狀態(tài)空間描述(實(shí)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(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時(shí)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(guó)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(duì)自動(dòng)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(gè)分支學(xué)科“工程控制論”的誕生。
1960年到1980年這段時(shí)間內(nèi)，不論是確定性系統(tǒng)和隨機(jī)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(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)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(duì)被控對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)突變、多時(shí)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(shí)。雖然智能控制體系形成的歷史不長(zhǎng)，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(diǎn)，智能控制正成為自動(dòng)控制的前沿學(xué)科之一。
自動(dòng)控制的未來
自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)從簡(jiǎn)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(dòng)控制設(shè)備時(shí)，我們完成的是簡(jiǎn)單的勞動(dòng)，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(dòng)控制設(shè)備，它需要人的駕駛才能行動(dòng)，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(jìn)步。未來汽車技術(shù)的發(fā)展，使得自動(dòng)駕駛成為可能，自動(dòng)避險(xiǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)也會(huì)快速發(fā)展，假如再把自動(dòng)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(huì)形成智慧交通呢?到那個(gè)時(shí)候，我們只需要按下某個(gè)按鈕，在高速公路上行駛的時(shí)候就可以安心睡大覺了。自動(dòng)控制技術(shù)的未來會(huì)向兩個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)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(jìn)步；另一個(gè)方向是應(yīng)用范圍的擴(kuò)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(dòng)控制的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用發(fā)展，就不會(huì)有它的出現(xiàn)。
