控制科学介绍

发信站: 水木社区 (Sun Sep  2 08:31:49 2007)
控制理论与控制工程是在控制科学与工程一级学科下的二级学科，作为一门独立的学科分支，现已成为当今最活跃的学科之一，它研究的对象和应用领域不但涉及到工业、农业、交通、运输等传统产业，还涉及到生物、通讯、信息、管理等新兴行业。在21世纪，以3C(Computer、Communication、Control)技术为代表的IT产业中，计算机技术是核心，通讯技术是关键，控制技术是基础，因此控制学科已是一门基础学科，它的关于系统结构、反馈调节、系统稳定、系统智能的思想不仅在自然科学的各个学科领域得到广泛应用，在人文科学中也有体现。有专家指出，控制理论不只是一门学科，它是哲学，是世界观、是方法论。因此，象《自动控制原理》、《现代控制理论》这样的控制理论与控制工程基础课程，在当今大学本科教育中，许多高校都作为必修课列入教学计划，了解一点控制理论基本知识，懂得一点自动控制基本概念，接触一点控制工程的基本常识，已成为目前高等院校各专业学生和教师的共识。
一、控制理论的产生及其发展
自动控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18世纪中叶英国的第一次技术革命。1765年，瓦特（Jams Watt,，1736~1819）发明了蒸汽机，进而应用离心式非锤调速器原理控制蒸汽机转速，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始。后来，工程界用自动控制理论讨论调速系统的稳定性问题。1868年麦克斯韦(Maxwell)发表的《关于调速器》一文中指出，控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。1872年劳斯（E J Routh，1831~1907）和1890年赫尔维茨(Huiwitz)先后找到了系统稳定性的代数判据，即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件。1892年俄国学者李雅普诺夫(A M Lyapunov，1857~1918)发表的《论运动稳定性的一般问题》的博士论文，提出了用适当的能量函数—李雅普诺夫函数在正定性及其导数的负定性来鉴别系统的稳定性准则，从而总结和发展了系统的经典时域分析法。
随着通讯及信息处理技术的迅速发展，电气工程师们发展了以实验为基础的频域响应分析法，1932年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特(H Nyquist)发表了《反馈放大器稳定性》的著名论文，给出了系统稳定性奈奎斯特判据。后来，苏联学者米哈依诺夫（A B Mihaynov）又把奈奎斯特判据推广到条件稳定和开环不稳定的一般情况。
在二次大战期间，由于军事上的需要，雷达及火力控制系统有较大发展，频率法被推广到离散系统、随机过程和非线性系统中。美国著名的控制论创始人维纳(N Wiener，1894~1964)系统地总结了前人的成果，于1948年发表了《控制论—或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》著作，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科的产生奠定了基础。
随着生产的发展，控制技术也在不断发展，尤其是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：
第一阶段，时间为上世纪40~60年代，称为“古典控制理论”时期。古典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频分析法，所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般不能超过两个变量，古典控制理论能够较好地解决生产过程中单输入单输出问题。
这一时期的主要代表人物有伯德（H W Bode）和伊文思(W R Evans)。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法，1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。
第二阶段，时间为上世纪60~70年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。古典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。
这一时期的主要代表人物有庞特里亚金（Pontryagin）、贝尔曼(Bellman)及卡尔曼(Kalman)等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理、贝尔曼在1957年提出了动态规划、卡尔曼在1959年发表了线性滤波器和估计器论文，即著名的卡尔曼滤波。
第三阶段，时间为上世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。
目前，智能控制中一个广为重视的问题就是用自然语言进行人机对话的研究，而初步应用的典型智能控制系统就是智能机器人。随着社会和经济的发展，控制理论也在不断发展和完善，随着自动控制技术和计算机技术的迅速发展，人们不仅从繁重的体力劳动中解放出来，而且也不断地从复杂的脑力劳动中“解脱”出来。已经深入到家庭生活中的机器人的出现，就是一个有力的说明。
回顾控制理论的发展历史可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化，并继续走向自动化、信息化、智能化时代。