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    自動控制理論發展概述

        自動控制理論是在人類征服自然的生產實踐活動中孕育、產生、并隨著社會生產和科學技術的進步而不斷發展、完善起來的。
           早在古代,勞動人民就憑借生產實踐中積累的豐富經驗和對反饋概念的直觀認識,發明了許多閃爍控制理論智慧火花的杰作。例如,我國北宋時代(公元1086~1089年)蘇頌和韓公廉利用天衡裝置制造的水運儀象臺,就是一個按負反饋原理構成的閉環非線性自動控制系統;1681年DennisPapin發明了用做安全調節裝置的鍋爐壓力調節器;1765年俄國人普爾佐諾夫(I.Polzunov )發明了蒸汽鍋爐水位調節器等等。

           1788,英國人瓦特(James Watt)在他發明的蒸汽機上使用了離心調速器,解決了蒸汽機的速度控制問題,引起了人們對控制技術的重視。以后人們曾經試圖改善調速器的準確性,卻常常導致系統產生振蕩。

           實踐中出現的問題,促使科學家們從理論上進行探索研究。1868年,英國物理學家麥克斯韋(J.C.Maxwell)通過對調速系統線性常微分方程的建立和分析,解釋了瓦特速度控制系統中出現的不穩定問題,開辟了用數學方法研究控制系統的途徑。此后,英國數學家勞斯(E.J.Routh)和德國數學家古爾維茨(A.Hurwitz)分別在1877年和1895年獨立地建立了直接根據代數方程的系數判別系統穩定性的準則。這些方法奠定了經典控制理論中時域分析法的基礎。

    1932年,美國物理學家奈奎斯特(H.Nyquist)研究了長距離電話線信號傳輸中出現的失真問題,運用復變函數理論建立了以頻率特性為基礎的穩定性判據,奠定了頻率響應法的基礎。隨后,伯德(H.W.Bode)和尼柯爾斯(N.B.Nichols)在20世紀30年代末和40年代初進一步將頻率響應法加以發展,形成了經典控制理論的頻域分析法。為工程技術人員提供了一個設計反饋控制系統的有效工具。

          第二次世界大戰期間,反饋控制方法被廣泛用于設計研制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達天線控制系統以及其他軍用系統。這些系統的復雜性和對快速跟蹤,精確控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技術,促使了許多新的見解和方法的產生。同時,還促進了對非線性系統、采樣系統以及隨機控制系統的研究。

    1948年,美國科學家伊萬斯(W.R.Evans)創立了根軌跡分析方法,為分析系統性能隨系統參數變化的規律性提供了有力工具,被廣泛應用于反饋控制系統的分析、設計中。

    以傳遞函數作為描述系統的數學模型,以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設計工具,構成了經典控制理論的基本框架。到20世紀50年代,經典控制理論發展到相當成熟的地步,形成了相對完整的理論體系,為指導當時的控制工程實踐發揮了極大的作用。

            經典控制理論研究的對象基本上是以線性定常系統為主的單輸入單輸出系統,還不能解決如時變參數問題,多變量、強耦合等復雜的控制問題。

    20世紀50年代中期,空間技術的發展迫切要求解決更復雜的多變量系統、非線性系統的最優控制問題(例如火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度,低消耗控制)。實踐的需求推動了控制理論的進步,同時,計算機技術的發展也從計算手段上為控制理論的發展提供了條件,適合于描述航天器的運動規律,又便于計算機求解的狀態空間描述成為主要的模型形式。俄國數學家李雅普諾夫(A.M.Lyapunov) 1892年創立的穩定性理論被引用到控制中。1956年,前蘇聯科學家龐特里亞金(Pontryagin)提出極大值原理;同年,美國數學家R.貝爾曼(R.Bellman)創立了動態規劃。極大值原理和動態規劃為解決最優控制問題提供了理論工具。1959年美國數學家卡爾曼(R.Kalman)提出了著名的卡爾曼濾波器,1960年卡爾曼又提出系統的可控性和可觀測性問題。到20世紀60年代初,一套以狀態方程作為描述系統的數學模型,以最優控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統分析、設計的新原理和方法基本確定,現代控制理論應運而生。
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