自動(dòng)控制發(fā)展歷程

劉雅軒

自動(dòng)控制是指應(yīng)用自動(dòng)化儀器儀表或自動(dòng)控制裝置代替人自動(dòng)地對(duì)儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標(biāo)。經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制三個(gè)階段。為工業(yè)4.0智能化時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

自動(dòng)控制領(lǐng)域從古典控制理論、現(xiàn)代控制理論到現(xiàn)在的智能控制理論，經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)e69da5e887aae799bee5baa631333366303130間的發(fā)展。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，它也面臨著許多難題，如傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是建立在精確系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，而實(shí)際系統(tǒng)由于在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性等情況，一般都無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型;當(dāng)研究這些系統(tǒng)時(shí)，必須提出并遵循一些比較苛刻的假設(shè)，而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不相吻合;對(duì)于某些復(fù)雜的和包含不確定性的控制過(guò)程，根本無(wú)法用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，即無(wú)法解決建模問(wèn)題;為了提高控制性能，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜，從而增加了設(shè)備的初投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。為了解決這些問(wèn)題，就出現(xiàn)了智能控制理論。隨著人工智能、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制也取得了重大進(jìn)展。各種智能咨詢(xún)與決策系統(tǒng)、專(zhuān)家控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和智能故障檢測(cè)與診斷等已在工業(yè)過(guò)程控制、智能機(jī)器人控制、智能化生產(chǎn)系統(tǒng)和家用電氣設(shè)備中都得到了成功的應(yīng)用。

近年來(lái)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，使人們籍助于許多使能技術(shù)的進(jìn)步和一些開(kāi)發(fā)工具的擴(kuò)大，將人們構(gòu)思的自動(dòng)操作得以付諸實(shí)現(xiàn)。如網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、可編程控制器等均屬于自動(dòng)化控制技術(shù)中的使能技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)正向著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點(diǎn)節(jié)能化的方向發(fā)展。

自動(dòng)控制技術(shù)有很強(qiáng)的應(yīng)用背景，無(wú)論是在煉鋼、軋鋼、化工、石油、電力等工業(yè)上，或是造紙、紡織、皮革和食品等工業(yè)上;無(wú)論是在航空、航海、汽車(chē)和鐵路運(yùn)輸工業(yè)和國(guó)防工業(yè)上，或是圖書(shū)資料的管理、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)設(shè)備上都得到廣泛應(yīng)用。自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)導(dǎo)彈和人造地球衛(wèi)星是非常重要的，對(duì)于研究原子能的應(yīng)用，研究飛機(jī)和導(dǎo)彈的空氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是有用的。沒(méi)有應(yīng)用背景的“控制理論”就缺乏生命力。如何巧妙地運(yùn)用控制的基礎(chǔ)理論來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題是和研究控制理論本身不同的另一種創(chuàng)造性工作。

自動(dòng)控制理論是與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展密切聯(lián)系的一門(mén)學(xué)科，是自動(dòng)控制科學(xué)的核心自從19世紀(jì)Maxwell對(duì)具有調(diào)速器的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行線性常微分方程描述及穩(wěn)定性分析以來(lái)，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)初Nyquist，Bode， Harris， Evans ，Wienner， Nichols等人的杰出貢獻(xiàn)，終于形成了經(jīng)典反饋控制理論基礎(chǔ)，并于50年代趨于成熟特點(diǎn)是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，采用頻域方法，主要研究單輸入單輸出線性定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，但它存在著一定的局限性。

隨著20世紀(jì)40年代中期計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，促進(jìn)了自動(dòng)控制理論朝著更為復(fù)雜也更為嚴(yán)密的方向發(fā)展，特別是在Kalman提出的可控性和可觀測(cè)性概念以及提出的極大值理論的基礎(chǔ)上，在20世紀(jì)50 60年代開(kāi)始出現(xiàn)了以狀態(tài)空間分析（應(yīng)用線性代數(shù)）為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是一種時(shí)域法，其研究?jī)?nèi)容非常廣泛，主要包括三個(gè)基本內(nèi)容：多變量線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計(jì)與系統(tǒng)辨識(shí)理論現(xiàn)代控制理論從理論，上解決了系統(tǒng)的可控性可觀測(cè)性穩(wěn)定性以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，形成了復(fù)雜的大系統(tǒng)，導(dǎo)致了控制對(duì)象控制器以及控制任務(wù)和目的的日益復(fù)雜化，從而導(dǎo)致現(xiàn)代控制理論的成果很少在實(shí)際中得到應(yīng)用經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論在應(yīng)用中遇到了不少難題，影響了它們的實(shí)際應(yīng)用。第三代控制理論即智能控制理論就是在這樣的背景下提出來(lái)的，它是人工智能和自動(dòng)控制交叉的產(chǎn)物，是當(dāng)今自動(dòng)控制科學(xué)的出路之一，其主要原因有三：

1）精確的數(shù)學(xué)模型難以獲得此類(lèi)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析都是建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，而實(shí)際系統(tǒng)由于存在不確定性不完全性模糊性時(shí)變性非線性等因素，一般很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型;

2）假設(shè)過(guò)于苛刻研究這些系統(tǒng)時(shí)，人們必須提出一些比較苛刻的假設(shè)，而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不符;

3）控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜為了提高控制性能，整個(gè)控制系統(tǒng)變得極為復(fù)雜，這不僅增加了設(shè)備投資，也降低了系統(tǒng)的可靠性;

現(xiàn)代化工廠向規(guī)模集約化方向發(fā)展時(shí)，生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)算能力、擴(kuò)展能力、開(kāi)放性、操作及監(jiān)控水平等方面提出了越來(lái)越高的要求。

傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。隨著工業(yè)自動(dòng)化控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向?qū)⑾蛑悄芑⒕W(wǎng)絡(luò)化、全集成自動(dòng)化等方向發(fā)展。

自動(dòng)控制也可以概括為四個(gè)時(shí)期：

（1） 自動(dòng)化裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用（18世紀(jì)以前）

古代人類(lèi)在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動(dòng)，逐漸利用自然界的動(dòng)力（水力、風(fēng)力等）代替人力、畜力，以及用自動(dòng)裝置代替人的部分繁雜的腦力勞動(dòng)和對(duì)自然界動(dòng)力的控制。

（2）自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期（18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代）

社會(huì)的需要是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。自動(dòng)化技術(shù)是緊密?chē)@著生產(chǎn)﹑軍事設(shè)備的控制以及航空航天工業(yè)的需要而形成和發(fā)展起來(lái)的。工業(yè)上的應(yīng)用，是以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為正式起點(diǎn)。1788年﹐瓦特為了解決工業(yè)生產(chǎn)中提出的蒸汽機(jī)的速度控制問(wèn)題﹐把離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門(mén)連接起來(lái)﹐構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)﹐使蒸汽機(jī)變?yōu)榧劝踩謱?shí)用的動(dòng)力裝置。此時(shí)的自動(dòng)化裝置是機(jī)械式的，而且是自力型的。

（3）局部自動(dòng)化時(shí)期（20世紀(jì)40～50年代）

在1943～1946年，美國(guó)電氣工程師J.?？嗣摚‥ckert）核物理學(xué)家J.莫奇利（Mauchly）為美國(guó)陸軍研制成世界上第一臺(tái)基于電子管和數(shù)字管的計(jì)算機(jī)（Electronic Digit Computer）——電子書(shū)子積分和自動(dòng)計(jì)數(shù)器（ENIAC）。隨后人們對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了多次改良，使之更加實(shí)用。同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，為20世紀(jì)60～70年代開(kāi)始的在控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過(guò)程，奠定了基礎(chǔ)。目前，小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)或單片機(jī)已成為復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)的一組成部分，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和算法。

（4）綜合自動(dòng)化時(shí)期（20世紀(jì)50年代起末至今）

在這個(gè)時(shí)期，經(jīng)典控制理論已不能滿足復(fù)雜工業(yè)化的需求，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生，得到了迅速的發(fā)展，并形成了許多各分支。

社會(huì)在不斷進(jìn)步，智能化的提出引領(lǐng)了各個(gè)領(lǐng)域的變革，它是信息化技術(shù)的應(yīng)用，它采用了人工智能理論、學(xué)習(xí)算法、先進(jìn)技術(shù)，使設(shè)備能夠模擬人類(lèi)智能的某些特性和功能。工業(yè)智能化控制是在人工智能的基礎(chǔ)上提出的控制方法，主要表現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備自動(dòng)控制的多功能化方面。通過(guò)以太網(wǎng)和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放型分布式智能系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)通用的TCP/IP四層協(xié)議族，提供高度模塊化、分布式技術(shù)和可反復(fù)使用的工業(yè)控制方案。比如：新一代的固態(tài)傳感器和智能變送器向微型化、高精度、低功能、智能化方向發(fā)展，智能閥門(mén)定位器由高集成度的微控制器控制，對(duì)所有控制參數(shù)都可組態(tài)，實(shí)現(xiàn)線性、分程控制、等百分比、快開(kāi)等特性修正功能，并能實(shí)現(xiàn)智能化。網(wǎng)絡(luò)的嵌入使智能化的實(shí)現(xiàn)成為必然趨勢(shì)。