自动控制系统的发展和技术现状如何？
图4-1所示的框图说明了控制系统的基本概念。在动作信号通过(经由)控制系统部件之后，它提供指示，并且该系统的目的是将变量C控制在指示内。一般来说，被控变量是系统的输出，而动作信号是系统的输入。举个简单的例子，汽车的转向控制，两个前轮的方向可以看作是被控变量，也就是输出；而它的方向盘的位置可以看作是输入，也就是动作信号e，再举个例子，如果我们要控制汽车的速度，那么油门的总压力就是动作信号，速度作为被控变量。
图4-1基本控制系统框图
我们把要控制的物理量称为系统的受控量或输出量。用来使系统具有期望性能或输出的激励信号定义为系统的控制量或输入量。使被控量偏离期望值的因素称为扰动量。自动控制过程是试图消除干扰因素的影响，以保持被控量按预期变化的过程。
因此，自动控制系统可以这样理解:任何系统，在没有直接参与的情况下，通过控制装置使被控对象或过程按照预定的规律自动运行。
人类在掌握了简单的制造技术后，为了减少或代替自己的劳动，产生了创造自动化装置的想法，这就是自动控制思想的最初来源。自动控制技术的发展过程大致经历了古代阶段、17-19世纪阶段、19世纪阶段到二战阶段、二战后阶段四个阶段。在此期间，经典控制理论和现代控制理论从无到有发展起来。
2自动控制技术的早期发展
在古代，大约在公元前14世纪到公元前11世纪，世界上的古代文明，包括中国、埃及、巴比伦，由于生产发展的需要，都出现了可以自动计时的漏壶。汉代科学家张衡发明了浑仪和地动仪。模型的轮廓如图4-2所示，将自动控制的思想应用于天文观测仪器和地震观测仪器。三国时期出现了指南车，这是方位测定仪器中运用自动控制思想的成功范例。中国北宋时期(公元1086-1089年)，苏颂、韩公廉制作的水运仪像台如图4-3所示，是集天文观测用浑仪、天文演示用浑仪和自动计时装置于一体的仪器。整个系统是一个基于负反馈原理的闭环非线性自动控制系统。
图4-2比例地震仪模型的外形图
图4-3水上仪器图像平台
古埃及和古希腊出现了半自动的简易机器，如教堂大门的自动开启装置、自动洒圣水的青铜祭司、投币式圣水罐、教堂门口自动唱歌的青铜鸟等。这是一些不相关的原始自动装置和一些个人发明。17世纪以后，随着生产的发展和科学的进步，欧洲出现了多种自动装置，包括:1642年，法国物理学家帕斯卡发明了能自动进位的加法器；1657荷兰机械师惠更斯发明了钟表；1745年，英国机械师e·李发明发明了一种带风向控制的气流磨，利用尾翼的转向功能，使主翼对准风向；1765年，俄罗斯机械师波尔祖诺夫发明了浮阀水位调节器，可以自动控制蒸汽锅炉的水位。在此期间，由于生产发展的需要，产生了自动控制技术。
1788年，英国科学家瓦特(图4-4)发明了离心式节流阀，又称飞球调速器。如图4-5所示，它用来控制蒸汽机的蒸汽阀，形成蒸汽机转速的闭环自动控制系统，从而实现离心式节流阀对蒸汽机转速的控制。瓦特的发明促进了现代自动调节装置的广泛应用，并对蒸汽机带来的第一次工业革命及之后控制理论的发展产生了重要影响。其他国家的发明有:1854年俄罗斯机械师、电工康斯坦丁发明的电磁调速器；1868年，法国工程师法尔科发明了反馈调节器，用来调节蒸汽阀，操纵蒸汽船的舵。这就是后来被广泛使用的伺服机构。在1868之前，自动化技术只是一些个别的发明和简单的应用，所以称为第一阶段。1868之后，自动控制系统的理论分析和大规模的广泛应用逐渐开始，因此被称为第二阶段。
图4-4瓦特
图4-5瓦特离心节流阀控制蒸汽机示意图
1-蒸汽机；2-蒸汽阀；3-总督；4-负载
3自动控制理论的早期发展
各种简单的自动控制装置可以改进生产工艺，提高生产效率。虽然这项技术的发明在18世纪之前经历了一个漫长的历史过程，没有理论分析和数学描述，但它们对自动化技术的形成起到了主导作用，而且都是从实践经验中总结出来的。17-18世纪是自动化技术的逐步形成期，随之而来的是现代自动化技术的发展期，数学描述和理论分析起到了至关重要的作用。人们遇到的第一个问题是自动调节器的稳定性，因为瓦特发明的离心调速器有时会造成系统的不稳定，使蒸汽机剧烈振荡。到了19世纪，船上自动驾驶仪的稳定性又被发现了。这些问题引起了广泛的关注，一些数学家试图用微分方程来描述和分析系统的稳定性。自动控制系统最初的数学描述是英国物理学家麦克斯韦(图4-6)，他在1868发表了一篇文章《论调速器》，总结了无静差调速器的理论。
1877年，英国数学家E.J.Routh提出了著名的Routh稳定性判据，这是一个代数稳定性判据，可以根据微分方程的系数来判断控制系统的稳定性。1895年，德国数学家A. Hurwitz(图4-7)提出了著名的Hurwitz稳定判据，这是代数稳定判据的另一种形式。劳斯-赫维茨稳定性判据是根据传递函数或微分方程预先判断调节器稳定性的重要判据。1892年，俄罗斯数学家李亚普诺夫发表了关于运动稳定性一般问题的专著，以数学语言的形式给出了运动稳定性概念的严格定义，并给出了判断系统稳定性的两种方法。
图4-6麦克斯韦
图4-7赫尔维茨
进入20世纪后，由于工业革命的需要，人们开始采用自动控制装置来解决工业生产中提出的控制问题。自动控制器的应用标志着自动化技术进入了一个新的历史时期。在此期间，控制器是跟踪给定值的装置，以便某些物理量能保持在给定值附近。各种自动控制装置在工业生产中的广泛应用，促进了对调节系统的分析和综合研究。20世纪20年代后，美国开始采用比例、积分和微分调节器，简称PID调节器。PID调节器是一种模拟调节器，现在很多工厂都在使用。在20世纪的前20年，反馈控制结构已经广泛应用于自动控制器中。自20世纪20年代以来，越来越多的人开始从理论上研究反馈控制系统。
1925年，英国电气工程师O. Hevesey应用拉普拉斯变换解决电网络问题，利用微积分得到暂态过程。1927期间，贝尔电话实验室在解决电子管放大器失真问题时，电气工程师H.S. Black从电信号的角度引入了反馈的概念。1932年，美国电信工程师奈奎斯特(图4-8)提出了著名的奈奎斯特稳定性判据，可以直接根据系统的传递函数画出奈奎斯特图来判断反馈系统的稳定性。1938苏联电气工程师米哈伊洛夫应用频率法研究自动控制系统的稳定性，提出了著名的米哈伊洛夫稳定性判据。
图4-8奈奎斯特
随着自动控制理论的发展，程序控制、逻辑控制和自动机的思想得到了发展。1833年，英国数学家C·巴贝奇在设计分析自动机时首先提出了程序控制的概念。他试图用法国发明家J.M .雅卡尔设计的穿孔卡片法来实现分析自动机的程序控制。1936英国数学家图灵开发了著名的图灵机，成为现代数字电子计算机的雏形。他用图灵机定义了可计算函数类，建立了算法理论和自动机理论。1938年，美国电气工程师香农、日本数学家中岛和1941年苏联科学家舍斯塔科夫独立建立了逻辑自动机理论，由只有两种工作状态的继电器组成，实现逻辑控制。此外，香农还建立了信息论。
4经典控制理论的形成
自动控制技术的发展史，就是人类用自己的智能延伸和扩展器官功能的历史。自动化是现代科学技术和现代工业的结晶，它的发展充分体现了科学技术的综合应用。自动控制技术是随着社会的需要，特别是生产设备和军事设备的控制，以及航空航天工业的需要而发展起来的。第二次世界大战期间形成的经典控制理论对战后自动控制技术的发展起到了重要的推动作用。二战期间，德国的空中优势和英国的防御地位迫使美国、英国和西欧的科学家集中力量解决防空火控系统、飞机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中，形成了经典的控制理论，设计了各种精密的自动调节装置，开创了系统与控制的新的科学领域。
二战期间，反馈控制方法被广泛用于设计和发展飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统等军用系统(图4-9)。这些系统的复杂性和对快速跟踪和精确控制的高性能追求迫切要求对现有控制技术进行扩展，这导致了许多新思想和新方法的出现，也促进了对非线性系统、采样系统和随机控制系统的研究。
1945年，美国数学家维纳(图4-10)将反馈的概念推广到所有控制系统。1948年，维纳出版了《控制论》一书，奠定了控制论的基础。同年，美国电信工程师香农发表了《通信的数学理论》，奠定了信息论的基础。维纳和香农从控制和信息两个方面研究系统的运动。维纳还从信息的角度研究了反馈控制的本质。从此，人们对反馈和信息有了更深刻的理解。65438年至0954年，中国系统科学家钱学森全面总结了经典控制理论，并进一步将其提升到更高的理论层次，在美国出版了《工程控制论》一书。工程控制论的目的是研究控制论中可以直接用于工程设计受控系统的那些部分。工程控制论使人们有可能拥有更广阔的视野，以更系统的方式观察相关问题，因而往往能获得解决老问题的更有效的新方法，也可能揭示出以前没有过的新前景。
图4-9二战期间的雷达
图4-10香肠
当时这门新学科在美国叫伺服机制理论，在苏联叫自动调节理论，主要是解决单变量的控制问题。当时，传递函数和频率响应的概念被广泛用于反馈伺服系统的分析和设计。最常用的方法有奈奎斯特法(1932)、波德法(1945)、埃文斯法(1948)。埃文斯方法，也叫根轨迹法，是由美国电信工程师W.R.Ewans在1948中提出的。20世纪30-40年代发展起来的适应单变量调节和伺服系统设计的频率法奠定了经典控制理论的基础。后来，频率法成为分析和设计线性自动控制系统的主要方法。这种方法不仅可以定性地确定设计方向，而且是一种简单的近似计算工具。因此，这种方法对于在很大程度上仍然需要依靠经验和试凑的控制系统的工程设计特别有效和受欢迎。
经典控制理论的名称是在1960年第一届全国联合自动控制会议上提出的。在这次会议上，研究系统与控制领域单变量控制的课题称为经典控制理论；在系统与控制领域研究多变量控制的学科称为现代控制理论。
1952年，第一台数控机床诞生。数控机床技术的应用不仅给传统制造业带来了革命性的变化，也使制造业成为工业化的标志。数控机床如图4-11所示。
20世纪40年代中期发明的电子数字计算机开创了数字程序控制的新时代。虽然当时还仅限于自动计算，但为六七十年代自动化技术的快速发展奠定了基础。
1961年，世界上第一台工业机器人(图4-12)诞生，极大地促进了工业生产线的自动化。
图4-11数控机床
图4-12工业机器人
晶体管计算机出现在1958，集成电路计算机出现在1965，单片机出现在1971。微处理器的出现对控制技术产生了巨大的影响。控制工程师可以很容易地利用微处理器实现各种复杂的控制，使综合自动化成为现实。
1957年，国际自动控制联合会(IFAC)成立大会召开。来自18个国家的代表团出席了会议，中国是发起国之一。自1960以来，国际自动控制会议每三年举行一次，出版了《自动化》和《IFAC通讯》等期刊。IFAC的成立标志着自动控制的成熟，通过国际合作促进了系统和控制领域的新发展。
5现代控制理论和技术的形成与发展
自20世纪50年代以来，经典控制理论有了许多新的发展。各种新的理论和方法逐渐渗透到控制理论的研究中。但到了50年代末，人们发现当经典控制理论推广到多变量系统时，会得出错误的结论，经典控制理论有其局限性。为了解决和克服所遇到的问题，现代控制理论应运而生。
1)系统辨识、建模与仿真
在现代控制理论中，最优控制器的设计、观测器的设计和零极点的配置都是在知道系统的动态方程或状态方程的前提下进行的。这些系统综合方法往往选择一种方便的描述形式，而不考虑如何获得这些数学模型。在实际应用中，系统的模型往往是未知的。对于复杂系统，往往很难用已知的物理规律建立模型。因此，发展了根据系统的输入输出数据建立数学模型的方法，逐渐形成了系统辨识的理论和方法。
在自动控制系统的分析、综合和设计过程中，除了理论计算外，往往还需要对系统的特性进行实验研究。显然，在系统建立之前不可能对其进行测试。对于现有的系统来说，如果系统非常复杂，无论从经济还是安全考虑，都不允许，有时甚至不可能在实际系统上进行实验。因此，有必要在仿真设备上对系统进行测试，包括建立、修改和再现系统的模型。这个测试过程通常被称为系统模拟。目前，系统辨识、建模和仿真已经成为系统与控制领域中非常活跃和重要的课题。
2)自适应控制和自校正调节器
20世纪50年代初，为了设计飞机的自动导航系统，使其能在较宽的速度和高度范围内飞行，人们开始重视自适应控制的研究。20世纪60年代控制理论的发展加深了对适应过程的理解。自适应控制可以用随机递归过程来描述。20世纪70年代，由于微电子学的新突破，自适应控制可以用简单而经济的方法实现。目前，参数自适应控制发展了三种方法，即增益调整法、模型参考法和自校正调节器。
3)遥测、遥控和遥感
19年底已经有了远程测控的尝试。20世纪20年代，遥测遥控开始进入实用阶段，用于控制铁路上的信号和道岔。1930年，世界上第一个无线电高度计被送去测量大气的气象数据。这是第一台比较完整的无线电遥测设备。20世纪40年代，大型电力系统、油气管道运输系统和城市公用事业系统都需要通过遥感、远程通信、远程控制和远程调度对地理上分散的对象进行集中监控，促进了遥感和远程控制系统的发展。苏联和东欧国家把这种系统称为远动系统。
遥测是对被测对象的某些参数进行远距离测量。一般是通过传感器测量被测对象的一些参数并转换成电信号，然后利用多通道通信和数据传输技术将这些电信号传输到远程遥测终端进行处理、显示和记录。遥信是测量远距离被测对象的工作极限状态(是否工作或是否正常工作)。遥控是对被控对象的遥控。远程控制技术综合应用自动控制技术和通信技术，实现远程控制和监控被控对象。其中，对被遥控对象工作状态的调节称为遥控调节。远程控制被控对象按照一定的导引规律运动，称为导引，即控制与制导，广泛应用于航天、航空、航海等领域。
自20世纪60年代以来，遥感技术发展迅速。遥感是安装在飞机、卫星等运载工具上的传感器，收集地面目标反射或发射的电磁波，利用这些数据获取目标的信息。从以飞机为主要载体的航空遥感发展到以地球卫星和航天飞机为主要载体的空间遥感后，人们可以从太空的高度周期性地、快速地观测地球上的各种现象及其变化，从而使地球资源的勘探和地球上某些自然现象的研究进入了一个新的阶段，并已应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、环境保护和军事侦察等领域。
4)综合自动化
从50年代末到60年代初，由电子数字计算机控制的自动化工厂开始出现。60年代末，制造业出现了许多自动化生产线(图4-13)，工业生产开始从局部自动化向综合自动化发展。20世纪70年代以来，微电子学、计算机和机器人技术的重大突破推动了综合自动化的快速发展。在过程控制中，1975开始出现分布式控制系统，使过程自动化达到了很高的水平。在制造业中，在采用成组技术、数控机床、加工中心和群控的基础上发展起来的柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)已经成为工厂自动化的基础。20世纪70年代开发的许多工业机器人、感应式无人搬运手推车、自动化仓库和无人叉车已成为综合自动化的有力工具。柔性制造系统发展于20世纪60年代，美国第一套柔性制造系统于1972投产。20世纪70年代末至80年代初，柔性制造系统迅速发展，搬运机器人和装配机器人得到广泛应用。1982 10首届柔性制造系统国际会议在英国布莱顿召开。
图4-13自动生产线
5)大系统理论的诞生。
自20世纪60年代中期以来，系统与控制理论的应用逐渐渗透到农业、商业和服务业，以及生物医学、环境保护和社会经济等领域。由于现代社会科学技术的高度发展，许多大系统需要综合管理，现代控制理论无法解决如此复杂的问题，因此系统和控制理论迫切需要新的突破。在计算机技术方面，60年代初数据库技术开始发展，1970提出了关系数据库。到了80年代，数据库技术已经达到了相当的水平。20世纪60年代末，计算机技术和通信技术的结合产生了数据通信。65438-0969年，ARPA(美国国防部高级研究局)一期投入使用成功，开启了计算机网络的新时代。20世纪80年代，数据库技术和计算机网络为实现管理自动化创造了良好的条件。管理自动化的核心问题之一是办公自动化，办公自动化是从20世纪70年代发展起来的综合性技术，到80年代已经成熟。办公自动化为管理自动化奠定了良好的基础。
国际自动控制联合会(IFAC)于1976年在意大利乌迪纳召开第一届大系统会议，1980年在法国图卢兹召开第二届大系统会议。美国电气和电子工程师协会(IEEE)于6月1982+00在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩召开大规模系统国际研讨会。1980年，国际期刊《大系统-理论与应用》在荷兰正式出版。这些活动标志着大系统理论的诞生。
6)人工智能和模式识别
用机器来模拟人类的智能，虽然是人类由来已久的愿望，但在电子计算机出现后才开始实现。1936年，图灵提出了用机器进行逻辑推理的思想。自20世纪50年代以来，人工智能的研究一直基于充分发挥计算机的作用。
早期对人工智能的研究是从探索人的解题策略开始的，即从智力拼图、下棋和难度不大的定理证明入手，总结人类解题时的心理活动规律，然后利用计算机模拟，使计算机表现出某种智能。1948年，美国数学家韦纳在《控制论笔记》中首次提出了制造象棋机器的问题。65438年至0954年，美国国际商业机器公司(IBM)的工程师塞缪尔用启发式程序编制了一个跳棋程序，并存储在电子数字计算机中，制成了一个可以积累下棋经验的象棋机器。1959象棋机器打败了它的设计者。1956年，赫伯特·西蒙和艾伦·纽维尔开发了一个叫做逻辑理论家的程序，用电子数字计算机证明了怀特海和罗素名著《数学原理》第二章52个定理中的33个定理。1956年，包括M.L .明斯基、j .麦卡锡、纽维尔和西蒙在内的10位科学家在达特茅斯大学发起了一场关于人工智能的研讨会，标志着人工智能这门学科的正式诞生。1960人工智能的四位创始人，即斯坦福大学的麦卡锡、麻省理工学院的明斯基、卡耐基梅隆大学的纽维尔和西蒙，组成了第一个人工智能研究小组，有力地推动了人工智能的发展。从1967开始，定期出版《机器智能》，共出版9集。期刊《人工智能》出版于1970。国际人工智能大会(IJCAI)从1969开始每两年举办一次。这些活动进一步促进了人工智能的发展。20世纪70年代以来微电子学和微处理器的迅速发展，使人工智能和计算机技术相结合。一方面，人工智能的成果被广泛应用于先进计算机的设计中，另一方面，人工智能是通过使用超级微处理器来实现的，这大大加快了人工智能的研究和应用。人工智能的基础是知识获取、表示和推理技术，常用的人工智能语言有LISP和PROLOG。人工智能的研究领域涉及自然语言理解、自然语言生成、机器视觉、机器定理证明、自动编程、专家系统和智能机器人。人工智能已经发展成为系统与控制研究的前沿领域。
1977 E.A. feigenbaum在第五届国际人工智能大会上提出了知识工程的问题。知识工程是人工智能的一个分支，其中心任务是构造专家系统。1973—1975费根鲍姆带领斯坦福大学的一个研究团队成功开发了一个用于血液传染病和脑膜炎诊疗的医学专家系统MYCIN，该系统可以学习专家医生的知识，模仿医生的思维和诊断推理，给出可靠的诊疗建议。1978费根鲍姆等人成功开发了高级化学专家系统DENDRAL。1982年，美国学者W.R. Nelson开发了用于诊断和处理核反应堆事故的专家系统REACTOR。中国还成功开发了中医药专家系统和蚕育种专家系统。现在专家系统已经应用于医学、机器故障诊断、飞机设计、地质勘探、分子结构和信号处理等领域。
为了扩大计算机的应用，使计算机能够直接接受和处理各种自然模式信息，即语言、文字、图像、景物等。模式识别的研究已经引起了人们的关注。1956年塞尔弗里奇等人开发了第一个字符识别程序，随后是字符识别系统和图像识别系统，形成了以统计和结构方法为核心的模式识别理论。语音识别和自然语言理解的研究也取得了很大进展，为人和计算机之间的直接交流提供了新的接口。
从20世纪60年代末到70年代初，美国麻省理工学院、斯坦福大学和英国爱丁堡大学对机器人技术进行了许多理论研究，并注意到人工智能的所有技术都被整合起来开发智能机器人，如麻省理工学院和斯坦福大学的手眼装置，日立公司的具有视觉和触觉的机器人。由于机器人在提高生产率、代替人脱离危险和恶劣的工作环境、扩大人类活动范围等方面显示出巨大的优势，因此受到人们的关注。机器人技术发展迅速，应用越来越广泛，在工业生产、核电站设备检测、维修、海洋调查、水下石油开采、太空探索等方面发挥了巨大作用。正在研究的军用机器人也有很大的潜在应用价值。机器人的设计、制造和应用技术形成了机器人学。
总结人工智能研究的经验教训，人们认识到，机器要解决问题，必须具备人类专家解决问题的知识，而人工智能的本质应该是如何将人类的知识转移给机器。1977年，费根鲍姆开创了专家系统和知识工程，于是发展了以知识获取、表示和应用为核心的知识工程。自20世纪70年代以来，人工智能学者开发了各种专家系统，用于医疗诊断、地质勘探、化学数据解释和结构解释、口头和图像理解、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等。智能计算机、新型传感器和大规模集成电路的发展为先进自动化提供了新的控制方法和工具。
自20世纪50年代以来，在探索生物和人类的感觉和思维机制以及用机器进行模拟方面取得了一些进展，如自组织系统、神经元模型、神经元网络脑模型等。，对自动化技术的发展有所启发。同时期发展起来的一般系统论、耗散结构论、协同学和超循环理论为自动化技术的发展提供了新的理论和方法。