孫崢

摘 要：控制理論作為二十世紀(jì)的三項科學(xué)革命之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的背景下不斷發(fā)展和完善，在促進(jìn)各個領(lǐng)域的發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用，可以說控制理論與控制工程廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)是時代發(fā)展的潮流趨勢。本文就此分析了控制理論與控制工程的發(fā)展與應(yīng)用，旨在給相關(guān)科研人員進(jìn)行難題突破提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：控制理論；控制工程；發(fā)展與應(yīng)用

二十世紀(jì)產(chǎn)生的相對論、量子論和控制論并稱為三項科學(xué)革命，是人類進(jìn)一步認(rèn)識客觀世界的重要理論。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制理論與控制工程不僅涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域，而且逐步滲透到生物、信息、通訊等新興領(lǐng)域。因此，把控制理論與控制工程有效的應(yīng)用到更多的問題解決中，已成為相關(guān)科研人員進(jìn)行問題解決的關(guān)鍵手段。

1 控制理論與控制工程的發(fā)展

1.1 控制理論的產(chǎn)生

控制理論作為一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，其產(chǎn)生可以追溯到十八世紀(jì)中葉英國的第一次技術(shù)革命中。瓦特于1765年發(fā)明蒸汽機(jī)后，把離心式飛錘調(diào)速器原理應(yīng)用到蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，標(biāo)志著以蒸汽為原動力的機(jī)械化時代到來。之后工程界把控制理論應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究上來。

隨著通訊和技術(shù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，電氣工程師們研究出了以實驗為基礎(chǔ)的頻域響應(yīng)分析法，美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特于1932年發(fā)表的《反饋放大器穩(wěn)定性》一文中，提出系統(tǒng)穩(wěn)定性奈奎斯特判據(jù)，后來被推廣到條件穩(wěn)定性和開環(huán)不穩(wěn)定研究上。控制創(chuàng)始人維納在總結(jié)前人的成果基礎(chǔ)上，寫成《控制論——或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》一文，奠定了控制理論基礎(chǔ)。

1.2 控制理論與控制工程的發(fā)展

第一階段：二十世紀(jì)40～60年代，即古典控制理論時期。這一時期，主要是對單輸入單輸出問題進(jìn)行解決，而解決這些問題所運用到的方法主要有傳遞函數(shù)、根軌跡、頻率特性等，且大多數(shù)研究的是是線性定常系統(tǒng)，而對非線性系統(tǒng)研究使用的相平面法變量不超過兩個，該控制理論能有效的解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。其代表有1945年伯德提出的伯德圖法等。

第二階段：二十世紀(jì)60～70年代，即現(xiàn)代控制理論時期。這一時期隨著空間技術(shù)的發(fā)展，控制理論逐漸向高性能方向發(fā)展，主要是對相對復(fù)雜問題進(jìn)行解決。充分使用數(shù)學(xué)計算機(jī)進(jìn)行分析設(shè)計和實時控制，這一過程中出現(xiàn)的非線性、時變、多輸出多輸入等相對比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制問題已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了古典控制理論的范圍，為此提出了最優(yōu)控制方法，隨后又產(chǎn)生自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使現(xiàn)代控制理論提出并不斷完善。其代表有1961年龐特里亞金的極大值原理。

第三階段：二十世紀(jì)70年代至今，主要是大系統(tǒng)理論和智能控制時期。大系統(tǒng)理論主要是對控制理論廣度的拓展，利用控制和信息的觀點，對各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計、方案等技術(shù)理論進(jìn)行研究；智能化控制主要是對控制理論深度的開掘，對人類智能活動和信息傳遞控制規(guī)律等進(jìn)行研究，并研制出仿人智能的工程控制和信息處理系統(tǒng)，其代表就是智能機(jī)器人的發(fā)明。

2 控制理論與控制工程的應(yīng)用

2.1 控制理論不只是一門學(xué)科，是哲學(xué)，是世界觀，是方法論

二十一世紀(jì)比較流行的是3C技術(shù)，即計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)，且計算機(jī)技術(shù)是中心，通信技術(shù)是關(guān)鍵，控制技術(shù)是根本，所以控制學(xué)科已發(fā)展成為一門基礎(chǔ)學(xué)科。而且控制理論和控制工程中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)穩(wěn)定、系統(tǒng)智能、系統(tǒng)反饋等理論思想除了在自然科學(xué)各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用外，還滲透到人文科學(xué)中。所以有專家認(rèn)為控制理論已不單純只是一門學(xué)科，而是發(fā)展成為哲學(xué)、世界觀和方法論。

控制理論和控制工程具有基本概念的普適性和獨特性等特點，且在其應(yīng)用中的關(guān)鍵與核心主要是兩個概念：

第一，系統(tǒng)概念。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，系統(tǒng)問題已成為社會關(guān)注的焦點和熱點，特別是社會中的復(fù)雜系統(tǒng)及科學(xué)課題，這是控制理論發(fā)展和完善的必然趨勢，控制理論和控制工程除了要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究外，更要對系統(tǒng)運行進(jìn)行調(diào)控。

第二，反饋概念。這一概念是控制理論的核心，是區(qū)別于其他學(xué)科及理論應(yīng)用的根本。反饋可以讓控制系統(tǒng)盡可能的具備人類智能的特點，可以對實際應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)等不確定因素進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，提高工作效率。

2.2 “一種控制，兩種研究方法，三種系統(tǒng)”的應(yīng)用

⑴“一種控制”，即最優(yōu)控制。最優(yōu)控制是控制理論和控制工程應(yīng)用的核心內(nèi)容，主要就是在滿足一定的約束條件基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)控制策略，使性能指標(biāo)極大化或者極小化，讓系統(tǒng)控制通過基本條件及綜合方法（就是受控的運動過程或動力學(xué)系統(tǒng)）取得最優(yōu)化效果。

⑵“兩種研究方法”，即PDI控制器和Kalman濾波器。PDI控制器和Kalman濾波器作為控制理論與控制工程的典型研究方法，在實際系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。這兩種方法不僅可以應(yīng)用于線性模型，而且還可以應(yīng)用到很多非線性系統(tǒng)的證明中。

⑶“三種系統(tǒng)”，即開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和符合控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的具體應(yīng)用使用不同的系統(tǒng)。比如說水槽內(nèi)水位的控制和電加熱器中的溫度控制，主要利用的是自動控制和閉環(huán)系統(tǒng)。

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