控制理论的发展及应用

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1、控制理论的发展及应用王晶jwang@mail.buct.edu.cnBeijingUniversityofChemicalTechnology内容控制论简介自动控制理论与技术的早期发展控制理论各阶段的特点控制理论的进一步发展历史的思考新世纪自动化学科的挑战和发展一控制论简介研究各类系统的调节和控制规律的科学它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门综合性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形

2、成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。Cybernetics，希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义1943年底在纽约召开了关于信息、反馈问题的讨论会，参加者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家，从各自角度对信息反馈问题发表意见。陆续举行的讨论会，对控制论的产生起了推动作用。1948年维纳发表《控制论》，控制科学诞生。控制论创始人维纳控制论的三个发展时期I：上世纪50年代，经典控制论时期。代表作：1948年维纳发表《控制论》1954年钱学森发表的《工程控制论》。II：上世纪60年代，现代控制论时期。控制论的重点从单变量控制到多变量控制

3、，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。III：上世纪70年代后：大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。三部经典著作信息论开端：1948年香农(C.E.Shannon)的发表在《贝尔系统技术杂志》上的论文《AMathematicalTheoryofCommunication》控制论创立:1948年维纳（N.Wienner）的经典论著：《Cybernetics or ControlandCommunic

4、ationintheanimalandthemachines》工程控制论：1954年钱学森(TsienHS)的著作《EngineeringCybernetics》二自动控制技术的早期发展数千年的历史“控制”：本身反映人们对征服自然与外在的渴望，“控制理论与技术”也自然地在人类认识自然与改造自然的历史中发展；具有反馈控制原理的控制装置：古代的计时器“水钟”(“刻漏”，也叫“漏壶”)；公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的Ctesibius首先在受水壶中使用了浮子，具有负反馈的思想；北宋时期，苏颂等于1086年-1090年在开封建成“水运仪象台”，相当准确地跟踪天体的运行；1765年俄国的

5、波尔祖诺夫（Polzunov）发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）。中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置(公元前11世纪)具有过程控制思想的提花织布机（明代）Jameswat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（1769年）Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制（1765年）稳定性的早期发展-1J.C.Maxwell是最早对反馈控制系统稳定性进行系统分析，《OnGovernors》（Proc.RoyalSocietyofLondon,1868），目前公认的以反馈控制为其主要研究内容的第一篇理论论文导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近

6、进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。开创了控制理论研究的先河,文中还催促数学家们尽快地解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难。经典控制理论的发展稳定性的早期发展-2两年一次的AdamsPrize奖授予在该委员会所选科学主题方面竞争的最佳论文。1877年的主题是“运动的稳定性”。RouthEJ.《ATreatiseontheStabilityofMotion》（London:Macmillan,1877）获1877年AdamsPrize提出根据多项式的系数确定多项式在右半平面的根的数目

7、。其意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。经典控制理论的发展稳定性的早期发展-31895年，瑞士数学家A.Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法(HurwitzA.Ontheconditionsunderwhichanequationhasonlyrootswithnegativerealparts.MathematischeAnne