自动控制理论初探

　　【摘

 要】随着技术工具的进步如半导体微电子学、光学和光电子学、计算机和通信网络等

信息采集、存储、传输、计算和处理技术的迅速发展也强力推动着自动控制理论研究向前发展。
然而由于研究系统、对象越来越来复杂，这样就对自动控制理论以及其实际运用的研究就提
出了更高的要求。本文首先对自动控制理论的发展作了一个简单的回顾，然后对

Matlab 软

件作了一些简介、最后简单阐述了自动控制理论的研究现状以及其它在各不同领域的运用。
　　【关键词】自动控制理论；

Matlab；模糊控制；鲁棒控制；最优化控制

　　随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发
展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。现有的控制理论在线性系
统控制中大都能取得良好的控制效果，但对离散、非线性复杂系统领域的研究大都刚刚起步，
或处于初级阶段，远未达到人们的期望。而实际工业生产过程的模型一般都很复杂，通常具
有非线性、分布参数和时变等特性。因此将控制理论的研究领域推广到非线性复杂系统有重
要的实际意义。另外与宏观复杂系统控制相对的量子控制（

Quantum Control）也正在作为一

个全新的学科领域蓬勃崛起，它的发展也依赖于完善的控制理论和优化控制策略。近年来随
着微电子、半导体、计算机等技术的快速发展也强有力的推动了自动控制理论的发展。
　　一、现代控制理论的产生及其发展
　　控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到

18 世纪中叶的第一次技术革命，1765 年

瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的
机械化时代的开始，后来工程界用控制理论分别从时域和频域角度讨论调速系统的稳定性
题，

1872 年劳斯（Routh E J）和 1890 年赫尔维茨（Hurwitz）先后找到了系统稳定性的代

数据，

1932 年奈奎斯特（Nyquist H）发表了放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定性

的奈奎斯特判据。美国著名的控制论创始人维纳（

Wiener N）总结了前人的成果，认为客观

世界存在

3 大要素：物质、能量、信息，虽然在物质构造和能量转换方面，动物和机器有显

著的不同，但在信息传递、变换、处理方面有惊人的相似之处，

1948 年发表了《控制论—或

关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的
概念，确立了控制理论这门学科的产生。
　　

1．经典控制理论。第一代称为“经典控制理论”时期，时间为 20 世纪 40～50 年代。它研

究的主要对象多为线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，研究方法主要采用以传递
函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法，它的控制思想首先旨在对机器进行

“调节”，

使之能够稳定运行，其次是采用

“反馈的方式，使得一个动力学系统能够按照人们的要求精

确地工作，最终实现对系统按指定目标进行控制。

”

　　

2．现代控制理论。第二代称为“现代控制理论”时期，时间为 20 世纪 60～70 年代。经典

控制理论对线性定常系统可产生良好的控制效果，但是它对多输入多输出、时变、非线性系
统的控制却力不从心。所以

50 年代末 60 年代初，学者卡尔曼等人将古典力学中的状态、状

态空间概念加以发展与推广，将经典控制理论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组
用以描述多变量控制系统，并深刻揭示了用状态空间描述的系统内部结构特性如可控性、可
观性，从而奠定了现代控制理论的基础。
　　

3．第三代控制理论。以上所提的经典控制理论和现代控制理论都是建立在数学模型之

上的，所以统称为常规（传统）控制。它们为了控制必须建模，但许多实际系统的高维性及
系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性给基于数学模型的传统控制理论以巨大的
挑战。是否可以改变一下思路，不完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究对象；是
否可以用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统解决难于建立数学模型的问题呢？智
能控制的出现正源于这一思想。

1967 年 Leondes 和 Mendel 首次正式使用“智能控制”一词，

1971 年傅京孙教授指出，为了解决控制问题，用严格的数学方法研究新的工具来对复杂的