现代控制理论的发展史

自动控制技术与人类科技文明Automatic Control & Human Civilization前言从远古的漏壶和计时容器到公元前的水利枢纽工程，从中世纪的钟摆、天文望远镜到工业革命的蒸汽机、蒸汽机车和蒸汽轮船，从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机，从二战期间的雷达和火炮防空网到冷战时代的卫星、导弹和数字计算机，从六十年代的登月飞船到现代的航天飞机、宇宙和星球探测器，这些著名的人类科技发明直接催生和发展了自动控制技术。

源于实践，服务于实践，在实践中升华。

经过千百年的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，在日常生活中不可或缺。

随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展与应用将进入一个全新的时代，新的维纳和卡尔曼将陆续诞生。

数风流人物，还看今朝。

1I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)(0)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. ~1100B.C.)。

孙武著《孙子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系西汉漏壶统观念和实践(300B.C.)2(2)亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)(3)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)3(4)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(5)中国定向驾驶舵（1180年）（人类首台控制机构）(6)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)4(7)英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)5(8) 英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。

首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。

简述控制论发展各阶段及特点控制论是研究控制系统的一门学科，它起源于20世纪40年代末的美国，经过几十年的发展，已经成为现代科学技术中的一个重要分支。

控制论的发展经历了几个阶段，每个阶段都有其特点和代表性的成果。

第一阶段是控制论的萌芽阶段（1940年代末-1950年代初）。

在这个阶段，控制论主要集中于对线性控制系统的研究。

美国数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener）提出了“香农-维纳信息论”，奠定了控制论的理论基础。

此外，数学家理查德·贝尔曼（Richard Bellman）提出了动态规划的概念，为控制论的发展奠定了数学基础。

第二阶段是控制论的发展阶段（1950年代-1970年代）。

在这个阶段，控制论的研究范围逐渐扩大，不再局限于线性系统，开始研究非线性系统和复杂系统。

此时，控制论的重点从单个控制系统转向了多个系统之间的协调与优化。

数学家约翰·卡尔曼（John Kalman）提出了卡尔曼滤波器，为非线性系统的控制提供了一种有效的方法。

此外，数学家雅克·梅耶尔森（Jacques-Louis Lions）提出了分布参数系统的控制理论，为控制论的应用拓宽了领域。

第三阶段是控制论的成熟阶段（1970年代-1990年代）。

在这个阶段，控制论的理论基础更加完善，应用领域更加广泛。

控制论开始与其他学科相结合，如计算机科学、人工智能等。

此时，控制论的研究重点逐渐从线性系统和非线性系统转向了复杂系统和混杂系统。

数学家斯特凡·德费尔（Stefan Deffner）提出了混杂系统的控制理论，为控制论的应用提供了新的思路。

此外，控制论开始应用于实际问题，如交通控制、自动化生产等。

第四阶段是控制论的前沿阶段（1990年代至今）。

在这个阶段，控制论的研究重点逐渐从传统的控制系统转向了复杂网络和自适应控制。

控制论开始与网络科学、复杂系统等学科相结合，探索复杂网络的控制原理和方法。

控制理论发展历史综述一：20世纪40年代末-50年代的经典控制理论时期，着重解决单输入单输出系统的控制问题，主要数学工具是微分方程、拉氏变换、传递函数；主要方法是时域法、频域法、根轨迹法；主要问题是系统的稳、准、快。

二：20世纪60年代的现代控制理论时期，着重解决多输入多输出系统的控制问题，主要数学工具是以此为峰方程组、矩阵论、状态空间法主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论；重点是最优控制、随即控制、自适应控制；核心控制装置是电子计算机。

三：20世纪70年代之后的先进控制理时期，先进控制理论是现代控制理论的发展和延伸。

先进控制理论内容丰富、涵盖面最广，包括自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、人工神经网络控制等。

经典控制理论经典控制理论适用于单输入、单输出的线性定常（参数不随时间而变）系统。

发展过程1.原始阶段中国，两千年前我国发明的指南车：一种开环自动调节系统，它利用差速齿轮原理，利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。

不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。

2.起步阶段人类社会发展，有一个点把人类社会的发展分成两大部分，那就是工业革命。

18世纪中叶之前，不管你什么怎么划分人类社会也好（农业牧业手工业），社会的发展始终离不开人力，就是必须得有人亲自去做。

18世纪中叶之后，机器的出现，使得以机器取代了人力，所以称之为革命。

然后机器的出现变革了人类的整个历史，直至现代社会文明的如此进步。

工业革命的开始的标志为哈格里夫斯发明的珍妮纺纱机，而工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机，为什么扯这么多？如果机器不能控制，那和工具又有什么区别？所以工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机。

钱学森也在最新一版的工程控制论中提到技术革命。

1769年，控制思想首次应用于工业控制的是瓦特，发明用来控制蒸汽机转速的飞球离心控制器。

以后人们曾经试图改善调速器的准确性，却常常导致系统产生振荡。

1868年以前，这一百年来，自动控制装置的设计还出于“直觉”阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（稳、准、快）的协调方面经常出现问题。

现代控制理论发展史发表时间：2013-10-18T13:04:10.780Z 来源：《职业技术教育》2013年第8期供稿作者：张泽泽[导读] 控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。

张泽泽（青岛市技师学院山东青岛266200）摘要：理论归根结低是从实践发展而来的，它来之于实践，但又反过来指导实践。

控制理论的发展又一次说明了这一真理。

远在控制理论形成之前，就有蒸汽机的飞轮调速器、鱼雷的导向控制系统、航海罗经的稳定器、放大电路的镇定等自动化系统和装置。

这些都是不自觉的应用了反馈控制概念而构成的自动控制器件和系统的成功例子。

关键词：现代控制理论后现代控制理论智能控制一、现代控制理论、后现代控制理论1.现代控制理论现代控制理论是上世纪60年代初形成并迅速发展起来的。

现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。

要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化。

2.后现代控制理论80年代以后，控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。

在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。

智能控制，是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人、智能主体等。

21世纪网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化，集成的理论与技术。

20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，形成了所谓的“现代控制理论” 。

为现代控制理论的状态空间法的建立作出贡献的有，1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论，1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理，和1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。

20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。

控制理论与控制系统的发展历史及趋势控制论一词Cybernetics，来自希腊语，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。

因此“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。

根据控制理论的理论基础及所能解决的问题的难易程度，我们把控制理论大体的分为了三个不同的阶段。

这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。

一、经典控制论阶段（20世纪50年代末期以前）经典控制理论，是以传递函数为基础，在频率域对单输入---单输入控制系统进行分析与设计的理论。

1、控制系统的特点单输入---单输出系统的，线性定常或非线性系统中的相平面法也只含两个变量的系统。

2、控制思路基于频率域内传递函数的“反馈”和“前馈”控制思想，运用频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法，解决稳定性问题。

3、发展事件回顾1）我国古人发明的指南车就应用了反馈的原理2）1788年J.Watt在发明蒸汽机的同时应用了反馈思想设计了离心式飞摆控速器，这是第一个反馈系统的方案。

3）1868年J.C.Maxwell为解决离心式飞摆控速器控制精度和稳定性之间的矛盾，发表《论调速器》，提出了用基本系统的微分方正模型分析反馈系统的数学方法。

4）1868年，韦士乃格瑞斯克阐述了调节器的数学理论。

5）1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根据代数方程的系数判断线性系统稳定性方法6）1876年俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。

7）1895年劳斯与古尔维茨分别提出了基于特征特征根和行列式的稳定性代数判别方法。

8）1927年H.S.Black发现了采用负反馈线路的放大器，引入负反馈后，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。

9）1932年H.Nyquest采用频率特性表示系统，提出了频域稳定性判据，很好地解决了Black 放大器的稳定性问题，而且可以分析系统的稳定裕度，奠定了频域法分析与综合的基础。

控制理论发展简史控制理论经过数十年世界范围的发展，研究成果十分丰富，其中一些研究经过不断发展完善已经成为成熟的独立学科，还有一些研究经过一段时间的繁荣昌盛，大大促进了控制理论的发展，完成了其历史使命，现在看起来，其本身的理论及应用价值却是有限的。

当前，控制理论已渗透到几乎所有工程技术领域，新的问题、专题及学科分支大量涌现，五彩缤纷，但也使人有迎接不暇，无所适从之感。

当前，高新技术的发展提出了形形色色的新问题，难度大，亟待解决。

面对这些新问题，现有的控制理论常常显得无能为力，使得一些问题甚至等不到理论上的准备及指点，已在实际中用各种技术手段着手加以解决了。

控制理论发展的历史可追溯到十八世纪中叶英国的第一次技术革命。

1765年，瓦特（Jams Wate，1736～1819）发明了蒸汽机，进而应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽机为动力的机械化时代的开始。

后来，工程界用自动控制理论讨论调速系统的稳定性问题。

1868年发表的"关于调节器"一文中指出，控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。

1872年劳斯（E.J.Routh，1831～1907）和1890年赫尔维茨（Hurwitz）先后找到了系统稳定性的代数判据，即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件。

1892年俄国学者李亚普诺夫（1857～1918）发表了"论运动稳定性的一般问题"的博士论文，提出了用适当的能量函数–李亚普诺夫函数的正定性及其倒数的负定性来鉴别系统的稳定性准则，从而总结和发展了系统的经典时域分析法。

随着通讯及信息处理技术的迅速发展，电气工程师们发展了以实验为基础的频率响应分析法，1932年美国贝尔实验室工程师奈奎斯特发表了反馈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。

后来，苏联学者米哈依洛夫又把奈奎斯特判据推广到条件稳定和开环不稳定系统的一般情况。