控制论的理解

自动控制的发展

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；从六十年代的等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和应用将进入一个全新的时代。

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：萌芽阶段的时候，如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。起步阶段中随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。

发展阶段时期，由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态 准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。最后到了标志阶段，我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。

现代控制理论有什么应用呢？比起经典控制理论, 现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。

与控制论有关的书籍

控制论是研究动态系统行为和稳定性的数学理论，它在自动控制、电子工程、机械工程、生物医学等领域都有广泛的应用。以下是一些与控制论相关的经典书籍，它们可以帮助读者深入理解控制论的原理和应用：

1. "现代控制工程"（Modern Control Engineering）

作者：Katsuhiko Ogata

这本书是自动控制领域的经典教材，深入浅出地介绍了控制系统的基本原理、设计方法和应用。

2. "线性系统"（Linear Systems）

作者：Thomas Kailath

这是一本控制论领域的经典教材，涵盖了线性系统的分析、设计和优化等内容。

3. "非线性系统"（Nonlinear Systems）

作者：Hassan K. Khalil

这本书介绍了非线性系统的理论和方法，对于研究更复杂的非线性动态系统非常有用。

4. "自动控制原理"（Automatic Control Systems）

作者：Benjamin C. Kuo

这是一本广泛采用的控制论教材，适合初学者学习自动控制的基本原理和方法。

5. "现代控制理论"（Modern Control Theory）

作者：William L. Brogan

这本书介绍了现代控制理论的基本概念、数学模型和控制设计方法。

6. "控制系统工程导论"（Introduction to Control System Technology）

作者：Robert N. Bateson

这本书是控制系统工程领域的入门教材，涵盖了控制系统设计和实践方面的内容。

7. "自适应控制"（Adaptive Control）

作者：Karl Johan Åström，Björn Wittenmark

这本书介绍了自适应控制的基本原理和方法，适用于需要实时适应动态系统变化的应用。

这些书籍涵盖了控制论的不同方面和应用领域，读者可以根据自己的兴趣和需求选择适合的书籍进行学习和深入研究。

控制论与科学方法论

控制论是研究对一个系统进行管理和调节的原理与方法的学科。控制论主要关注如何通过对系统的输入进行调节，使系统的输出能够达到期望的状态或目标。科学方法论是指对科学研究方法和理论的研究，探讨科学是如何产生、发展和应用的。在控制论与科学方法论之间存在一定的关系。

控制论是以科学方法论为指导的，它需要建立清晰的问题陈述、明确的目标和规约，并采用系统化的观察和实验方法进行验证和改进。控制论通过分析和建模，制定合适的控制策略和规则，以实现对系统输出的精确控制。而科学方法论为控制论提供了一种有效的工具和方法。科学方法论要求控制论必须建立在可验证、可重复和可预测的基础上，通过实验和观察来验证提出的控制策略的有效性和可行性。

控制论与科学方法论相互促进和补充。控制论通过科学方法论的指导，使控制过程具备科学性。科学方法论可以帮助控制论建立系统的模型和假设，并通过实验和验证来检验和改进控制策略。控制论通过实际应用，为科学方法论提供了实证的案例和验证的数据，为科学方法论的发展和改进提供了参考和借鉴。

控制论与科学方法论的关系还体现在其共同的研究对象，即通过对系统的分析和理解，利用科学方法进行控制和管理。控制论与科学方法论研究的不同层次的系统，分别有着不同的方法和方式。科学方法论研究的是较为宏观的系统和规律，通过实验证明和理论推导来揭示自然界的规律和原理。而控制论研究的是对具体系统的实际控制，需要通过建立数学模型和控制算法，实时采集和处理系统数据，从而实现对系统的精确控制。

控制论和科学方法论在实践中应用广泛。控制论可以应用于各个领域和行业，如工业控制、交通控制、网络控制等。科学方法论也是现代科学研究的基础，无论是自然科学还是社会科学，都需要遵循科学方法论的基本原则和要求。控制论和科学方法论的应用都需要具备良好的科学素养和研究方法，以确保研究的可靠性和有效性。

综上所述，控制论与科学方法论之间存在着密切的联系和互相依赖。控制论通过科学方法论的指导和支持，能够建立系统的模型和规则，实现对系统的精确控制。科学方法论通过控制论的应用和实践，为科学研究提供了实证的案例和可行的方法。控制论和科学方法论的结合，不仅提升了系统控制的效能，也丰富了科学研究的方法和理论。控制论与科学方法论的相互促进和补充，使得我们能够更好地理解和控制复杂的系统，并推动科学研究的发展和创新。

控制理论到底有什么用？

PID+MPC解决了大部分问题，在过程控制跟precious control确实如此，但在运动控制中，其实并不尽然。比如，某射电望远镜，之前都是用PID来调，后来转用LQR来设计参数。不过设计完之后，又用频域的伯德图来看，才能敢实行，最终效果好很多。原因很简单，在模型不精确乃至没有模型的时候都能用PID，说明PID适用范围广。但没有免费的午餐啊，适用范围广，则对一个特定的系统，往往效果离最好差很远。而望远镜是人造的，模型比较精确，而且工作环境不确定性小，所以用LQR效果好。其它的，如无人机，飞行器等模型还算精确，但环境、干扰的不确定性大，而且机械结构很可能发生变化。用PID当然可以，但也有用H infinity控制(本质是频域方法的时域求解)，其实PID也可以用H无穷来调啊，H无穷算是鲁棒控制中比较基础、保守的控制方法，物理意义明确。

这里岔开一句，PID的调参可以用很多方法，试凑、经验方法很多，基于模型的也有很多。基于模型的，如果建模或系统辨识的不好，调参再好，效果也不会好的。而且有一个问题，那就是没有免费的午餐，很多时候根本就没法说哪个控制效果更好。比如带宽大了，往往干扰或振荡抑制就差了；干扰振荡抑制的好，控制器能耗又大了。。。而且但论干扰抑制，中频好了，高频又上去了。。。如此等等。

这里还引出另一个话题，也算是一个经验吧，那就是很多控制领域，如鲁棒控制、最优控制、预测控制等，而这些领域又有很多不同的方法。一般来说，这些方法中最基础的那个，一般是可以实用的，而较复杂的那些，一般不能用。经验是，找最基础的，最好的是物理意义明确的，作为框架，在实际中再添修补。为什么呢？因为人们总是低估不确定性和干扰。很多时候，设计的控制器很fragile，即使是有所谓的robust控制(这里最近有个很有趣的定义，叫anti-fragile，不过这与该主题无关)，而一般来说，越简单、越保守的控制器，越鲁棒，能够应付大量不确定性。比如基于PID，H无穷(实际上是非常保守的)等。对了，还想起来一个，对于延时的，时延无关稳定，在钱学森的《工程控制论》中有介绍(这本书都是控制的实际应用啊)，如果按照时延无关稳定来设计控制器，那么实际中是很保守的，远不是最优的，但这样的话，就可以应付很大的时延不确定性啊。现实中往往是这些“宰相肚里能撑船”的控制器应用的最多。反而是对某种情况最优，但换一种情况就可能会跑飞的，没有多大应用。这也就解释了现实中往往不是那些在某一方面特别厉害的人当老大，而是各方面都不让人，但凑合起来马马虎虎的人最后当老大，哈哈哈。