控制论概念

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。

作者：刘文江 来源：中国大百科全书 发表时间：2006-03-12 浏览次数：623 字号：大 中 小

【汉语拼音】kongzhilun

【中文词条】控制论

【外文词条】cybernetics

【作 者】刘文江

研究生命体﹑机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。控制论的建立是20世纪最伟大的科学成就之一﹐现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系。控制论的奠基人美国数学家维纳﹐N.1948年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学”。70年代以来﹐电子数字计算机得到广泛的应用﹐控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统﹐控制论的定义也因之扩展。苏联和东欧各国学者认为控制论是研究系统中共同的控制规律的科学﹐把控制论的定义又作了进一步的扩展。英文

cybernetics(控制论)一词来源于希腊文﹐原意为“掌舵人”﹐转意是“管理人的艺术”。1947年﹐维纳选用cybernetics这个词来命名这门新兴的边缘科学有两个用意﹕一方面想藉此纪念麦克斯韦1868年发表《论调速器》一文﹐因为governor(调速器)一词是从希腊文“掌舵人”一词讹传而来的﹔另一方面船舶上的操舵机的确是早期反馈机构的一种通用的形式。

控制论的诞生和发展 20世纪30～40年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认识﹐一些著名科学家环绕信息和反馈进行了大量的研究工作。英国统计学家R.A.费希尔从古典统计理论的角度研究信息理论﹐提出单位信息量的问题。美国电信工程师香农﹐C.E.从通信工程的角度研究信息量的问题﹐提出信息熵的公式。美国数学家维纳则从控制的观点研究有噪声的信号处理问题﹐建立了维纳滤波理论﹐并分析了信息的概念﹐提出测定信息量的公式和信息的实质问题。他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题。这一时期﹐人们逐渐深入了解反馈控制系统的工作原理。1932年美国通信工程师奈奎斯特﹐H.发现负反馈放大器的稳定性条件﹐即著名的奈奎斯特稳定判据。1945年维纳把反馈概念推广到一切控制系统﹐把反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入﹐从而对再输出发生影响的过程。巴甫洛夫条件反射学说证明了生命体中也存在着信息和反馈问题。

控制论基本概念与方法

控制论是一种科学方法，用于解决系统在不确定和复杂环境中的问题。它被广泛应用于各个领域，如工程控制、经济管理、生态保护等。本文将介绍控制论的基本概念与方法，以及其在实践中的应用。

一、控制论基本概念

1.1 系统

系统是由相互作用和相互联系的组件组成的整体。它可以是物理系统，如机械系统；也可以是非物理系统，如经济系统。在控制论中，系统通常被描述为输入、输出和状态之间的关系。

1.2 控制

控制是对系统的行为进行调节和管理，以使系统达到预期的状态或性能。控制的目标是通过采取合适的措施来减小误差，使系统的输出与期望输出之间的差异最小化。

1.3 反馈

反馈是控制论中的重要概念，它指的是将系统输出的信息反馈给系统输入端，以进行调节和修正。通过反馈，系统可以实时监测和调整自身的状态，以使输出更加稳定和准确。

1.4 控制器

控制器是实施控制策略的元件。它接收输入信息和反馈信号，并根据预先设定的控制规则产生相应的输出信号，用于控制系统的行为。 二、控制论基本方法

2.1 开环控制

开环控制是一种基本的控制方法，它不考虑系统的输出信息对控制过程的影响。在开环控制中，控制器根据预先设定的控制策略产生输出信号，而不考虑系统当前的状态或性能。

2.2 闭环控制

闭环控制是基于反馈的控制方法，它利用系统的输出信息来修正和调节控制器的输出。闭环控制通过比较系统输出和期望输出之间的差异，产生控制信号，以使系统达到预期的状态或性能。

2.3 PID控制

PID控制是一种常用的闭环控制方法，它通过调节比例、积分和微分三个部分的权重来实现控制过程的稳定和快速响应。PID控制器根据系统当前的状态误差和过去的误差变化率，产生相应的控制信号。

2.4 鲁棒控制

鲁棒控制是一种针对模型不确定性和外部干扰的控制方法。它通过设计具有稳定性和性能保证的控制器，以使系统具有对不确定性和干扰的鲁棒性。

三、控制论的应用

3.1 工程控制 控制论在工程领域有广泛的应用，如自动化控制、电力系统控制、机械控制等。它可以帮助工程师设计和优化系统的控制策略，提高系统的性能和可靠性。

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。