（電力系統(tǒng)名詞）

自動控制技術(shù)的研究有利于將人類從復雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高控制效率。自動控制是工程科學的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學的系統(tǒng)理論為基礎。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支 ?；A的結(jié)論是由諾伯特·維納，魯?shù)婪颉た柭岢龅摹?/p>

室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié) 室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)是一個簡明易懂的例子。目的是把室內(nèi)溫度保持在一個定值θ，盡管開窗等因素使得室內(nèi)熱量散發(fā)出室外(干擾d)。為了達到這個目的，加熱必須被適當?shù)挠绊?。通過閥門的調(diào)節(jié)，溫度就會保持恒定。除此之外，在人們有感覺之前，暖器熱水的溫度也會受外界溫度的干擾。其余的例子還有三油桶系統(tǒng)。

在現(xiàn)代科學技術(shù)的眾多領域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機器，設備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控制量)自動地按照預定的規(guī)律運行。

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。它的發(fā)展 初期，是以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了

設計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達跟蹤系統(tǒng)以及其

他基于反饋原理的軍用設備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。

到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設計題。

自動化技術(shù)的深入發(fā)展，促進了單元技術(shù)的不斷綜合，以CIMS為代表的未來工廠自動化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學院根據(jù)對美國在CIMS方面較領先的五大公司的長期調(diào)查分析，認為采用先進自動化技術(shù)，如CIMS，可以獲得以下效益:

a.產(chǎn)品質(zhì)量提高 200-500%

b.生產(chǎn)率提高 40-70%

c.設備利用率提高 200-300%

d.生產(chǎn)周期縮短 30-60%

e.在制品減少 30-60%

f.工程設計費用減少 15-30%

g.人力費用減少 5-20%

h.提高工程師的工作能力 300-3500%

由此可見，自動化技術(shù)的應用，其效益明顯提高。

自動控制的發(fā)展，從開始階段的發(fā)生到形成一個控制理論，講整個這個進程。自動控制就是指這樣的反饋控制系統(tǒng)，這是有一個控制器跟一個控制對象組成的，把這個控制對象的輸出信號把它取回來，測量回來以后跟所要求的信號進行比較。根據(jù)這誤差告訴控制器，這就是機器內(nèi)部的工作了。讓控制器完成這個控制作用，使得這個偏差消除或者說使得控制對象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號?？刂茖ο蟮妮敵隽恳话銇碚f都是一個物理量，比如說我控制一個機器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測量出來，才能進行控制。

從一開始出現(xiàn)的時候，大家假如接觸到這門學科的話，可能都知道是瓦特的離心調(diào)速器。這是離心調(diào)速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調(diào)速器呢?就是有兩個飛球，一轉(zhuǎn)起來

以后，因為離心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，這個下面的套筒就往上升，這個套筒在移動，就帶動執(zhí)行機構(gòu)動作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。

實際上這個離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它實際上不是瓦特的發(fā)明。這是什么呢?就是在那個時期，大家看到風力磨坊就是相當于離心調(diào)速器的那個飛球，實際上在那個時候，已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是改良了蒸汽機，用了這樣的一個調(diào)速器，但是現(xiàn)在很多人都愿意把這個離心調(diào)速器，掛在瓦特的名下。所以一般的書上，大家看到的是瓦特的離心調(diào)速器，你要看正式的書，假如材料寫的確切的話，只說1788年前后，不確切說哪一天的年代，因為不是他發(fā)明的。就是說一項科學技術(shù)的發(fā)展，并不是一個人，就是說瓦特又能發(fā)明蒸汽機又能發(fā)明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，好像什么都是他發(fā)明的，實際上他也利用了前人的很多知識的積累。這是1788年，隨后大概有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動控制系統(tǒng)就是個離心調(diào)速器，當時主要就是個蒸汽機，蒸汽機離心調(diào)速器，沒有別的類型，后來進到二十世紀，就是出現(xiàn)了飛機。大家可能知道的，斯佩雷(Sperry)發(fā)明了陀螺，他想辦法把陀螺做成一個自動駕駛儀。

現(xiàn)在再一個報道，就是1925年到1940年之間斯佩雷(Sperry)的那個工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是這樣的。它這個火力控制，這里一大堆人的地方，這是它主要的核心部分，叫火控指揮儀?；鹂刂笓]儀是指什么意思呢?根據(jù)飛機的方位角、高低角，飛機在飛還有一個前置角，打前置角，把這個呢，控制火炮，告訴火炮。就是這個地方是它的指揮儀，等到火力控制的地方，這里站了三個人，當時的術(shù)語叫人工伺服，三個人，為什么三個人呢，一個方位角，一個高低角，還有一個引信。因為他那時候還要算出來，就是要指揮儀算，算出來我炮彈飛到你飛機的時候，需要多少時間。引信就是指一個定時器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以需要這三方面的高低角、方位角，再加上定時爆炸，才能把飛機打掉。這是1940年前的，這個是美國的火力控制的情況。但是到真正我們核心搞控制的人來說，火炮控制部分是人工伺服，human servo。

硬盤驅(qū)動系統(tǒng)里邊就是個伺服系統(tǒng)，大家不要小看這個伺服系統(tǒng)，硬盤伺服系統(tǒng)里邊高速旋轉(zhuǎn)的時候，定位的精度是一個微米，在高速旋轉(zhuǎn)的氣流下，這實際上是擾動很大的，要求高精度。這個利潤、產(chǎn)量都非常大，每年幾百萬套。

下面還有一個就是日常遇上的汽車的防側(cè)滑的那個系統(tǒng)。這個左邊的那個圖，就是相當于仿真計算。仿真計算往上翹的就是一般常規(guī)的汽車，這種工作不是在紙面上做的;右邊的就是照片了，就是實際上它還是做實驗的，這些都是目前，就是跟我們生活都有關(guān)系的一些控制系統(tǒng)。

蒸汽機的離心調(diào)速器，剛出來的時候，大家不知道有反饋的概念，所有的問題都集中在調(diào)節(jié)器本身，一會兒說你是調(diào)節(jié)器重量太小了，應該大一點;一會兒說這里要有個彈簧，一會兒又說這有彈簧也不好;一會兒說里邊因為摩擦力影響，就一直沒有從反饋系統(tǒng)來考慮，就是單個孤立的一個控制器。麥克斯維爾把這個系統(tǒng)看作調(diào)節(jié)器，跟調(diào)節(jié)對象合在一起，用微分方程來進行研究，這是麥克斯維爾的功勞。

1876年，俄國的維斯聶格拉斯基，他是專門搞實際研究的，他們當時有一種直接作用調(diào)速器。就剛才說的，一會兒說這個有問題，一會兒說那個問題，老找不到問題，準備把整個方案都要放棄了。維斯聶格拉斯基結(jié)合了他當時的蒸汽機，結(jié)合了他這個蒸汽機的特性，就指出來參數(shù)更應該是怎么選擇，才能保證穩(wěn)定。維斯聶格拉斯基，就是結(jié)合工業(yè)實際，大家對他的評價很高，他就解決了當時差不多在一種調(diào)節(jié)器就要下馬的情況，他指出來就是一個參數(shù)問題，所以他在工業(yè)上，是立了很大的功勞。

在這個同時，1877年，大家學判據(jù)的，有個代數(shù)判據(jù)，勞斯代數(shù)判據(jù)，勞斯判據(jù)怎么來的呢?我的記憶里邊，勞斯就是麥克斯維爾的學生，就可能相當于我們現(xiàn)在的博士生了，麥克斯維爾就是給了任務，你把方程式根的性質(zhì)給我判別一下。最后到1877年，勞斯把這個拿出來了，勞斯拿出來行列式，得到了獎，當時叫做亞當獎。在這個同時，1895年，胡爾維茨(Hurwitz)也在不同的情況下，不知道勞斯的情況下。因為那個時候的歐洲不像現(xiàn)在學術(shù)交流這么頻繁，當時沒有什么學術(shù)交流。我也不知道你到底搞了些什么，所以這基本上是平行的。但是胡爾維茨(Hurwitz)的不一樣，胡爾維茨(Hurwitz)解決的是瑞士達沃斯電廠的一個蒸汽機的一個調(diào)速系統(tǒng)的設計，就用穩(wěn)定性理論來設計。

胡爾維茨(Hurwitz)被認為是真正用控制理論，來用到控制系統(tǒng)設計的第一個例子。所以我現(xiàn)在這里列出來的這四個人，兩個人是學校里的學究式的，就是麥克斯維爾跟勞斯，但是他的功勞也不能磨滅，維斯聶格拉斯基跟胡爾維茨(Hurwitz)，都是實際上出來的，就解決實際問題，這是兩個不同的。但是最后，勞斯，胡爾維茨(Hurwitz)，都拿出來，現(xiàn)在都有用的代數(shù)判據(jù)。

在1927年的8月2號他去上班，那時候20年代，在美國也是上下班要坐船、坐車，他坐在渡輪上面。所以這樣的話，負反饋是1927年，布萊克首先提出來的，我現(xiàn)在為什么要提呢?就是說他到底是不是個靈感，其實推究他實際上是必然性。

布萊克已經(jīng)在這個之前，專門研究了電子振蕩器，電子振蕩器是用反饋工作的，當然是正反饋了，所以他有這個基礎。就是他有工作的積累，布萊克有很多用反饋原理構(gòu)成振蕩器線路的這些工作基礎，完了老在想這個問題，這樣靈感就出來了，就做出來這個負反饋放大器，這是一個人，應該要提一下。

還有下面要上的是尼可爾斯(Nichols)，我們下面還要提一下的，尼可爾斯提出PID的整定法，大家現(xiàn)在學控制的可能都知道。PID整定法是尼可爾斯在二十世紀40年代提出來的，他這人很有才能，他想辦法把PID調(diào)出來，想辦法參數(shù)應該怎么整定，需要用模擬機。當時美國惟一一臺模擬機，當時的模擬機叫微分分析儀，麻省理工學院的。這個模擬機的制造人是誰呢?就是剛才說的，當時是維布什(Vannevar Bush)，后來他是美國總統(tǒng)的科學顧問，原來就是搞自動控制的，他設計了這個微分分析儀，現(xiàn)在叫模擬機。尼可爾斯(Nichols)就在這個模擬機上做了大量的仿真實驗，最后列出來這個PID的整定表，50年過去了現(xiàn)在大家還在用。有一樣工作50年不變的就是尼可爾斯(Nichols)發(fā)明的這個PID整定表。這個是最后的，戰(zhàn)爭結(jié)束以后，他們才把工作展現(xiàn)出來。這一本書呢，現(xiàn)在是一本經(jīng)典著作，我們國家剛解放的時候，這些資料都沒有，我們只能看到俄文的。俄文的是1953年翻譯出來的。

第二本要介紹的是錢學森的《工程控制論》。錢學森是1954年寫的書，當時他在美國寫的書，我們這里也拿不到英文版，但是前蘇聯(lián)很重視，前蘇聯(lián)馬上把它翻成俄文。我們看到的前蘇聯(lián)是1956年把他的俄文，翻譯出來了，我們當時看到的是俄文版，這是在大概二十世紀50年代形成過程里邊的幾個主要的過程，把經(jīng)驗都總結(jié)出來。下一本是魯里葉(Lurie)的非線性的一個經(jīng)典著作，這個是1951年出版的魯里葉(Lurie)的那本書。魯里葉(Lurie) 在前蘇聯(lián)大概1944年他提出來，大家現(xiàn)在搞非線性可能都知道，提出來一個魯里葉問題，這個問題一直解決不了，他后來寫成書了，就是留著這問題。這個問題，開始到什么時候呢?我這里說一下這兩個風格，英美的剛才大家已經(jīng)聽出來了，都是搞工程的人在搞控制，前蘇聯(lián)是應用數(shù)學家跟力學家在搞控制，所以兩個起的作用都不一樣。他這本書1951年當時是非常難看懂的，很難讀懂。這個工作，他提出來的魯里葉(Lurie)問題，一直到1960年才有人解決，提出來一個解決方案，大家可能知道的，就是波波夫(Popov)的絕對穩(wěn)定性。后來就提出來超穩(wěn)定性，是解決的這個魯里葉(Lurie)問題。就是說這本書當時二十世紀50年代，二十世紀40年代后期，50年代初的一些工作，一直影響到二十世紀60年代，而且還影響到目前一些非線性的理論工作，都是以他這個為基礎。

是整個在二十世紀40年代，前面的是個技術(shù)的發(fā)展過程，慢慢形成理論了。我習慣上用這么一個時間表來表示。50年代的時候，一般都叫經(jīng)典控制理論; 60年代叫狀態(tài)空間法，實際上就是狀態(tài)空間方法，但是呢，當時的名稱，把它叫做現(xiàn)代控制理論了;后來70年代是現(xiàn)代頻域法，這么一個過程。接下來現(xiàn)在就是要說明一下狀態(tài)空間法，完了就叫現(xiàn)代控制理論。這個狀態(tài)空間法誰先提出來的呢?是剛才的第三本書，前蘇聯(lián)的這些學者。他們搞應用數(shù)學、搞力學的，他們從來就是用的是狀態(tài)空間法。1960年卡爾曼把它介紹到英語世界，這個世界用英語來說是English speaking country ，就是說英語的國家里邊去，因為本來大家都不知道，卡爾曼是個斯拉夫名字。他1960年的時候，他把狀態(tài)空間法介紹給美國。但是加上人為炒作，就把這個現(xiàn)代控制理論炒作得好像非常神一樣，當時也有些人寄予希望也是比較大。這個就是發(fā)展了十年以后，就發(fā)現(xiàn)期望過大了，好像也只不過如此吧!有些問題你也沒解決了。所以那個時候，又有人回到頻域法，就是最早50年代是頻域法，60年代狀態(tài)空間，70年代又回到頻域法。

當然這個是螺旋上升的，就這個時候的頻域法就加了個名字，叫現(xiàn)代頻域法。實際上是螺旋上升，又回到頻域法。覺得頻域里邊來考慮設計問題還是比較恰當?shù)?，考慮一些設計要求，就出現(xiàn)了這個頻域法。正好在現(xiàn)代頻域法發(fā)展的這個勢頭上的時候，1981年有人寫文章說你這個沒有魯棒性，我們現(xiàn)在大家搞控制理論知道要魯棒設計。說你這個現(xiàn)代頻域法沒有魯棒性，當時人家不信、不服，經(jīng)過80年代的論證，爭議慢慢形成。到1991年，就是現(xiàn)在的有人當然是你可能這個術(shù)語不一定統(tǒng)一，有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論，Postmodern control theory。我們現(xiàn)在就回過來看看，為什么說這個沒有魯棒性?這個要說到，我們從多變量系統(tǒng)來說，多變量系統(tǒng)實際上是多入多出系統(tǒng)。多變量不太恰當，輸入有好多個，輸出有好多個。多變量里一個問題，叫做耦合，就是輸入輸出之間互相耦合?？刂频臅r候，直觀的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢!就是這個1跟輸出1可以組成反饋系統(tǒng)，這個2呢!跟輸出2可以組成反饋系統(tǒng)，這個設計的時候就比較容易了。

但是解耦設計是個什么概念?解耦設計實際上要求輸入輸出之間的關(guān)系，我1控制1，2控制2，用我們的術(shù)語來說這是響應特性，并不表示我的反饋系統(tǒng)有些什么特點，有些什么要求。但是，我看到國內(nèi)有些雜志，有人對這個觀點還不太同意，大家可能以后會接觸到。你用的時候要跟下面的一個實際物理系統(tǒng)是連接，實際物理系統(tǒng)跟你數(shù)學模型總有點不一樣。假如我只允許你只能在我這樣的數(shù)學方程式下，系統(tǒng)是好的，那你沒用的，你做出來系統(tǒng)不能用。我們的設計要允許這兩個有差別，這個允許差別就叫有魯棒性，所以魯棒性不是我們一般數(shù)學上的問題。就是實際上提出來的問題，就是解決你這個設計到底能不能用的問題。所謂我有魯棒性，就是你的設計允許有這個差別，允許有不確定性，你在紙面上設計的系統(tǒng)做成控制器以后，到實際上用，照樣有這個性能，這才叫你的設計具有魯棒性。所以這個魯棒性的概念就是80年代提出來的，逐漸形成了我們現(xiàn)在說的現(xiàn)代后控制理論。一個經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論，后邊現(xiàn)代后控制理論，這個里邊研究對象不一樣，一個傳遞函數(shù)，一個狀態(tài)空間模型。研究內(nèi)容呢，我們講現(xiàn)在我們談的是奇異值、魯棒穩(wěn)定性的問題，在前面的經(jīng)典的控制理論里邊，是講帶寬、講裕度，現(xiàn)代控制理論里邊是特征值、方差和范數(shù)，這些是在LQG，都是屬于現(xiàn)代控制理論的范疇，用的實際計算工具呢，就伯德(Bode)圖、奈奎斯特圖、尼可爾斯圖。

他在那本1947年麻省理工學院出的教材里邊，提出來介紹這個尼可爾斯圖，這個尼可爾斯圖從40年代到現(xiàn)在，也是有50年了。尼可爾斯50年前提出來的PID整定表，提出來設計用的尼可爾斯圖。50年后的今天還在用，還在用它來做設計，可見到他這個人的水平。為了紀念這個尼可爾斯，從1996年開始，世界自動控制聯(lián)合會，就是IFAC(國際自動控制聯(lián)合會)，專門設立了一個尼可爾斯獎，專門獎給設計上做出貢獻的人。1996年給過一個獎，1999年給過獎。每三年IFAC開會的時候評審一次，就知道這個尼可爾斯這個作用了。所以大家再要有機會的話，能看到他最早的這本書實際上是經(jīng)典著作。

現(xiàn)代控制理論用黎卡提方程。我們現(xiàn)在用的，現(xiàn)代后控制理論里用的是線性矩陣不等式，線性矩陣不等式的解法都是用MATLAB的軟件來解的，所以整個計算工具，就是我們考慮的對象、研究內(nèi)容等等都出現(xiàn)了變化。所以有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論，我們今天主要把這個過程，怎么從個別的技術(shù)最后形成一門學科?這個學科分成幾個階段?給大家介紹了一下。

這個就是我主要介紹的一些內(nèi)容，我這里要說的就是這里邊包括一些年份，有些事實。譬如說他做了夢，這個都是有據(jù)可查的，不是我瞎說的。但是這里邊對人的評論，一些觀點可能就是我的，所以假如有說錯的希望大家批評指正。我主要介紹的內(nèi)容就這些，謝謝大家。

提問:聽了您剛才的介紹，我有幾個地方想向您請問一下，請問王教授，您剛才介紹的是自動控制發(fā)展的歷程，那么就您個人的意見和看法，那么咱們自動控制的未來的發(fā)展方向，有可能是哪個方向?就培養(yǎng)我們這些學生而言，我們怎么樣提高自己自身素質(zhì)來向這個方向來靠攏。

答:自動控制我比較是有這么一個觀點:你不能光從搞控制的人來說，我能想出一些方向，我就指給你往前走，我能解決你好多問題。我舉例子來說，瓦特的離心調(diào)速器，這個控制系統(tǒng)是先有調(diào)速器，先有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了提高精度，把這個球做大，做大了以后，系統(tǒng)不穩(wěn)定了，出了問題去解決它。就是說首先是技術(shù)推進它的，這是一個大方向，大家可能現(xiàn)在學理論，就是一些新的理論里邊，可能是最優(yōu)控制吧，Pontryagin，中文叫龐特里亞金，龐特里亞金(Pontryagin)的那個極大值原理，到底怎么產(chǎn)生的，我倒想說說這個過程，所以就可能知道，我搞控制的人怎么搞。

龐特里亞金(Pontryagin)的那個

極大值原理，首先在1953年，前蘇聯(lián)開了一個自動控制會議，當時是一些搞工程技術(shù)的人員，提出最優(yōu)控制，就是我們現(xiàn)在說的Bang-Bang(開關(guān))控制。這個是有名的人，是費爾德鮑曼(A.A.Feldbaum)他提出的。龐特里亞金(Pontryagin)是數(shù)學家，他在控制會議上聽出點門道來了，他是數(shù)學所的，完了開完會以后，他把費爾德鮑曼請到他們數(shù)學所做講座，講他的最優(yōu)控制。講座完了以后，1956年龐特里亞金(Pontryagin)的那個極大值原理就出來了。我就說他數(shù)學家先能把問題抽象出來，也跟剛才瓦特的離心調(diào)速器一樣，受到當時很多技術(shù)的影響，受到好多的一些知識的積累，各方面的知識積累，受到啟發(fā)，才出來那個極大值原理。

《自動控制原理》胡壽松 科技出版社 2001(第四版)

《自動控制發(fā)展的歷程》王廣雄 百家講壇

1、自動控制器就是用機器設備或系統(tǒng)代替人完成某種生產(chǎn)任務，或者代替人實現(xiàn)某種過程，或代替人進行事務管理工作。嚴格地說，自動控制器就是指在沒有人的直接參與下，機器設備或生產(chǎn)管理過程通過自動檢測、信息處理、分析判斷自動地實現(xiàn)預期的操作設備。

2、自動控制器可以完成某種控制任務的系統(tǒng)。自動控制器的組成和工作原理與人體的構(gòu)成和工作機理有很多相似之處:自動控制器中有相當于人的感覺器官的傳感器，有相當于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的控制裝置，也有相當于人的手、腿及其肌肉的執(zhí)行機構(gòu)。傳感器用于檢測指令信息、外界變 化信息以及被控對象的狀態(tài)信息，并將其變換成電信號傳給控制裝置。控制裝置則計算出被控對象的當前狀態(tài)(稱為被控量，或系統(tǒng)的輸出量)與所希望的狀態(tài)(稱為輸入信號)之差，并根據(jù)這一偏差(稱為誤差信號)按一定規(guī)律產(chǎn)生出控制信號，然后經(jīng)過放大，送給操作執(zhí)行機構(gòu)。操作執(zhí)行機構(gòu)用于驅(qū)動被控對象運動，直到它的狀態(tài)達到所希望的狀態(tài)為止。這種把系統(tǒng)的輸出或系統(tǒng)的另外一些受控變量和系統(tǒng)的輸入作比較后，形成的控制稱為閉環(huán)控制或反饋控制。

機械化、全自動控制、比例調(diào)節(jié)、PLC可編程及觸摸屏控制技術(shù)