1 基本概念
如图4-1所示框图说明了控制系统的基本概念，动作信号通过（经由）控制系统元件后，提供一个指示，此系统的目的就是将变量c控制于该指示内。一般来说，被控变量为系统的输出，而动作信号为系统的输入。举一个简单的例子，汽车的方向控制（Steering Control），两个前轮的方向可视为被控制变量，即输出；而其方向盘的位置可视为输入，即动作信号e。再如，若我们要控制汽车的速度，则加速器的压力总和为动作信号，而速度则视为被控变量。
图4-1 基本控制系统框图
我们将需要控制的物理量称为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义为系统的控制量或输入量。而将那些使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。自动控制过程就是设法消除扰动因素的影响，从而保持被控制量按预期要求变化的过程。
所以自动控制系统可以这样理解：任何一个系统，在没有人直接参与的情况下，通过控制装置使被控制对象或者过程自动按照预定的规律运行。
人类在掌握了简单的制造技术之后，就有了创造自动装置的想法，以便减轻或代替人类自身的劳动，这就是自动控制思想的最初来源。自动控制技术的发展过程大体经过了四个阶段：古代阶段、17—19世纪阶段、19世纪到“二战”阶段和“二战”以后阶段。这期间，经典控制理论、现代控制理论等从无到有地发展起来。
2 自动控制技术的早期发展
在古代，大约公元前14世纪到公元前11世纪，世界上包括中国、埃及和巴比伦等文明古国由于生产发展对计量时间的需要，都出现了能够自动计时的漏壶。汉朝科学家张衡发明了浑天仪和地动仪，其模型外形图如图4-2所示，把自动控制思想应用到了天文观测仪器和地震观测仪器。三国时期出现了指南车，它是确定方位仪器中利用自动控制思想的成功示例。中国北宋时代（公元1086—1089年）苏颂和韩公廉制造的水运仪像台如图4-3所示，它是将用于天文观测的浑天仪和用于天文演示的浑象仪及自动计时装置结为一体的仪器。整个系统就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统。
图4-2 张衡地动仪模型外形图
图4-3 水运仪像台
古埃及和古希腊都先后出现了半自动的简单机器，如教堂庙门自动开启装置、自动洒圣水的铜祭司、投币式圣水箱和在教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置，这些都是一些互不相关的原始自动装置，是一些个别的发明。17世纪以后，随着生产的发展和科学的进步，在欧洲出现了多种自动装置，其中包括：1642年法国物理学家帕斯卡发明了能自动进位的加法器；1657年荷兰机械师惠更斯发明了钟表；1745年英国机械师E．李发明了带有风向控制的风磨，这种风磨可以利用尾翼的调向作用使主翼对准风向；1765年俄国机械师波尔祖诺夫发明了浮子阀门式水位调节器，可以自动控制蒸汽锅炉的水位。这一时期，自动控制技术都是由于生产发展的需求而产生的。
1788年英国科学家瓦特（图4-4）发明了离心式节速器，也称作飞球调速器，如图4-5所示，用它来控制蒸汽机的蒸汽阀门，构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统，从而实现了离心式节速器对蒸汽机转速的控制。瓦特的这项发明促进了近代自动调节装置的广泛应用，对由蒸汽机带来的第一次工业革命及以后的控制理论发展都有重要的影响。其他国家的发明还有：1854年俄国机械学家和电工学家康斯坦丁诺夫发明的电磁调速器；1868年法国工程师法尔科发明了反馈调节器，通过它来调节蒸汽阀，操纵蒸汽船的舵，这就是后来得到广泛应用的伺服机构。在1868年以前，自动化技术只是一些个别的发明和简单的应用，所以把它称作第一阶段。在1868年之后，逐渐开始了对自动控制系统的理论分析和大规模的广泛应用，所以把它称作第二阶段。
图4-4 瓦特
图4-5 瓦特离心式节速器对蒸汽机的控制示意图
1—蒸汽机；2—蒸汽阀；3—调速器；4—负荷
3 自动控制理论的早期发展
各种简单的自动控制装置都可以改进生产技术，提高生产效率。虽然这种技术的发明在18世纪以前经历了漫长的历史过程，还没有理论分析和数学描述，但是它们对自动化技术的形成起到了先导作用，都是从实际经验中总结出来的。17—18世纪是自动化技术的逐渐形成时期，接下来是近代自动化技术的发展时期，数学描述和理论分析起到了至关重要的作用。人们最初遇到的是自动调节器的稳定性问题，由于瓦特发明的离心式调速器有时会造成系统的不稳定，使蒸汽机产生剧烈振荡；到19世纪又发现了船舶上自动操舵机的稳定性问题。这些问题引起了人们的广泛关注，一些数学家尝试用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题。对自动控制系统最初的数学描述是英国物理学家麦克斯韦（图4-6），他在1868年发表了《论调速器》的文章，该文章总结了无静差调速器的理论。
1877年英国数学家劳斯（E．J．Routh）提出了著名的劳斯稳定判据，它是一种代数稳定判据，可以根据微分方程的系数来判定控制系统的稳定性。1895年德国数学家A．胡尔维茨（图4-7）提出著名的胡尔维茨稳定判据，它是另一种形式的代数稳定判据。劳斯—胡尔维茨稳定判据是能预先根据传递函数或微分方程判定调节器稳定性的重要判据。1892年俄国数学家李雅普诺夫发表了《论运动稳定性的一般问题》的专著，以数学语言形式给运动稳定性的概念下了严格的定义，给出了判别系统稳定的两种方法。
图4-6 麦克斯韦
图4-7 胡尔维茨
进入20世纪以后，由于工业革命的需要，人们开始采用自动控制装置，来解决工业生产中提出的控制问题。自动控制器的应用标志着自动化技术进入新的历史时期。在这一时期中，控制器都是一些跟踪给定值的装置，使一些物理量保持在给定值附近。工业生产中广泛应用各种自动控制装置，促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。到了20世纪20年代以后，美国开始采用比例、积分、微分调节器，简称PID调节器。PID调节器是一种模拟式调节器，现在还有许多工厂采用这种调节器。在20世纪最初的20年里，自动控制器中已广泛应用反馈控制的结构。从20世纪20年代开始，越来越多的人开始致力于从理论上研究反馈控制系统。
1925年英国电气工程师O．亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上，运用微积分，求得瞬态过程。1927年美国贝尔电话实验室在解决电子管放大器失真问题时，电气工程师H．S．布莱克从电信号的角度引入了反馈的概念。1932年美国电信工程师奈奎斯特（图4-8）提出了著名的奈奎斯特稳定判据，可以直接根据系统的传递函数画出奈奎斯特图，用来判定反馈系统的稳定性。1938年苏联电气工程师米哈伊洛夫应用频率法研究自动控制系统的稳定性，提出著名的米哈伊洛夫稳定判据。
图4-8 奈奎斯特
随着自动控制理论的发展，程序控制、逻辑控制和自动机的思想得到了发展。1833年英国数学家C．巴贝奇在设计分析自动机时首先提出程序控制的概念，他尝试采用法国发明家J．M．雅卡尔设计的编织地毯花样用的穿孔卡方法实现分析机的程序控制。1936年英国数学家图灵研制了著名的图灵机，成为现代数字电子计算机的雏形。他用图灵机定义可计算函数类，并建立了算法理论和自动机理论。1938年美国电气工程师香农和日本数学家中岛，以及1941年苏联科学家舍斯塔科夫，分别独立地建立了逻辑自动机理论，用仅有两种工作状态的继电器组成了逻辑自动机，实现了逻辑控制。此外，香农还建立了信息论。
4 经典控制理论的形成
自动控制技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展器官功能的历史。自动化是现代科学技术和现代工业的结晶，它的发展充分体现了科学技术的综合应用。自动控制技术是随着社会的需要而发展起来的，尤其是随着生产设备和军事设备的控制，以及航空航天工业的需要而发展起来的。第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展自动控制技术起了重要的促进作用。在第二次世界大战期间，德国的空军优势和英国的防御地位，迫使美国、英国和西欧各国科学家集中精力解决了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中形成了经典控制理论，设计出各种精密的自动调节装置，开创了系统和控制这一新的科学领域。
第二次世界大战期间，反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统（图4-9）。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技术，导致了许多新的见解和方法的产生，同时还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。
1945年美国数学家维纳（图4-10）把反馈的概念推广到一切控制系统，1948年维纳发表《控制论》一书，为控制论奠定了基础。同年，美国电信工程师香农发表《通信的数学理论》，为信息论奠定了基础。维纳和香农从控制和信息这两个侧面来研究系统的运动，维纳还从信息的观点来研究反馈控制的本质。从此人们对反馈和信息有了较深刻的理解。1954年中国系统科学家钱学森全面地总结了经典控制理论，并进一步把它提高到更高的理论高度上，在美国出版《工程控制论》一书。工程控制论的目的是研究控制论这门学科中能够直接用在工程上设计受控系统的那些部分。工程控制论使人们有可能具备更广阔的眼界，用更系统的方法来观察有关的问题，因而往往可以得到解决旧问题的更有效的新方法，还可能揭示新的以前没有看到过的前景。
图4-9 第二次世界大战时期的雷达
图4-10 维纳
这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论，在苏联称为自动调整理论，主要是解决单变量的控制问题。当时在分析和设计反馈伺服系统时广泛采用传递函数和频率响应的概念。最常用的方法是奈奎斯特法（1932）、波德法（1945）和埃文斯法（1948）。埃文斯法又称根轨迹法，是美国电信工程师W．R．Ewans于1948年提出来的，在20世纪30—40年代为适应单变量调节和随动系统的设计而发展起来的频率法奠定了经典控制理论的基础，后来频率法成为分析和设计线性自动控制系统的主要方法。这种方法不仅能定性地判明设计方向，而且它本身就是近似计算的简便工具。因此，对于在很大程度上仍然需要依靠经验和尝试的控制系统的工程设计问题来说，这种方法是特别有效和特别受欢迎的。
经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联合自动控制会议上提出来的。在这次会议上把系统与控制领域中研究单变量控制问题的学科称为经典控制理论；把系统与控制领域中研究多变量控制问题的学科称为现代控制理论。
1952年，首台数控机床诞生，数控机床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征。数控机床如图4-11所示。
20世纪40年代中期发明的电子数字计算机开创了数字程序控制的新纪元，虽然当时还局限于自动计算方面，但为60—70年代自动化技术的飞速发展奠定了基础。
1961年，世界上首台工业机器人（图4-12）诞生，这对工业生产线的自动化产生了巨大的推动作用。
图4-11 数控机床
图4-12 工业机器人
1958年出现晶体管计算机，1965年出现集成电路计算机，1971年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响，控制工程师可以很方便地利用微处理机来实现各种复杂的控制，使综合自动化成为现实。
1957年国际自动控制联合会（IFAC）召开成立大会，有18个国家的代表团出席了这次大会，中国是发起国之一。从1960年起每三年召开一次国际自动控制学术大会，并出版《自动学》﹑《IFAC通讯》等期刊。IFAC的成立标志着自动控制这一学科已经成熟，通过国际合作来推动系统和控制领域的新发展。
5 现代控制理论和技术的形成和发展
20世纪50年代以后，经典控制理论有了许多新的发展。各种新的理论和方法，逐渐渗入控制理论的研究中来。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论，经典控制理论的方法有其局限性，为了解决和克服遇到的问题，现代控制理论应运而生。
1）系统辨识﹑建模与仿真
现代控制理论中最优控制器的设计﹑观察器的设计和零极点配置等都是在已知系统的动态方程或状态方程的前提下进行的。这些系统综合方法往往选择一种使用方便的描述形式，而不考虑如何获得这些数学模型。在实际应用中系统的模型往往是未知的。对于复杂系统用已知的物理规律来建立模型常常遇到难以克服的困难。于是根据系统的输入输出数据来建立数学模型的方法便发展起来，逐步形成了系统辨识的理论和方法。
在分析﹑综合和设计自动控制系统的过程中除了应用理论进行计算以外，常常要对系统的特性进行试验研究。显然，在系统未建立前是不可能对系统进行试验的。对于已有的系统，如果系统十分复杂，在实际系统上进行试验，不论出于经济还是安全的考虑，都是不能允许的，有时甚至是不可能的。为此，有必要在仿真设备上试验系统，包括建立﹑修改﹑复现系统的模型，通常把这种试验过程称为系统仿真。现在系统辨识﹑建模和仿真已成为系统和控制领域中十分活跃的重要学科。
2）自适应控制和自校正调节器
50年代初为了设计飞机的自动导航系统，使其能在较宽的速度和高度范围内飞行，开始重视自适应控制的研究。60年代控制理论的发展加深了对自适应过程的理解。自适应控制可用随机递推过程来描述。到了70年代由于微电子学有了新的突破，可用简单而经济的方法来实现自适应控制。目前对于参数自适应控制已研究出三种方法，即增益调整法﹑模型参考法和自校正调节器。
3）遥测﹑遥控和遥感
19世纪末已出现了远距离测量和控制的尝试。20世纪20年代遥测和遥控开始达到实用阶段，用于铁路上信号和道岔的控制。1930年发送了世界上第一个无线电高空探测仪，用以测量大气层的气象数据。这是第一台比较完善的无线电遥测设备。到了40年代，大电力系统，石油﹑天然气管道输送系统和城市公用事业系统都需要通过遥测﹑遥信﹑遥控﹑遥调来对地理上分散的对象进行集中监控，促进了遥测遥控系统的发展。苏联和东欧各国把这类系统称为远动系统。
遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量，一般是由传感器测出被测对象的某些参数并转变成电信号，然后应用多路通信和数据传输技术，将这些电信号传送到远处的遥测终端，进行处理﹑显示及记录。遥信则是对远距离被测对象的工作极限状态（是否工作或工作是否正常）进行测量。遥控就是对被控对象进行远距离控制。遥控技术综合应用自动控制技术和通信技术，来实现远距离控制，并对远距离被控对象进行监测。其中对远距离被控对象的工作状态的调整称为遥调。对按一定导引规律运动的被控对象进行远距离控制则称为制导，即控制和导引，在航天﹑航空和航海上有广泛的应用。
60年代以后遥感技术得到了迅速的发展。遥感就是装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射来的电磁波，利用这些数据来获得关于目标物的信息。以飞机为主要运载工具的航空遥感发展到以地球卫星和航天飞机为主要运载工具的航天遥感以后，使人们能从宇宙空间的高度上大范围地周期性地快速地观测地球上的各种现象及其变化，从而使人类对地球资源的探测和对地球上一些自然现象的研究进入了一个新的阶段，现已应用在农业﹑林业﹑地质﹑地理﹑海洋﹑水文﹑气象﹑环境保护和军事侦察等领域。
4）综合自动化
50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的自动化工厂，60年代末在制造工业中出现了许多自动化生产线（图4-13），工业生产开始由局部自动化向综合自动化方向发展。70年代以来微电子技术﹑计算机技术和机器人技术的重大突破，促进了综合自动化的迅速发展。过程控制方面，1975年开始出现集散型控制系统，使过程自动化达到很高的水平。制造工业方面，在采用成组技术﹑数控机床﹑加工中心和群控的基础上发展起来的柔性制造系统（FMS）及计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）系统成为工厂自动化的基础。70年代开发出来的一批工业机器人﹑感应式无人搬运台车﹑自动化仓库和无人叉车成为综合自动化的强有力的工具。柔性制造系统是从60年代开始研制的，1972年美国第一套柔性制造系统正式投入生产。70年代末到80年代初柔性制造系统得到迅速的发展，普遍采用搬运机器人和装配机器人。1982年10月在英国的普赖顿召开第一届柔性制造系统国际会议。
图4-13 自动化生产线
5）大系统理论的诞生
系统和控制理论的应用从60年代中期开始逐渐从工业方面渗透到农业﹑商业和服务行业，以及生物医学﹑环境保护和社会经济各个方面。由于现代社会科学技术的高度发展出现了许多需要综合治理的大系统，现代控制理论又无法解决这样复杂的问题，系统和控制理论急待有新的突破。在计算机技术方面，60年代初开始发展数据库技术，1970年提出关系数据库，到80年代数据库技术已经达到相当的水平。60年代末计算机技术和通信技术相结合产生了数据通信。1969年美国国防部高级研究局的阿帕网（ARPA）的第一期工程投入使用取得成功，开创了计算机网络的新纪元。数据库技术和计算机网络为80年代实现管理自动化创造了良好的条件。管理自动化的一个核心问题是办公室自动化，这是从70年代开始发展起来的一门综合性技术，到80年代已初步成熟。办公室自动化为管理自动化奠定了良好的基础。
国际自动控制联合会（IFAC）于1976年在意大利的乌第纳召开了第一届大系统学术会议，于1980年在法国的图鲁兹召开第二届大系统学术会议。美国电气与电子工程师学会（IEEE）于1982年10月在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩举行了一次国际大系统专题讨论会。1980年在荷兰正式出版国际性期刊《大系统──理论与应用》。这些活动标志着大系统理论的诞生。
6）人工智能和模式识别
用机器来模拟人的智能，虽然是人类很早以前就有的愿望，但其实现还是从有了电子计算机以后才开始的。1936年，图灵提出了用机器进行逻辑推理的想法。50年代以来，人工智能的研究是基于充分发挥计算机的用途而展开的。
早期的人工智能研究是从探索人的解题策略开始，即从智力难题﹑弈棋﹑难度不大的定理证明入手，总结人类解决问题时的心理活动规律，然后用计算机模拟，让计算机表现出某种智能。1948年美国数学家维纳在《控制论》一书的附注中首先提出制造弈棋机的问题。1954年美国国际商业机器公司（IBM）的工程师塞缪尔应用启发式程序编成跳棋程序，存储在电子数字计算机内，制成能积累下棋经验的弈棋机。1959年该弈棋机击败了它的设计者。1956年赫伯特·西蒙和艾伦·纽厄尔等研制了一个称为逻辑理论家的程序，用电子数字计算机证明了怀特海和罗素的名著《数学原理》第二章52条定理中的33条定理。1956年M．L．明斯基、J．麦卡锡、纽厄尔、西蒙等10位科学家发起在达特茅斯大学召开人工智能学术讨论会，标志人工智能这一学科正式诞生。1960年人工智能的4位奠基人，即美国斯坦福大学的麦卡锡、麻省理工学院的明斯基、卡内基梅隆大学的纽厄尔和西蒙组成了第一个人工智能研究小组，有力地推动了人工智能的发展。从1967年开始出版不定期刊物《机器智能》，共出版了9集。从1970年开始出版期刊《人工智能》。从1969年开始每两年举行一次人工智能国际会议（IJCAI）。这些活动进一步促进了人工智能的发展。70年代以来微电子技术和微处理机的迅速发展，使人工智能和计算机技术结合起来。一方面在设计高级计算机时广泛应用人工智能的成果，另一方面又利用超级微处理机实现人工智能，大大地加速了人工智能的研究和应用。人工智能的基础是知识获取﹑表示技术和推理技术，常用的人工智能语言则是LISP语言和PROLOG语言，人工智能的研究领域涉及自然语言理解﹑自然语言生成﹑机器视觉﹑机器定理证明﹑自动程序设计﹑专家系统和智能机器人等方面。人工智能已发展成为系统和控制研究的前沿领域。
1977年E．A．费根鲍姆在第五届国际人工智能会议上提出了知识工程问题。知识工程是人工智能的一个分支，它的中心课题就是构造专家系统。1973—1975年费根鲍姆领导斯坦福大学的一个研究小组研制成功一个用于诊治血液传染病和脑膜炎的医疗专家系统MYCIN，能学习专家医生的知识，模仿医生的思维和诊断推理，给出可靠的诊治建议。1978年费根鲍姆等人研制成功水平很高的化学专家系统DENDRAL。1982年美国学者W．R．纳尔逊研制成功诊断和处理核反应堆事故的专家系统REACTOR。中国也已经研制成功中医专家系统和蚕育种专家系统。现在专家系统已应用在医学﹑机器故障诊断﹑飞行器设计﹑地质勘探﹑分子结构和信号处理等方面。
为了扩大计算机的应用，使计算机能直接接受和处理各种自然的模式信息，即语言﹑文字﹑图像﹑景物等，模式识别研究受到人们的重视。1956年，塞尔弗里奇等人研制出第一个字符识别程序，随后出现了字符识别系统和图像识别系统，并形成了以统计法和结构法为核心的模式识别理论，语音识别和自然语言理解的研究也取得了较大进展，为人和计算机的直接通信提供了新的接口。
60年代末到70年代初美国麻省理工学院﹑美国斯坦福大学和英国爱丁堡大学对机器人学进行了许多理论研究，注意到把人工智能的所有技术综合在一起，研制出智能机器人，如麻省理工学院和斯坦福大学的手眼装置﹑日立公司有视觉和触觉的机器人等。由于机器人在提高生产率，把人从危险﹑恶劣等工作条件下替换出来，扩大人类的活动范围等方面显示出极大的优越性，所以受到人们的重视。机器人技术发展很快，并得到越来越广泛的应用，并在工业生产﹑核电站设备检查﹑维修﹑海洋调查﹑水下石油开采﹑宇宙探测等方面大显身手，正在研究中的军用机器人也具有较大的潜在应用价值。关于机器人的设计﹑制造和应用的技术形成了机器人学。
总结人工智能研究的经验和教训，人们认识到，让机器求解问题必须使机器具有人类专家解决问题的那些知识，人工智能的实质应是如何把人的知识转移给机器的问题。1977年，费根鲍姆首倡专家系统和知识工程，于是以知识的获取﹑表示和运用为核心的知识工程发展起来。自70年代以来，人工智能学者已研制出用于医疗诊断﹑地质勘探﹑化学数据解释和结构解释﹑口语和图像理解﹑金融决策﹑军事指挥﹑大规模集成电路设计等各种专家系统。智能计算机﹑新型传感器﹑大规模集成电路的发展为高级自动化提供了新的控制方法和工具。
50年代以来，在探讨生物及人类的感觉和思维机制，并用机器进行模拟方面，取得一些进展，如自组织系统﹑神经元模型﹑神经元网络脑模型等，对自动化技术的发展有所启迪。同一时期发展起来的一般系统论﹑耗散结构理论﹑协同学和超循环理论等对自动化技术的发展提供了新理论和新方法。