自動化是機器設備或生產過程，在不需要人直接干預下，按預期的目標、目的或某種程序，經過邏輯推理、判斷，普遍地實行自動測量、操縱等信息處理和過程控制的統(tǒng)稱。自動化科學技術就是探索和研究實現(xiàn)這種自動化過程的理論、方法和技術手段的一門綜合性技術科學。通過對自動化學科的研究，使各種自動化技術工具可以在一定程度上代替人的部分體力勞動和腦力勞動，從而增強人類改造自然界的能力。

自動化作為一個現(xiàn)代技術科學領域，在實現(xiàn)社會科學化中得到蓬勃的發(fā)展，自動化技術在社會各行各業(yè)中的推廣應用，提高了產品的數(shù)量和質量，降低了成本和能源消耗，改善了勞動條件，促進了高新技術的發(fā)展，并使企業(yè)管理科學化和社會管理信息化。同時，在體現(xiàn)當今科學技術發(fā)展規(guī)律的機電一體化技術，和以電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)這兩個大的方面，自動化技術亦無可置疑地起著主力軍的作用。可以說，自動化技術已滲透到人類生產和社會生活的許多領域，自動化程度的高低，已經成為衡量一個國家科學技術和經濟發(fā)展水平的重要標志。

事實上，早在自動化技術科學形成之初，控制論的奠基人、美籍猶太學者維納(N.Wiener，1894～1964)等人就預見到自動化將給社會帶來一次新的工業(yè)革命。維納第一個把控制論引起的自動化同“第二次工業(yè)革命’’聯(lián)系起來，并提高到相當?shù)母叨葋碚J識。英國物理學家、科學史家貝爾納(J.D.Bernal，1901～1971)于1954年也曾說過：“我們有理由提到一次新的工業(yè)革命，因為我們引用了電子裝置所能提供的控制因素、判斷因素和精密因素，還有進行工業(yè)操作的速度大大增加了。巨型的自動化生產線，甚至完全自動化的工廠都有了……”。他還認為自動化的興起不僅是一次“新的工業(yè)革命”，而且“這場革命或許可以更公允地叫作第一次科學-技術革命”。

回顧自動化技術40多年的發(fā)展過程，就其理論基礎來說，大體經歷了經典控制理論、現(xiàn)代控制理論和大系統(tǒng)理論這三個階段。通常以1948年作為形成經典控制理論的起點，到1957年已發(fā)展成為一門獨立的學科，相繼產生了若干對分析實際控制系統(tǒng)卓有成效的方法，這一時期對系統(tǒng)采用的分析法，可以說主要是面向頻域的，即通常用傳遞函數(shù)來研究設計自動化系統(tǒng)，而主要的設計準則是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盡管這類分析方法直到70年代甚至現(xiàn)在還在被一些工程技術人員應用于生產過程自動化等場合，但由于在3個或4個自由度以上相互作用的情況下，采用這種方法建立起來的控制系統(tǒng)，在確定其穩(wěn)定性方面受到了限制，因而束縛了控制技術的發(fā)展。

人們在困惑中尋找出路，力求擺脫這種束縛?？刂乒ぷ髡哒J識上的一大飛躍，是改變過去那種只依據傳遞函數(shù)來考慮控制系統(tǒng)設計問題的概念，而過渡到從這些函數(shù)的基礎——微分方程來考慮的基本構想。這個過渡的最基本的概念之一是“狀態(tài)，，的概念，俄國力學家和數(shù)學家、穩(wěn)定性理論的創(chuàng)始人李雅普諾夫(1857～1918)等人，正是利用了狀態(tài)空間來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產生了用時域的一階微分方程對線性系統(tǒng)的描述，所得的結果與模擬計算和數(shù)字計算更一致。隨之，基于性能最優(yōu)化的一些準則及其概念亦第十八章自動化技術科學的形成和發(fā)展為更多的控制工作者所理解，并在實際應用中得到發(fā)展。在“狀態(tài)”、“最優(yōu)化”和“不確定性量化”等概念基礎上發(fā)展起來的控制技術，為1957年第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射及其后若干空間計劃的實施，提供了制導和信息傳輸?shù)仁侄?，這些應用對控制技術產生了持續(xù)推動，現(xiàn)代控制理論在這個過程中也就逐漸得以形成，從時間上來看，這一時期大體是從1957年到1965年。

從1965～1973年，現(xiàn)代控制理論在自動化技術中得到了更為廣泛的發(fā)展，并應用于控制技術的一系列子學科，特別是應用于航空航天方面，并因此相應產生了一些新的控制系統(tǒng)。諸如自適應和隨機控制，分布參數(shù)系統(tǒng)等等。

到70年代中期，科學技術的發(fā)展和社會的進步，需要控制工作者對許多工程的、經濟的、社會的若干大規(guī)模的、復雜的系統(tǒng)進行研究并實施控制。這些系統(tǒng)往往由于自身和外界的交互作用，而具有很強的不確定性，加之，由于一些系統(tǒng)實在太大，甚至涉及數(shù)以干計的可分狀態(tài)，因而結合大系統(tǒng)所具有的一些特性，需要進行大系統(tǒng)分析和大系統(tǒng)綜合。這就刺激了現(xiàn)代控制理論不得不向前發(fā)展，逐漸形成了大系統(tǒng)理論的雛形，成為第三代控制理論的一個重要內容。它著重研究大系統(tǒng)的結構方案、總體設計中的“分解，，方法和協(xié)調等問題。如實現(xiàn)分級多層系統(tǒng)的控制問題，或以分散控制理論指導實現(xiàn)分散控制。從而解決大系統(tǒng)的最優(yōu)設計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理。因此也可以說，大系統(tǒng)理論是系統(tǒng)工程學發(fā)展的一個新階段。作為系統(tǒng)工程應用的成功實例，美國阿波羅計劃的實現(xiàn)，推進了控制技術對當代科學和工程實踐的影響。

自動化技術是緊緊伴隨著生產過程自動化、軍事裝備的控制以及航空、航天事業(yè)的需要而迅速發(fā)展起來的。僅從作為現(xiàn)代控制技術的一個分支——制導技術來看，40多年前，法西斯德國向倫敦發(fā)射了約2000枚射程300公里的V-2火箭(采用原始的機電式制導系統(tǒng)，制導精度很低)，只有1230枚落入市區(qū)，而其中也只有約600枚散落在目標中心13公里的范圍之內。今天的射程10000公里的洲際導彈彈頭落點圓公差偏差在30米以內。今日自動化技術的迅速發(fā)展的確是值得稱道的。

一、自動化技術的形成

(一)自動裝置的雛形

自動化作為一個現(xiàn)代技術科學領域，是從本世紀40年代中期開始形成的。其實，自動機械的歷史，可以追溯到古代。早在3000多年前，我國就發(fā)明了“銅壺滴漏”的自動裝置。大約在2000年前，發(fā)明了自動記錄行程的“記里鼓車”和自動指示方向的“指南車”。東漢張衡(78～139)利用銅壺滴漏裝置制成了水力天文儀，北宋蘇頌又在此基礎增加了一個相當于自動調節(jié)器的天衡裝置，該裝置對銅壺滴漏中的受水壺作了改進，使得36個均勻分布的受水壺所盛之水均保持一定重量，從而使天衡裝置內的機構盡可能保持恒定的轉速，以提高水力天文儀的精度。用今天自動化的觀點來看，銅壺滴漏裝置屬于自動檢測或參數(shù)恒定系統(tǒng);指南車是自動定向系統(tǒng);天衡裝置則是個自動調節(jié)器;而張蘅利用齒輪系、桿、凸輪傳動機構，完成一系列的順序動作，來自動表示水力天文儀上的每個月的日期，則屬于程序控制的范疇。

18世紀中葉蒸汽機問世后，蒸汽機的控制問題成為其推廣應用的關鍵。1784年英國瓦特(J.Watt，1736～1819)采用了能自動調節(jié)蒸汽機速度的離心式調速器，才使蒸汽機成為安全實用的動力裝置，得到了廣泛的應用，1829年法國數(shù)學家蓬斯萊(J.Poncelet，1788～1838)制造了一種按擾動調節(jié)原理工作的蒸汽機轉速調節(jié)器。1874年俄國工程師契柯列夫提出并在實際上應用了作為現(xiàn)代電機自動調節(jié)基礎的調整方法，開始應用了按調節(jié)量偏差和按擾動進行調節(jié)的原理。與此同時，麥克斯韋在離心式調速器應用了幾十年的基礎上，總結出調速器的一些理論。由于對蒸汽機控制的實踐，1877年英國的勞斯(E.J.Routh，1831～1907)和德國的赫爾維茨(Hurwitz)提出了至今還在沿用的系統(tǒng)穩(wěn)定性判據。他們方法的優(yōu)點是，只需根據系統(tǒng)的特征方程式的系數(shù)，應用代數(shù)方法就能判別自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必求出其特征根。人們依照判據，能夠大體定量地知道調節(jié)參數(shù)的變化，在什么條件下系統(tǒng)是穩(wěn)定的，為設計較為穩(wěn)定可靠的自動調節(jié)器提供了依據。這是當時能事先判定調節(jié)器及自動調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要判據。

至此，自動裝置隨著生產的需要，初步積累了一些設計、應用的經驗，也逐步建立了一

些自動化技術的理論基礎，孕育著控制技術的迅速發(fā)展。

(二)自動調節(jié)裝置的穩(wěn)定性

20世紀自動控制技術得到了飛速發(fā)展，并開始形成一個現(xiàn)代科學技術領域。通常，設計控制系統(tǒng)的首要要求就是穩(wěn)定性，要求系統(tǒng)在各種不利因素的影響下能保持預定的工作狀態(tài)。繼勞斯和赫爾維茨提出了穩(wěn)定性判據之后，李雅普諾夫在力學中廣泛研究了運動的穩(wěn)定性問題，所提出的理論和方法，指導了近半個世紀控制系統(tǒng)特別是非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，至今未失其作用。李雅普諾夫1892年提出的穩(wěn)定性定義，不僅反映了客觀存在著的大量實際問題的共同特點，而且可以把一個定性問題轉變?yōu)橐粋€定量分析問題去研究，特別是對那些不可能用分析方法求解的非線性方程或線性變系數(shù)方程描述的調節(jié)系統(tǒng)，有著重要意義。在上述理論與應用的基礎上，1923年英國希維賽德(O.Heaviside，1850～1925)為了簡化控制系統(tǒng)的分析與設計，提出了算子法。瑞典的尼魁斯特(H.Nyquist，1889～1976)于1932年研制了電子管振蕩器，提出以傳遞函數(shù)為依據的穩(wěn)定性判別準則。由于組成控制系統(tǒng)的各個部件的頻率特性的數(shù)據通?？捎脤嶒灧椒▉泶_定，因而形成尼氏法的一大優(yōu)點。1938年，蘇聯(lián)的米哈依洛夫第一個應用頻率法來研究調節(jié)器的穩(wěn)定性，提供了以應用柯西幅角原理為基礎的線性自動調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據，把自動調節(jié)系統(tǒng)環(huán)節(jié)按動態(tài)特性加以典型化作為進行結構分析的基礎。1948年，美國的伊文思(w.R.Evans)提出了一種找特征方程的根的簡單圖解方法，即所謂“根軌跡法”，這是一個研究特征方程的根與系統(tǒng)中某一參數(shù)關系的圖解方法，彌補了上述尼氏法不能確定系統(tǒng)可以穩(wěn)定到何種程度的缺點，特別適用于迅速獲知系統(tǒng)的響應，并可使設計者能夠了解滿足系統(tǒng)性能指標可以達到何種程度的近似結果。從而使根軌跡法和頻率響應法一道，成為構成經典控制理論的兩大支柱。特別是70年代以后，隨著電子計算機的廣泛應用，建立了用計算機對根軌跡的輔助制圖的算法和程序，對直至90年代初的從事控制系統(tǒng)分析和設計人員，提供了一種簡捷而準確的手段。1945年美國伯德(H.W.Bode，1905～)總結了負反饋放大器原理，出版了《網絡分析和反饋放大器設計》一書，利用對數(shù)1率特性，形成了尼魁斯特-伯德法。這種對數(shù)頻率響應穩(wěn)定判據，由于頻率響應的幅值對數(shù)圖和相角圖易于繪制，從而使這種穩(wěn)定性判據得到更廣泛的應用。至此，解決自動調節(jié)裝置及系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題基本獲得解決。

(三)自動化學科初步形成

第二次世界大戰(zhàn)中，對火炮、雷達、戰(zhàn)斗機等設計和生產的需要，促使更多的工程師、學者投入軍事工程的研究，在總結以往自動調節(jié)器、反饋放大器等控制技術的基礎上，逐漸形成了調節(jié)原理、伺服系統(tǒng)理論，并以此為指導，生產了戰(zhàn)時所需的具有高精度、快速響應的伺服機構的武器裝備。戰(zhàn)后陸續(xù)公開了這些理論并推廣應用于一般工業(yè)生產。如，由美國麻省理工學院物理學家詹姆斯(H.M.James，1908～)、工程帥尼克爾斯(N.B.Nichols)和數(shù)學家菲利浦(R.S.Philips)于1947年出版的《伺服機構原理》一書，系統(tǒng)總結了戰(zhàn)時共同研究的成果，從而促進了向民用工業(yè)的移植。在實現(xiàn)生產過程自動化的進程中，除需要了解被控對象的特性外，往往也需要了解人在控制生產過程中的作用，以便有所借鑒，研制出具有相應作用的自動檢測儀表、自動調節(jié)裝置和執(zhí)行機構，從而模仿或代替人的視覺、思維判斷以及手和腳的若干功能，以自動控制取代人工控制。此外，由于一些自動化系統(tǒng)還需要人參與操縱、調度、管理，對于這種人一機系統(tǒng)，既要研究人，又要研究機器，特別是要研究人和機器的信息交換和控制過程，而且要研究自動機器與生物機體之間存在著的共同規(guī)律，因而一門以數(shù)學為紐帶，把研究自動控制、通訊、計算技術等工程技術與生物科學中神經系統(tǒng)的生理和病理等學科共同關心的共性問題，提煉出來而形成的邊緣學科——控制論誕生了。其標志是1949年出版的維納的《控制論》(Cybernetics)，該書揭示了機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規(guī)律。與此同時，美國應用數(shù)學家，當時在貝爾實驗室工作的香農(C.E.Shannon，1916～)發(fā)表了《通訊的數(shù)學理論》，宣告了信息論的誕生。這也主要是由于第二次世界大戰(zhàn)后，一部分數(shù)學工作者和電子學工作者，總結了多年來通訊系統(tǒng)的豐富實踐和二次大戰(zhàn)中得到迅速發(fā)展的雷達系統(tǒng)的實踐，加以提高而創(chuàng)立的一門研究各種信息傳輸系統(tǒng)共同規(guī)律的學科，它的高度概括性和聯(lián)系多種學科的廣泛性，對自動控制理論的形成，起了有力的促進作用。在上述成果和其他有關理論基礎上，經典控制理論漸趨成熟，它大大促進了自動化技術的發(fā)展，至此.逐漸形成了自動化學科。

二、局部自動化

(一)單一過程的局部自動化(單機自動化)

早在19世紀前半葉，在機械加工上，車、磨、鉆、銑、刨、鍛等加工方法均已出現(xiàn)，生產機械化初步形成。到19世紀后期，開始出現(xiàn)了第一批自動車床，單機自動化也就開始萌芽。到了20世紀50年代初，由于批量生產的需要，以及經典控制理論的指導，單一生產過程自動化、自動生產線等局部自動化也就應運而生，把人從單調的、繁重的和受機器運轉制約的手工操作以生產零部件的狀態(tài)中解放出來。50年代數(shù)控技術的發(fā)展，可以美國麻省理工學院研制出來的第一臺數(shù)控裝置的“加工中心”為代表，它是小批量和中批量生產自動化的關鍵，對當時的飛機制造工業(yè)起到了很大的推動作用。

在工業(yè)生產過程中亦已廣泛應用PID(比例、積分、微分)調節(jié)器，對被調量與給定值的偏差，分別或同時按照比例、積分、微分作用的調節(jié)規(guī)律來控制工業(yè)對象。當時，大部分PID調節(jié)器是電動或機電式，也有一些是氣動或液壓式，因而在結構上顯得相當復雜，如通常的控制裝置一般分裝為兩個機柜，一個機柜裝各種PID調節(jié)器，另一個機柜則裝有許多繼電器和接觸器，實現(xiàn)控制中的起動、停止、聯(lián)鎖和保護等功能，這種調節(jié)裝置的控制速度和控制精度一般都不太高，可靠性也不很理想，但確起到了其歷史作用，直到90年代初在一些老的工廠老的設備中，仍然還可看到這種模擬式的調節(jié)器在起作用。到1958年才引入第一代電子控制系統(tǒng)，并用模擬電子計算機來研究和實現(xiàn)這種調節(jié)器的功能。在工業(yè)控制中也開始應用由繼電器構成的邏輯控制器，出現(xiàn)了程序控制。同時，用計算機進行機器零件的計算、數(shù)控程序的設計亦得到發(fā)展，即現(xiàn)今通常所說的計算機輔助設計CAD開始萌芽。這一時期由于數(shù)字控制和數(shù)據處理技術的發(fā)展，使機械制造業(yè)的結構發(fā)生了很大的變化。

(二)自動調節(jié)系統(tǒng)與經典控制理論

從40年代末到50年代，自動化的理論基礎是“經典控制理論”，集中反映在自動調節(jié)原理方面。經典控制理論的命名，是相對于“現(xiàn)代控制理論”而言的。它是以反饋為核心，把具有單一輸入和單一輸出的線性自動調節(jié)系統(tǒng)作為主要研究對象，研究的主要內容是自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;所采用的數(shù)學模型則以傳遞函數(shù)描述，分析、綜合調節(jié)系統(tǒng)的主要方法是頻域法(即頻率響應法);所能達到的目的，基本是實現(xiàn)局部自動化。這一理論的形成、發(fā)展與廣泛應用的時間，大體在1948年到1957年。

對于控制對象是單輸入一單輸出的線性自動調節(jié)系統(tǒng)來說，按其控制作用的特點，大體有以下三種類型：其一是自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)，其控制作用的目的是使控制對象保持恒定值，亦稱之為定值控制系統(tǒng)。其二為順序調節(jié)系統(tǒng)，或程序控制系統(tǒng)，控制作用的目的是使控制對象按給定的時間函數(shù)工作，如飛機的著陸期間滿足給定的高度變化規(guī)律，機床按一條已知輪廓的程序加工零件等。其三是伺服系統(tǒng)，或叫隨動系統(tǒng)，其控制作用的變化事先不能準確地確定，而取決于系統(tǒng)之外進行著的過程，如天文望遠鏡的導星系統(tǒng)等。

那么，設計一個被控對象的線性自動調節(jié)系統(tǒng)，就需要促進基礎理論和實現(xiàn)手段與方法的發(fā)展，了解理論和應用之間存在著什么樣的依存關系，弄清這些問題，對了解經典控制理論的發(fā)展過程會是有益的。

通常，從事自動化技術工作的人員，在得到給定任務的技術要求或性能指標后，首先要了解給定控制對象的動態(tài)特性以及可能采用的元、部件的特性和設計參數(shù)，然后對系統(tǒng)進行初步的分析或綜合。為此，就要建立起以傳遞函數(shù)表示的數(shù)學模型，這就將實際的物理對象抽象為數(shù)學問題，而不管該系統(tǒng)是機械的，電的，或是氣動、液壓的，甚至是上述的混合體。用系統(tǒng)的方法進行設計，或是在計算裝置上進行模擬，或是將系統(tǒng)的線性微分方程，用拉氏變換法轉換成復變數(shù)的代數(shù)方程進行計算，以求得數(shù)學解，并同時對各種信號和擾動作用下的響應進行測試或試算。由于設計系統(tǒng)時曾給予一定的假設條件或含有非第十八章自動化技術科學的形成和發(fā)展線性的因素，一般需經過若干次的試探法的演算，才能獲得較為滿意的系統(tǒng)參數(shù)，然后再依此建立起實際的物理系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)實驗，檢驗其所能達到的技術要求或性能指標，最后進行適當?shù)男薷?、校正，完成系統(tǒng)設計的全過程。可以看出，控制理論在與應用的結合中，顯示了它作為主要研究系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律，以及改變這種運動規(guī)律的方法和可能性的作用。

對于一些簡單的自動化系統(tǒng)，盡管在應用自動調節(jié)技術的初期(50年代初)曾經采用了一些開環(huán)控制以及簡易自動化裝置，由于其控制簡單，投資少，收效快，甚至到90年代初在一些要求不太高的場合還被采用。但是，這個時期的自動化，主要以引進反饋概念為其特征，如圖18—1中虛線所示，形成閉環(huán)系統(tǒng)，即所謂反饋控制，該系統(tǒng)依據輸入的控制指令，通過控制器控制被控對象，然后將控制結果的信息再返回來饋送給控制器，經過控制器與原給定值的比較(分析)，再對被控對象實施控制，如此反復循環(huán)，以達到或接近所要求的控制目的。這種反饋閉環(huán)控制可以克服被控制對象的特性變化和各種干擾因素所帶來的誤差，改善系統(tǒng)的品質，縮短控制的過渡過程時間，提高靜態(tài)和動態(tài)精度等。驅動雷達天線跟蹤移動目標的伺服系統(tǒng)就是一個典型的實例。在生產上，這種方式多用于連續(xù)生產過程的自動化。由于石油、化工、冶金等生產過程，其處理對象大都是流體或連續(xù)生產過程，工藝比較穩(wěn)定，傳輸、控制比較容易，因而在這些部門，生產過程的自動化進展就較快。

如前所述，用經典控制理論對控制系統(tǒng)的分析和綜合的核心是采用頻域法，其中包含主要用于線性系統(tǒng)的對數(shù)頻率法、根軌跡法，以及用于非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法等，研究的內容主要是穩(wěn)定性和動態(tài)品質問題。

所謂頻域法，是指用傳遞函數(shù)來研究設計自動化系統(tǒng)。傳遞函數(shù)概念的產生與電工學有密切關系，且在線性電路的分析上得到了廣泛的應用。但在一個較長時期內，在自動化技術領域中，常常把以多項式代數(shù)和拉氏變換為基礎的傳遞函數(shù)方法，作為控制理論的研究和實際自動化系統(tǒng)設計工作中的一個主要方法。這一時期自動化系統(tǒng)的運算等工作，一般通過模擬計算裝置來實現(xiàn)，由于模擬計算裝置在性能上有一定局限性，所以盡管在設計系統(tǒng)時已盡量考慮得合理，依據運算結果也確定了所需的參數(shù)，但實際調試系統(tǒng)時，往往也只能作為似的參考值，仍需靠富有實踐經驗的人員在現(xiàn)場反復試湊。加上應用調節(jié)原理進行系統(tǒng)設計，通常/適用于對某些單輸入一單輸出的線性系統(tǒng)進行分析，而對于多輸入一多輸出的系統(tǒng)，以及隨時間變化的時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等，則顯得無能為力。勉力為然后再之，則必須加以若干假設條件的限制，這就不能不影響到控制系統(tǒng)的設計效果，從而也就需要尋找能適應這類控制對象的控制理論和設計手段。

進入50年代以后，經典控制理論有了許多新的發(fā)展。1951年蘇聯(lián)科學家齊普金提出了脈沖系統(tǒng)(一種離散時間系統(tǒng))的分析和設計方法。1952年美國哥倫比亞大學教授拉加齊尼(J.R.Ragazzini)領導的一個小組詳細研究了采樣系統(tǒng)(一種離散時間系統(tǒng))的分析和設計方法。與此同時，一些歷史上早已提出的問題又得到了新的研究。如1938年香農等人提出的邏輯控制，1943年蘇聯(lián)沃茲涅先斯基提出的協(xié)調控制，1941年蘇聯(lián)數(shù)學家柯爾莫戈羅夫和美國數(shù)學家維納分別獨立研究出來的最優(yōu)線性濾波器，1951年美籍中國科學家李耀滋(1914～)等人提出的自尋最優(yōu)控制，1952年美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾伊曼提出的冗余技術，以及1952年英國精神病醫(yī)生阿什比(w.R.Ashby)提出的自鎮(zhèn)定和自適應等概念，逐漸滲入到控制理論的研究中來。高速飛行、核反應堆、大電力網和大化工廠提出的新的控制問題，促使一些科學家對非線性系統(tǒng)、繼電系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)和有隨機輸入的系統(tǒng)的控制問題進行了深入的研究。經典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰(zhàn)中軍事技術上的需要和戰(zhàn)后工業(yè)發(fā)展上的需要。但是到了50年代末就發(fā)現(xiàn)把經典控制理論的方法推廣到多變量系統(tǒng)時會得出錯誤的結論。經典控制理論的方法顯示出了一定的局限性。

(三)初步形成自動化技術工具的體系

在某種意義上講，實現(xiàn)自動化就是把人對生產過程的測量、控制作用，轉移到自動化儀表、裝置上去，因而研究、設計各種自動化儀表、裝置，就成為自動化技術科學的一個重要任務。尤其就現(xiàn)代的工業(yè)來說，生產裝置本身就是非常復雜的系統(tǒng)，具有相互關聯(lián)的特點，需要協(xié)調動作和控制。對于生產對象或過程特性的變量多、速度快、范圍大和不確定性增加等情況，依靠人的直接參加進行控制幾乎是不可能的，而且有些生產本身是對人有危害的。因此，不廣泛采用自動化儀表裝置，要想使工業(yè)生產迅速發(fā)展，工藝過程強化，生產對象擴大，確實是不可思議的。

最初的儀表大多屬于機械式的測量儀表，如離心式轉速表等，此時的自動化儀表一般只作為主機的附屬部件，結構簡單，功能單一。后來發(fā)展到氣動式和電子式的單元組合式儀表，每個單元都具有一定的特定功能，可以按測量、控制要求進行任意組合，如系列化的DDZ型電動單元組合儀表就是屬于這一類。從傳感器、變送器來說，60年代主要采用結構型傳感器，大都通過機構部分的位移或作用力，產生電阻、電感、電容、氣隙等的變化，從而檢測出被測信號，這是至今仍是應用得較多的一類傳感器。從顯示技術來說，40年代到50年代，以模擬指示和記錄為主，進行單參數(shù)顯示，儀表盤通常設在生產裝置處，由操作者巡回監(jiān)視。到了60年代，則以模擬指示和記錄、數(shù)字顯示和打印為主，顯示特征為多參數(shù)顯示和報警發(fā)訊數(shù)據及打印記錄。此時的儀表盤一般集中安裝，集中管理，并相應配置模擬流程圖表盤。

這一時期主要是解決自動化儀表從無到有以及達到基本性能要求的問題，如自動化儀表在性能方面，主要解決測量范圍、精確度、線性度、分辨率、滯環(huán)和死區(qū)、重復性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性、靈敏度、時滯和響應時間等問題，在形式與功能方面主要采用靜態(tài)和接觸的方式對熱工參量、電工參量和單參數(shù)的模擬量進行測量，并可適當?shù)倪M行數(shù)字測量。在控制方式上，從20世紀初的開關控制發(fā)展到比例控制，然后是積分控制，到40年代發(fā)展到微分控制，利用這一類簡單的反饋技術，形成為一整套自動化調節(jié)過程的通用控制方式，即通常以比例一積分一微分(PID)調節(jié)器為中心，按偏差調節(jié)。

三綜合自動化

到了20世紀60年代，大量的工程實踐，特別是空間技術等方面的實踐，提出了一些新的控制問題：如控制對象是距離很遠的高速飛行體;控制對象的特性隨時間急劇變化，要求較嚴格的數(shù)學描述;控制通道是多路的;以及要求精度高、地面裝置大而復雜等。顯然，對待這樣的一些控制對象，必須發(fā)展新的控制理論和方法。

關于這方面的早期成就，我國科學家錢學森結合其從事火箭控制方面的工作，系統(tǒng)總結了當時工程控制理論與技術方面的成果，指出工程控制領域中的重要課題及發(fā)展方向，使控制論的基本原理成功地應用于工程技術領域，從而成為工程控制論的奠基者。50年代后期到60年代前期，在工程控制系統(tǒng)設計方面，發(fā)展了多變量控制理論、最優(yōu)控制理論、自適應控制理論，研究了自學習、自組織系統(tǒng)。在工程控制技術方面，促進了電子計算機在國防及國民經濟部門的廣泛采用，促使生產過程自動化向多機、機組自動化以及綜合自動化發(fā)展。

一最優(yōu)控制與現(xiàn)代控制理論

50年代末，60年代初，在大量工程實踐基礎上逐漸形成了第二代控制理論，或稱現(xiàn)代控制理論。一般認為，它是由匈牙利出生的美國學者卡爾曼(R.E.Kalman，1930～)奠定的。他在控制論創(chuàng)始人維納工作的基礎上，引進了數(shù)字計算方法中的“校正”概念，吸取了50年代“最優(yōu)化”的研究成果，于1960年國際自動控制聯(lián)合會第一屆大會上發(fā)表了《控制系統(tǒng)的一般理論》，以及相繼發(fā)表的《線性估計和辨識問題的新結果》，對于控制系統(tǒng)的屬性及其關聯(lián)作用，提供了更深入的認識，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。

第一代控制理論的經典控制理論主要是使用頻域法來研究單輸入一單輸出的自動調節(jié)系統(tǒng)，第二代控制理論則發(fā)展到用狀態(tài)空間法或時域法解決多輸入一多輸出、最優(yōu)化及時變系統(tǒng)的分析和綜合等問題。第二代控制理論大體包括：多變量控制、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)估計和最優(yōu)控制等主要內容及自適應控制等問題。盡管50年代即已提出“最優(yōu)化”的概念，并試圖對被控對象實施最優(yōu)控制，但由于理論上還不夠成熟和限于當時的技術裝備水平，最優(yōu)控制并未能真正實現(xiàn)。直到1960年前后，“狀態(tài)空間”的概念和方法才得到發(fā)展并獲得許多重要的數(shù)學結果，如發(fā)展了極大值原理、動態(tài)規(guī)劃方法、矩量理論方法、函數(shù)空間方法等，并以不同形式給出了最優(yōu)控制所必須滿足的必要或充分條件，推出了最優(yōu)控制的許多定性性質。這些理論、方法和在實際工程上的應用，成為60年代自動控制領域熱門的課題。

對一個實際的控制對象，要實現(xiàn)最優(yōu)控制，通常要依據控制系統(tǒng)的狀態(tài)或輸出情況進行反饋，找到最優(yōu)的控制規(guī)律，對系統(tǒng)的某些性能指標取極小(或極大)值，實現(xiàn)最優(yōu)控制過程。例如，為了使航天飛機的有效載荷(即航天飛機扣除自身的支承結構、通訊設備、能源設備及有關控制裝置等的重量以后的實際運載量)達到極大，就必須按推進劑消耗量最小的原則來選擇推力程序和使命設計，以便進行其他部件的最優(yōu)設計，達到總體最優(yōu)化。最優(yōu)控制在導彈方面的應用，其性能指標通?？梢允侨剂舷牧孔钚　⒚摪辛孔钚?、時間最短等。至于民用控制系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往以考慮經濟效益為主，如原材料消耗最小、成本最低、實際利潤最大等。但是，要找到一個控制對象的最優(yōu)控制規(guī)律不是輕而易舉的，首先就得了解控制對象的特性，建立以數(shù)學關系式描述的數(shù)學模型。但很多人工的或自然的復雜系統(tǒng)不可能或者不完全可能運用傳統(tǒng)的力學、物理學等的基本規(guī)律給出其中現(xiàn)象的數(shù)學描述，而只能從“黑箱”觀點出發(fā)，用實驗方法，根據實驗和運行數(shù)據，估算出控制對象的數(shù)學模型及其參數(shù)，然后才能對這類復雜系統(tǒng)進行定性定量的研究，這就是系統(tǒng)辨識所用的方法。系統(tǒng)辨識是實現(xiàn)復雜的工業(yè)控制的必要前提。一些控制系統(tǒng)雖經控制工作者針對特定條件作了精心的設計，可是環(huán)境條件一旦發(fā)生變化，控制品質可能會大大降低，甚至嚴重到完全不能工作，這就進一步要求所設計的系統(tǒng)能夠隨著外界條件的變化，自動地調整自身結構或參數(shù)，以保持該系統(tǒng)達到滿意的控制品質，到50年代出現(xiàn)一些極值控制系統(tǒng)，或叫自尋最優(yōu)點系統(tǒng)，以及條件反饋系統(tǒng)等。目前，系統(tǒng)辨識已經發(fā)展成為現(xiàn)代控制理論中一個獨立而重要的分支，除已用于冶金、化工等工業(yè)生產外，亦已用于醫(yī)學以及飛行體氣動力學參數(shù)的辨識。通過系統(tǒng)辨識建立飛行物體與艦船運動的簡化模型等項工作，已超出工業(yè)自動控制范圍，成為向多方面科學技術研究移植應用的一個良好開端。在數(shù)學模型已經建立的基礎上，利用統(tǒng)計方法對系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據的量測，對系統(tǒng)的未來“狀態(tài)”進行估計這就是所謂最優(yōu)估計。如利用所謂“卡爾曼濾波”，有時能夠從帶有噪聲的量測數(shù)據，有效地實時估計出系統(tǒng)的狀態(tài)，為實施最優(yōu)控制提供必要的條件。

1960年前后，控制工作者發(fā)現(xiàn)傳遞函數(shù)法對于多變量系統(tǒng)往往只能反映系統(tǒng)的輸入-輸出之間的外部關系，而具有相同傳遞函數(shù)矩陣的若干系統(tǒng)可以有完全不同的內在結構。這就要求要有不同的設計原則，從而提出了“結構不確定原理”。卡爾曼等人在此基礎上進行了更深入的研究并建立了“可控性”和“可觀測性”的理論，這是我們對于控制系統(tǒng)認識深化的一個標志。如果某些系統(tǒng)的狀態(tài)變量或其組合，在一定條件下可以受控制變量的影響，則稱這類系統(tǒng)具有“可控性”，因而對該系統(tǒng)有可能實施最優(yōu)控制。為此，知道該系統(tǒng)在什么條件下是可控的，是十分重要的。反之，如果系統(tǒng)的狀態(tài)變量完全不受控制變量影響，也就談不上什么最優(yōu)控制了。同時，由于最優(yōu)控制需取得狀態(tài)的反饋信息，以便對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)控制，就必須能從觀測值(一般指輸出量)中獲得關于系統(tǒng)狀態(tài)的信息，即“可觀測性”。否則，同樣不能實施最優(yōu)控制。

60年代中期，現(xiàn)代控制理論初步形成。之后的十幾年，最優(yōu)控制的問題受到很大重視。這主要是由于人們對高質量控制的需求和在控制系統(tǒng)中更有效地使用計算機所導致的必然結果。人們常用第二代控制理論的這些手段進行系統(tǒng)設計，大大改善了系統(tǒng)的精度及技術經濟指標。除應用于航空、航天、航海等部門外，在冶金、石油、化工、交通運輸?shù)炔块T也得到廣泛應用。

二、多機和機組自動化向綜合自動化過渡

從生產過程自動化的角度來看，60年代中期已經從單參數(shù)自動調節(jié)(如溫度、壓力、流量等)或控制某一工藝參數(shù)的單機和局部自動化，發(fā)展到多參數(shù)最優(yōu)控制，實現(xiàn)了多機和機組自動化，并開始向綜合自動化過渡。

60年代由于光、電、熱和輻射線等物理效應在工業(yè)上的應用逐步形成了非電量的電測法和自動記錄儀表，研制出由檢測到記錄的自動測量系統(tǒng)，已可以應用各種獨立的元件來設計一個特定測量功能的裝置，可以實現(xiàn)按系統(tǒng)設計要求進行選配組裝，以提供成套的裝置。在測量方法上，到70年代已可進行二維的圖形測量和實現(xiàn)三維的物體識別。由于集成電路的出現(xiàn)，可以更好地研制與生產可編程序控制器、小型工業(yè)控制用專用計算機、光筆與字符顯示終端和自動繪圖機等計算機外部設備，實現(xiàn)了計算機輔助設計和輔助制造，研制和生產了簡易型和重復型工業(yè)機器人。為了實現(xiàn)綜合自動化，要求自動化元器件、控制設備等的性能進一步提高，因而提出了提高可靠性、經濟性和使用壽命等的要求。如自動化儀表應滿足使用環(huán)境的要求，以及能承受測量對象的條件變化而引起對穩(wěn)定性的影響，還需具有靈巧性、擴充性、互換性、經濟性和降低儀表故障率等。在傳感器和變送器方面，70年代已可利用某些材料的物理性質變化，發(fā)展了可實現(xiàn)參數(shù)測量的傳感器，如熱敏、光敏、磁敏、壓敏、氣敏、濕敏、輻射轉換和電光轉換等類型傳感器。到80年代初，已逐漸發(fā)展出配有微處理器的智能型傳感器，配在機器人上，使之具有“五官”的功能。顯示技術已可進行字符圖形顯示、大屏幕顯示以及進一步實現(xiàn)智能式CRT顯示終端。顯示特征分為全部參數(shù)集中顯示和趨勢顯示，操作者可通過鍵盤實施人一機直接對話等。在控制器方面，已由模擬式PID調節(jié)器發(fā)展到直接數(shù)字控制儀，以及以數(shù)字計算機為基礎的數(shù)字式控制裝置。60年代末開始出現(xiàn)的可編程序控制器(PLC)，由于集計算機和工業(yè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)點于一身，具有很強的生產現(xiàn)場適應能力。又由于采用了淺顯易懂的繼電器邏輯語言為軟件編程的基礎，因而在80年代應用十分廣泛，每年約以30%的增長速度發(fā)展。進入90年代已趨于將中央處理單元(CPU)和輸入/輸出單元(I/O)作成一體形結構，全體作成平板薄形，以追求低價和便于安裝于受控機器的內部。由于PLC的廣泛適用性，一些國家PLC的產值達到全部工業(yè)控制用產品銷售額的1/10，甚至將發(fā)展應用PLC作為國策之一，與工業(yè)機器人一起成為國家的戰(zhàn)略性產品。特別是由于微處理器和高集成度的半導體存貯器的出現(xiàn)，綜合自動化的控制任務，不再是只由一臺高效能的計算機處理，而是將控制任務分散開來，分配到數(shù)臺微處理器上，再將它們聯(lián)接起來，形成一個多處理機系統(tǒng)型的綜合控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有通用性和靈活性，可以適應各種不同自動化水平的要求，也可以經濟地構成大、小規(guī)模不等的系統(tǒng)。

1975年底方始推出的分布式控制系統(tǒng)(DCS)或稱集散控制系統(tǒng)，到80年代得到了迅猛發(fā)展，并成為90年代工業(yè)過程控制的主流和發(fā)展方向。其特點是“過程控制分散，信息管理集中”，表現(xiàn)了遞階控制的思想，整個系統(tǒng)由基本控制回路和上位控制管理計算機兩級構成，并可向更上一級計算機通信。由于采用了分布式結構形式和冗余技術，提高了系統(tǒng)長期運行能力和可靠性。

90年代正在發(fā)展中的工業(yè)過程控制系統(tǒng)結構稱之為網絡控制，其特點是將最下位的現(xiàn)場傳感器、調節(jié)器、執(zhí)行器和可編程序控制器、過程控制站、管理操作站均納入系統(tǒng)，且引入MAP(美國制造商自動化協(xié)議，國際通用的工廠自動化協(xié)議標準之一)協(xié)議標準和現(xiàn)場總線概念，形成一個全分布式的計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化。

電子計算機是實現(xiàn)綜合自動化的關鍵設備。它具有進行最普遍意義的信息自動化處理的能力，同時由于工業(yè)控制機和微型機性能價格比的提高和高達數(shù)千小時的無故障時間，為控制理論與應用的結合提供了優(yōu)越的條件，并擴大了自動控制的應用范圍。首先，由于數(shù)字計算機有著計算精確的特點，有利于和數(shù)字化傳感器和數(shù)字化執(zhí)行機構結合，使工業(yè)生產過程的精密控制成為可能;其次，由于數(shù)字計算機具有很強的計算能力，可以實現(xiàn)依據生產過程運行狀況的改變而自動改變控制參數(shù)，并能計算出生產過程的發(fā)展趨勢，從而預先確定要調整的操作條件，實現(xiàn)對復雜的工業(yè)生產過程的自動控制;第三，更由于使用計算機不僅能對生產過程進行最優(yōu)控制，而且可以對敏感器件、執(zhí)行機構和包括計算機本身在內的全部生產設備進行監(jiān)督控制，使得實現(xiàn)整個企業(yè)和企業(yè)體系生產過程的綜合自動化具有可能性和現(xiàn)實性。到了80年代，計算機圖形技術有了飛速發(fā)展。進入90年代，多媒體技術成為計算機和自動化領域的熱點，1992年多媒體技術已達到商品化、實用化階段，銷售額已達50億美元。其最主要的特點之一是集成化，是計算機、控制、通訊、網絡和軟件等多種技術的綜合，有機地組合數(shù)值、文字、聲音、圖形、圖像等信息載體與使用計算機的人進W勻歡曰?，綋Q恍畔ⅲ凳┘撲慊刂?、更好地实蠐簇制系统中的信息磱zⅰ⒋懟⒋?、控制、管理等手段提供翑\行У募際躉　?梢運擔撲慊囊?，使走h際醯姆⒄鉤魷至艘桓齜稍盡?SPAN lang=EN-US>

現(xiàn)代化的大工業(yè)生產，系統(tǒng)龐大而復雜，單純靠儀表、巡回檢測和反饋控制等局部自動化已不能適應需要，也就逐漸創(chuàng)建了如圖所示的由組織管理與過程控制相結合的多級計算機控制的大規(guī)模自動化系統(tǒng)，從而逐步走上了綜合自動化的發(fā)展道路。1975年前后，已經研制出新型綜合控制系統(tǒng)裝置，這個裝置將通用計算機、工業(yè)控制機、微處理機、通訊技術與常規(guī)儀表等綜合成一套通用性大、操作集中，顯示醒目和具有多種功能的最佳控制系統(tǒng);以及采用包括快速數(shù)據通道、操作顯示和過程控制等具有成套硬件和軟件的組合式標準組件。根據冶金、電力、化工、輕工等部門的需要，可以組成從簡到繁，可逐步擴充功能的計算機控制系統(tǒng)。

這個系統(tǒng)實際上是80年代得到迅速發(fā)展的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的一個雛形。CIMS是管理工程、控制工程、計算機工程、電子工程和機械工程等多學科的交叉、多種技術的集成和滲透形成的，是實現(xiàn)綜合自動化的基本模式，也是21世紀的“未來產業(yè)基本模式”。CIMS在1991年世界范圍內的銷售額就已達700億美元。CIMS從用戶訂貨單開始，輸入產品需要的有關信息，從產品初始構思、設計、制造、檢驗、管理、經營均有機聯(lián)系的一個高技術綜合生產控制系統(tǒng)。它將工廠控制系統(tǒng)與企業(yè)行政事務管理信息集成在一起，在企業(yè)內部完成自動化作業(yè)的全過程。它采用層次式的控制結構，將管理信息系統(tǒng)(MIS)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工程(CAE)等功能集于一身，采用MAP作為通訊網絡并與遠程網絡相連。因此，CIMS的發(fā)展已使綜合自動化成為現(xiàn)實。

圖：計算機四級管理系統(tǒng)框圖

三、遙測遙控向遙技術發(fā)展

遙測遙控系統(tǒng)是利用遙測技術實現(xiàn)遠距離測量、控制和監(jiān)視的系統(tǒng)，是自動化技術科學的一個重要分支，它是在自動控制、傳感技術、微電子技術、計算機技術和現(xiàn)代通信技術的基礎上不斷完善和發(fā)展起來的。凡是距離遙遠、對象分散或難以接近的系統(tǒng)，均可采用遙測遙控實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，這已在無人駕駛飛機、人造衛(wèi)星、導彈、空中交通管制、鐵路調度、核工業(yè)、電力系統(tǒng)、地震預報臺網、輸油和輸氣管線等軍事和國民經濟部門得到廣泛應用。

最早的遙測遙控系統(tǒng)只是測控距離較近的機械式或液壓、氣動式。19世紀出現(xiàn)使用電的有線遙測遙控系統(tǒng)，20世紀初出現(xiàn)無線遙測遙控系統(tǒng)。在20世紀20年代末，遙控飛行器的往返飛行距離已達1000公里。這項技術在第二次世界大戰(zhàn)中得到迅速發(fā)展，40年代初先后研制成功飛機和火箭用的調頻/調幅遙測系統(tǒng)，以及脈幅調制和脈寬調制等遙測系統(tǒng)。50年代又發(fā)展了脈碼調制，標志著遙測遙控系統(tǒng)從模擬式發(fā)展到數(shù)字式?，F(xiàn)今的遙測遙控系統(tǒng)的最大傳輸距離已達幾億公里，能傳輸兆比特級的數(shù)字圖象信息，并出現(xiàn)了可編程序、自適應和分集式遙測遙控系統(tǒng)。航天遙控系統(tǒng)已發(fā)展成一個利用微波波段的載波作為遙控、遙測、測距和測速的共同載波，稱為S波段統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)，使系統(tǒng)設備大為簡化。

隨著航天技術的發(fā)展，進入80年代，遙技術的概念應運而生。遙技術實際是一種用戶技術，是指地面人員利用自控、遙控操作和機器人技術來控制空間實驗的技術。例如在歐洲空間局(ESA)的哥倫布空間計劃中，由于用戶所需的各類實驗將在宇宙空間的空間站上完成，且長期處于無人介入的狀態(tài)，依靠遙技術可以不需宇航員參與，而直接在地面對空間實驗進行遙控操作，也就使受生理條件限制的宇航員從那些要求在太空中駐留時間長和工作強度大的任務中解放出來，這解決了許多專業(yè)人員和科學家由于身體條件限制無法進入空間實驗室進行現(xiàn)場工作的問題。為了對遙技術進行實驗性論證，歐洲空間技術中心(ESTEC)組織了人員對流體、材料和生命科學的三大實驗提出技術要求，研制并建立了遙技術測試臺(TTB)和技術保障、接口技術、仿真遙控操作實驗，并對實驗進行分析、評估。90年代初，第一臺TTB在ESTEC安裝完畢并開始了實驗研究，標志著遙技術這一門新學科開始步入成熟階段?？梢哉f，從遙測遙控發(fā)展到今日的遙技術，是未來空間技術的發(fā)展趨勢，標志著人類對太空的認識已經從探索研究階段到90年代中期將開始進入開發(fā)利用的時代。

四、向廣度發(fā)展，實現(xiàn)大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)的控制

(一)大系統(tǒng)

70年代以來，隨著科學的發(fā)展和社會的進步，現(xiàn)代的工業(yè)、電力、交通、生物、生態(tài)以及軍事指揮等大規(guī)模的生產和管理系統(tǒng)愈來愈多，日益復雜。例如大型鋼鐵企業(yè)的控制和管理系統(tǒng);全國或地區(qū)性的商品供銷量的實時監(jiān)督和分類調度;貨幣的發(fā)放和回籠，儲蓄業(yè)務的存取自動化管理等銀行業(yè)務管理;包括人事檔案管理自動化和職工每日出勤記錄，以及總出勤率的自動化統(tǒng)計分析等的大企業(yè)和部門的人事自動化管理;生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境污染的分析、管理和控制;人口的發(fā)展計劃和控制，人口長期預報;工業(yè)區(qū)和大城市郊區(qū)的公路網上的交通信號管制，乘客密度的實時分析和車輛調度等等?，F(xiàn)今對于那些能夠在大范圍內采集數(shù)據，處理數(shù)據，分析情況，從而進行指揮管理和控制的系統(tǒng)，往往統(tǒng)稱為大系統(tǒng)。對于這樣一些大規(guī)模的復雜的系統(tǒng)評價、設計、控制與管理，只能求助于運用系統(tǒng)工程學的方法，對其實施系統(tǒng)控制。如通過分別解決大系統(tǒng)中各自獨立而又相互制約的子系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，來達到全系統(tǒng)的整體最優(yōu)化目的。

大系統(tǒng)是系統(tǒng)工程學發(fā)展的一個新階段，大系統(tǒng)的理論和實踐，主要是研究解決系統(tǒng)工程中關于事物發(fā)展過程的定量描述、模擬、預測和控制的那一部分問題。因此可以說，系統(tǒng)工程也是自動化技術科學工作者的重要研究內容之一，系統(tǒng)工程研究的問題概括起來不外是兩個方面：一個是工程技術系統(tǒng)，二是社會經濟系統(tǒng)。各類系統(tǒng)工程的共同理論基礎是運籌學，目的是實現(xiàn)各類系統(tǒng)的組織和管理技術。作為從事自動化技術的人員，則是要研究系統(tǒng)各個構成部分，如何進行組織，以便實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和有目的的行動。由于系統(tǒng)工程在實現(xiàn)一個國家現(xiàn)代化中處于十分重要的地位，加強這方面研究工作的開展，必然能在技術上、經濟上和社會上見諸效益。

大系統(tǒng)通常具有下面三個特點：信息的采集和處理量大面廣;系統(tǒng)的多級結構模型;集中與分散的控制方式。如從地理上看，需要從各地區(qū)或各部門去采集數(shù)據，經過對大量數(shù)據的處理加工，再由控制中心進行分析并作出決定，最后再反饋到這些部門或地區(qū)去執(zhí)行。或者雖不具備上述地理分布上的特征，但由于設備多，任務過程復雜，具有多級控制結構的系統(tǒng)，也可作為其特征之一。因為在很多情況下，復雜的大系統(tǒng)可以分解為較小的相互作用的子系統(tǒng)進行分析，然后再重新組合為大系統(tǒng)。這些分解方法產生了子系統(tǒng)的分級模型，對分級結構中的每一層需經該層的性能測度，實現(xiàn)每層的控制最優(yōu)化，最后再力圖實現(xiàn)整個系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。因此，要實施對這類大系統(tǒng)的分析，就要對已有的系統(tǒng)實現(xiàn)“模型化”，也就是要根據需要與可能，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，用以描述系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性、性能指標、運行狀態(tài)的數(shù)學表達式等;或建立系統(tǒng)的網絡模型，繪制出表示系統(tǒng)信息流或物質流、時間順序、邏輯關系等相互聯(lián)系的網絡圖(由支路、節(jié)點等組成)和計劃評審圖等;如果有條件，還須進一步建立系統(tǒng)的物理模型，用以對大系統(tǒng)進行仿真，模仿實際系統(tǒng)的物理過程、運動狀態(tài)、生理或心理的活動等等。對于尚待籌建的大系統(tǒng)，則通常要根據大系統(tǒng)的總任務、總目標，選擇設計方案，確定控制規(guī)律，制定管理辦法，這就要實施對大系統(tǒng)的綜合。綜合的目的，就是要對大系統(tǒng)進行決策、規(guī)劃、設計，對大系統(tǒng)的籌建過程與實際運行，進行科學的計劃協(xié)調與組織管理。有這樣一個實例，一個復雜的戰(zhàn)略防御系統(tǒng)的戰(zhàn)術單位，它包括幾臺大型計算機聯(lián)合控制預警雷達，精密相控陣雷達，并承擔導彈的發(fā)射和引導以及模擬訓練等任務。在這個復雜系統(tǒng)中，它實時控制六個子系統(tǒng)，具有735 000條軟件指令，還包含有580 000條軟件指令的六個支援子系統(tǒng)，以及含軟件指令830 000條的六個方面的調試維護系統(tǒng)，這樣一個大系統(tǒng)，它的控制、支援和維護使用都用計算機實現(xiàn)了自動化。也只有在計算技術發(fā)展到今天，才有可能實施對大系統(tǒng)進行實時的、不間斷的、自動化的監(jiān)視和控制。現(xiàn)代自動化技術科學的一些內容，如動態(tài)規(guī)劃，評價問題，決策問題，對策問題等已引起了自動化工作者的關注，一些著名學者和研究機構亦紛紛轉向該問題的研究。1965年美國學者切斯納特(H.Chesnut)以系統(tǒng)模型化、最優(yōu)化、信息處理等為核心，歸納成系統(tǒng)工程學的方法，并擔任了國際自動控制聯(lián)合會中新成立的系統(tǒng)工程學技術委員會的主席，正式把生產系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)問題作為活動內容之一。以后每隔一、二年召開一次有關問題的討論會。著重從控制與信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結構方案、總體設計中的“分解”方法和協(xié)調等問題。大系統(tǒng)理論

五、向深度發(fā)展，實現(xiàn)智能控制

智能控制，是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個新興分支學科。它在控制論、信息論、計算機科學、神經生理學、實驗心理學、仿生學等有關學科互相滲透的基礎上，匯集各有關方面的研究成果進行綜合性研究，成為自動化技術科學向縱深發(fā)展的標志之一。

智能控制的思想最早是由華裔美國模式識別與機器智能專家傅京孫(K.S.Fu，1930～1985)于1965年提出的，直至1985年建立實用智能控制系統(tǒng)的條件才逐漸成熟，并在美國首次召開了智能控制學術討論會，1987年再次在美國召開了智能控制首屆國際學術會議，標志著智能控制作為一個新的學科分支得到承認，較重要的智能控制系統(tǒng)之一是分級遞階智能控制系統(tǒng)，是在學習控制系統(tǒng)的基礎上，將人工智能與適應控制系統(tǒng)和自組織系統(tǒng)結合而形成的，用以在一定程度上解決復雜離散事件的控制設計問題，以及應用于工業(yè)、航天、核處理和醫(yī)學等方面的自主控制系統(tǒng)的設計問題。

專家控制系統(tǒng)是智能控制的另一重要方面，它能模仿某一方面的專家和熟練操作人員的控制技能和經驗。它具有專家控制系統(tǒng)和專家式控制器兩種形式，一般兼有理解、預測、診斷、計劃制定、監(jiān)控等多種功能。表明了工程控制技術與知識工程的結合，意味著系統(tǒng)科學與思維科學的相互滲透。

進入90年代，屬于智能控制范疇的模糊控制技術得到了較快發(fā)展，它是一種采用由模糊數(shù)學語言描述的控制規(guī)則來操縱系統(tǒng)工作的控制方法。其特點是不需要考慮控制對象的數(shù)學模型和復雜情況，只需要依據由操作人員經驗所制訂的控制規(guī)則即可構成。這就使模糊控制如同專家系統(tǒng)一樣具有重大而深遠的意義，這是由于眾多的實踐證明，許多復雜控制過程難以用數(shù)學方法建立定量計算模型，而必須用知識工程技術建立定性分析模型，有時還需要建立定性分析與定量計算相結合的理論模型。通過模糊控制方法而設計出由計算機執(zhí)行的模糊控制器，所依據的控制規(guī)則通常不是精確定量的，其模糊關系的運算法則、各模糊集的隸屬度函數(shù)，以及從輸出量模糊集到實際的控制量的轉換方法等，均有相當大的任意性，這種控制器的性能和穩(wěn)定性，往往難以從理論上作出確定的估計，只能依據實際效果評價其優(yōu)劣。值得欣慰的是，近幾年來國內外已開發(fā)出數(shù)以百計的應用方面的模糊控制器，并在多種領域得到成功的應用，可以說正是方興未艾。另一類由專家控制器和模糊控制器互相滲透而發(fā)展起來的專家模糊控制器，亦是智能控制中一種研究得十分活躍的專家控制器，只是在名稱上略有區(qū)別。

智能機器人是智能控制的綜合研究對象、工具與成果，人工智能與模式識別的研究，是為實現(xiàn)智能控制提供理論基礎與技術手段的重要前提。實現(xiàn)智能控制是人工智能與模式識別研究的最終目的的一個重要方面。智能機器人作為一個典型的智能控制系統(tǒng)，也必然要引用人工智能與模式識別的研究成果并作為它們理論與實踐結合的主要對象之一。

智能機器人的研究，實際上就是研制具有仿人智能的自動機器，這是人們長期以來的愿望，直到60年代后期，具有極簡單智能的機器人雛形方才問世。60年代后期發(fā)展起來的“智能機器人”，亦多限于在“積木世界”中活動，它僅僅具有識別簡單的三維物體的形狀，進行積木分類、堆放的智能，或少量具有視覺、觸覺。如日立中心研究所研制成的“手一眼”裝置與帶觸覺手的智能機器人，它有兩只眼，一只眼用于看圖紙，另一只眼與機械手進行裝配作業(yè)，依靠兩只眼的協(xié)調配合，完成按圖紙裝配的工作。日立公司研制的具有視覺與觸覺的機器人，用來制造水泥桿，并可將螺釘擰到水泥桿的模具上去。當機器人走近螺釘和其他凸臺時，作為“眼”的電視攝像機搜索目標，識別其形狀與位置，再由帶