控制理论与控制工程的发展与应用

摘 要：控制理论作为二十世纪的三项科学革命之一，在现代科学技术及计算机技术快速发展的背景下不断发展和完善，在促进各个领域的发展中有着至关重要的作用，可以说控制理论与控制工程广泛应用到各行各业是时代发展的潮流趋势。本文就此分析了控制理论与控制工程的发展与应用，旨在给相关科研人员进行难题突破提供一定的参考。

关键词：控制理论；控制工程；发展与应用

二十世纪产生的相对论、量子论和控制论并称为三项科学革命，是人类进一步认识客观世界的重要理论。随着现代科学技术及计算机技术的不断进步，控制理论与控制工程不仅涉及到工业、农业、交通运输业等传统领域，而且逐步渗透到生物、信息、通讯等新兴领域。因此，把控制理论与控制工程有效的应用到更多的问题解决中，已成为相关科研人员进行问题解决的关键手段。

1 控制理论与控制工程的发展

1.1 控制理论的产生

控制理论作为一门应用性很强的学科，其产生可以追溯到十八世纪中叶英国的第一次技术革命中。瓦特于1765年发明蒸汽机后，把离心式飞锤调速器原理应用到蒸汽机转速控制中，标志着以蒸汽为原动力的机械化时代到来。之后工程界把控制理论应用于调速系统稳定性问题的研究上来。

随着通讯和技术处理技术的快速发展，电气工程师们研究出了以实验为基础的频域响应分析法，美国贝尔实验室工程师奈奎斯特于1932年发表的《反馈放大器稳定性》一文中，提出系统稳定性奈奎斯特判据，后来被推广到条件稳定性和开环不稳定研究上。控制创始人维纳在总结前人的成果基础上，写成《控制论——或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一文，奠定了控制理论基础。

1.2 控制理论与控制工程的发展

第一阶段：二十世纪40～60年代，即古典控制理论时期。这一时期，主要是对单输入单输出问题进行解决，而解决这些问题所运用到的方法主要有传递函数、根轨迹、频率特性等，且大多数研究的是是线性定常系统，而对非线性系统研究使用的相平面法变量不超过两个，该控制理论能有效的解决生产过程中的单输入单输出问题。其代表有1945年伯德提出的伯德图法等。

第二阶段：二十世纪60～70年代，即现代控制理论时期。这一时期随着空间技术的发展，控制理论逐渐向高性能方向发展，主要是对相对复杂问题进行解决。充分使用数学计算机进行分析设计和实时控制，这一过程中出现的非线性、时变、多输出多输入等相对比较复杂的系统控制问题已远远超出了古典控制理论的范围，为此提出了最优控制方法，随后又产生自适应控制系统，使现代控制理论提出并不断完善。其代表有1961年庞特里亚金的极大值原理。

第三阶段：二十世纪70年代至今，主要是大系统理论和智能控制时期。大系统理论主要是对控制理论广度的拓展，利用控制和信息的观点，对各种大系统的结构、设计、方案等技术理论进行研究；智能化控制主要是对控制理论深度的开掘，对人类智能活动和信息传递控制规律等进行研究，并研制出仿人智能的工程控制和信息处理系统，其代表就是智能机器人的发明。

2 控制理论与控制工程的应用

2.1 控制理论不只是一门学科，是哲学，是世界观，是方法论

二十一世纪比较流行的是3C技术，即计算机技术、通信技术和控制技术，且计算机技术是中心，通信技术是关键，控制技术是根本，所以控制学科已发展成为一门基础学科。而且控制理论和控制工程中的系统结构、系统稳定、系统智能、系统反馈等理论思想除了在自然科学各领域有广泛应用外，还渗透到人文科学中。所以有专家认为控制理论已不单纯只是一门学科，而是发展成为哲学、世界观和方法论。

控制理论和控制工程具有基本概念的普适性和独特性等特点，且在其应用中的关键与核心主要是两个概念：

第一，系统概念。随着社会经济的发展，系统问题已成为社会关注的焦点和热点，特别是社会中的复杂系统及科学课题，这是控制理论发展和完善的必然趋势，控制理论和控制工程除了要进行结构和性质研究外，更要对系统运行进行调控。

第二，反馈概念。这一概念是控制理论的核心，是区别于其他学科及理论应用的根本。反馈可以让控制系统尽可能的具备人类智能的特点，可以对实际应用过程中的数据、结构等不确定因素进行监控和调整，提高工作效率。

2.2 “一种控制，两种研究方法，三种系统”的应用

⑴“一种控制”，即最优控制。最优控制是控制理论和控制工程应用的核心内容，主要就是在满足一定的约束条件基础上，选择最优控制策略，使性能指标极大化或者极小化，让系统控制通过基本条件及综合方法（就是受控的运动过程或动力学系统）取得最优化效果。

⑵“两种研究方法”，即PDI控制器和Kalman滤波器。PDI控制器和Kalman滤波器作为控制理论与控制工程的典型研究方法，在实际系统中得到广泛的应用。这两种方法不仅可以应用于线性模型，而且还可以应用到很多非线性系统的证明中。

⑶“三种系统”，即开环控制系统、闭环控制系统和符合控制系统。根据不同的具体应用使用不同的系统。比如说水槽内水位的控制和电加热器中的温度控制，主要利用的是自动控制和闭环系统。

[参考文献]

[1]王海龙.谈控制理论与控制工程的发展与应用[J].科技创新导报，2013（4）.

[2]王凡，王思文，郑卫刚.现代控制理论概述及实际应用意义[J].网友世界，2012（7）.

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