自動控制的發展歷程
再讓我們回顧一下自動控制的發展歷程。有人說懶人促進了社會的進步，這話雖然有些片面，但是還是有一定道理的，從刀耕火種的年代起，人們就夢想著省時省力地生產出更多的東西，來滿足生活的需要，工具的發明使人類擺脫了大自然的束縛，與其他低等動物產生巨大差別，進人到更高的生物體系。
自動控制的發展經歷了四個主要階段：原始萌芽階段，經典控制理論階段，現代控制理論階段以及智能控制理論階段。
1、原始萌芽階段
中國古代能工巧匠發明許多原始自動裝置，以滿足生產、生活和作戰的需要。指南車、銅壺滴漏、記里鼓車、漏水轉渾天儀、候風地動儀、水運儀象臺等就是其中比較著名的發明。
①指南車
指南車(見圖1-4) 遠在公元前26世紀的中國黃帝時代就發明了指南車，指南車是一種馬拉的雙輪獨校車，車箱上立一伸臂的木人。車箱內裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉彎偏離正南方向時，車轍前端就順此方向移動，而后端則向相反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的轉動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉動，恰好抵消車子轉彎產生的影響。車向正南方向行駛時，車輪和木人下的大齒輪是分離的，木人指向不變。因此，無論車轉向何方，都能使木人的手臂始終指向南方。車的齒輪系雖然非常簡單，但它能夠自動離合，在技巧上優于記里鼓車的齒輪系。從自動控制原理來看，指南車是利用擾動補償原理的開環定向自動調節系統。被控制量是木人的指向。車子轉彎時，車輪帶動齒輪系使木人沿著與車子轉動方向相反的方向轉動，恰好補償了車的轉角。
②銅壺滴漏
自動計時漏壺是中國古代的自動計時裝置，又稱刻漏或漏刻。漏壺的最早記載見于《周禮》。這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度(即時間)，這里的浮箭可看作是一種自動檢測裝置。保持上壺的水位恒定，則是自動調節的問題，這種計時裝置是一種開環自動調節系統。
③記里鼓車
記里鼓車(見圖1-5)是中國古代能自報行車里程的裝置。據王振鐸考證，記里鼓車是東漢以后出現的，由漢代鼓車改裝而成，車中裝設具有減速作用的傳動齒輪和凸輪杠桿等機構。車行一里，車上木人受凸輪牽動，由繩索拉起木人右臂擊鼓一次，以表示行車的里程。
④漏水轉渾天儀
公元二世紀、東漢的天文學家張衡創制了一種天文表演儀器。它是一種水運渾象，和現代的天球儀相似，可以用來實現天體運行的自動仿真。渾象是在一個直徑4尺多(約1.5m)的銅球上刻有二十八宿、中外星官、黃赤道、南北極、二十四節氣、恒顯圈、恒隱圈等。漏水轉渾天儀就是把渾象與漏壺結合起來，以漏壺滴水控制渾象，使它與天球同步轉動，用來表演星空的運動，如恒星的出沒和中天等。
⑤候風地動儀
這是公元132年，東漢的張衡發明的一種觀察地震的自動檢測儀器。它的工作原理不僅涉及反映信號的方向問題，而且還包含著“小偏差內穩定，大偏差內不穩定”等自動控制原理。
⑥水運儀象臺
水運儀象臺高約12m，寬約7m，它既能演示或觀測天象，又能計時或報時。水運儀象臺利用銅壺滴漏的恒定水流作動力來推動樞輪，使它每天轉400周，樞輪又帶動渾象和渾儀兩個齒輪系，由頂部的杠桿裝置(即天衡)控制框輪作恒速轉動，天衡使受水壺達到恒定水位后，便自動脫離受水位置而下降，起自動調節器的作用。框輪轉動時，受水壺中的水陸續泄入退水壺，使合成的驅動轉矩減小(相當于一個負反饋作用)，樞輪被天關擋住，下一個空受水壺就接受水流。因此，天衡還起著類似鐘表中擒縱器的作用。而整個框輪轉速恒定系統則是一個采用內部負反饋并進行自振蕩的系統。水運儀象臺裝有自動機構，在每個時辰初、正和每刻相應地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。
中國古代對自動控制技術的研究還是很深入的。
2、經典控制理論階段
公元18世紀，詹姆斯.瓦特(James Watt)為控制蒸汽機速度而設計了離心調節器(見圖1-6)，這是自動控制領域的第一項重大成果。在控制理論發展初期，在眾多學者中做出過重大貢獻的有邁納斯基(Minorsky)、黑曾(Hezen)和奈奎斯特(Nyquist)。1922年邁納斯基研制出船舶操縱自動控制器，并且證明了如何從描述系統的微分方程中確定系統的穩定性。1932年奈奎斯特提出了一種相當簡便的方法，根據對穩態正弦輸入的開環響應，確定閉環系統的穩定性。1934年，黑曾提出了用于位置控制系統的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的繼電式伺服機構。
20世紀40年代，頻率響應法為工程技術人員設計滿足性能要求的線性閉環控制系統提供了一種可行的方法。20世紀40年代末到50年代初，伊凡恩(Evans)提出并完善了根軌跡法。頻率響應法和根軌跡法是經典控制理論的核心。由這兩種方法設計出來的系統是穩定的，并且或多或少地滿足一組獨立的性能要求。一般來說，這些系統是令人滿意的，但它不是某種意義上的最佳系統。從50年代末期開始，控制系統設計問題的重點從設計許多可行系統中的一種系統，轉變到設計在某種意義上的一種最佳系統。
3、現代控制理論階段
大約從1960年開始，由于數字計算機的出現以及工業、軍事特別是空間技術的需求，以時域方法為主的諸多分析設計方法得以迅猛發展，在原有“經典控制理論”的基礎上，又形成了所謂的“現代控制理論”，這是人類在自動控制技術認識上的一次飛躍。為現代控制理論的狀態空間法的建立做出開拓性貢獻的有：1954年，貝爾曼(P.Bellman)的動態規劃理論；1956年，龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理；1960年，卡爾曼(R.E.Kalman)的多變量最優控制和最優濾波理論。
在20世紀50年代，控制理論的發展主要集中在復平面上及根軌跡的發展。同時，在這一時期，控制的對象從單輸入-單輸出發展到多輸入-多輸出，從確定性系統發展到隨機系統，由于數字計算機在控制系統中的普遍應用，以及一些新的控制部件的使用，把控制變得更加精確、快速。
狀態空間法屬于時域方法，其核心是最優化技術。它以狀態空間描述(實質上是一階微分或差分方程組)作為數學模型，利用計算機作為系統建模分析、設計乃至控制的手段，適應于多變量、非線性、時變系統。它不僅在航天、航空、制導與軍事武器控制中有成功的應用，在工業生產過程控制中也得到逐步應用。
1954年，我國學者錢學森出版了專著《工程控制論》，系統地揭示了控制論對自動化、航空、航天、電子通信等工程技術領域的意義和深遠影響。這標志著控制論學科分化而產生的第一個分支學科“工程控制論”的誕生。
1960年到1980年這段時間內，不論是確定性系統和隨機性系統的最優控制，還是復雜系統的自適應和學習控制，都得到了充分研究。
4、智能控制理論階段
近年來，把傳統控制理論與模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法等人工智能技術相結合，充分利用人類的控制知識對復雜系統進行控制，逐漸形成了智能控制理論的雛形。智能控制是一種能更好地模仿人類智能的、非傳統的控制方法。內容包括最優控制、自適應控制、魯棒控制、神經網絡控制、模糊控制、仿人控制等。
智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是，依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決目前那些需要人的智能才能解決的控制問題。被控對象的復雜性體現為模型的不確定性、高度非線性、分布式傳感器和執行器、動態突變、多時間標度、復雜的信息模式、龐大的數據量以及嚴格的特性指標等。而環境的復雜性則表現為變化的不確定性和難以辨識。雖然智能控制體系形成的歷史不長，理論還未完全成熟，但其已有的應用成果和理論發展說明了一點，智能控制正成為自動控制的前沿學科之一。
自動控制的未來
自動控制技術已經從簡單的設備控制發展成為復雜的系統控制。在使用單一自動控制設備時，我們完成的是簡單的勞動，僅僅是由設備替代人的工作而已，比如汽車從整體來看也算是一種自動控制設備，它需要人的駕駛才能行動，但是，隨著汽車的增多，以及應用的推廣，交通事故、交通擁堵、環境污染、能源的大量消耗等開始逐步困擾著人類的進步。未來汽車技術的發展，使得自動駕駛成為可能，自動避險功能可以實現，自動導航技術也會快速發展，假如再把自動駕駛納入整體管理，形成一套可控的、優化的方案，那么，是不是就會形成智慧交通呢?到那個時候，我們只需要按下某個按鈕，在高速公路上行駛的時候就可以安心睡大覺了。自動控制技術的未來會向兩個方向發展，一個方向是控制理論的深入研究，融合管理技術的智能控制理論的深入進步；另一個方向是應用范圍的擴展，導致人類生活的極大改變，比如現在的物聯網發展，如果沒有自動控制的基礎研究和應用發展，就不會有它的出現。
