圖4-1所示的框圖說明了控制系統的基本概念。在動作信號通過(經由)控制系統部件之後，它提供指示，並且該系統的目的是將變量C控制在指示內。壹般來說，被控變量是系統的輸出，而動作信號是系統的輸入。舉個簡單的例子，汽車的轉向控制，兩個前輪的方向可以看作是被控變量，也就是輸出；而它的方向盤的位置可以看作是輸入，也就是動作信號e，再舉個例子，如果我們要控制汽車的速度，那麽油門的總壓力就是動作信號，速度作為被控變量。
圖4-1基本控制系統框圖
我們把要控制的物理量稱為系統的受控量或輸出量。用來使系統具有期望性能或輸出的激勵信號定義為系統的控制量或輸入量。使被控量偏離期望值的因素稱為擾動量。自動控制過程是試圖消除幹擾因素的影響，以保持被控量按預期變化的過程。
因此，自動控制系統可以這樣理解:任何系統，在沒有直接參與的情況下，通過控制裝置使被控對象或過程按照預定的規律自動運行。
人類在掌握了簡單的制造技術後，為了減少或代替自己的勞動，產生了創造自動化裝置的想法，這就是自動控制思想的最初來源。自動控制技術的發展過程大致經歷了古代階段、17-19世紀階段、19世紀階段到二戰階段、二戰後階段四個階段。在此期間，經典控制理論和現代控制理論從無到有發展起來。
2自動控制技術的早期發展
在古代，大約在公元前14世紀到公元前11世紀，世界上的古代文明，包括中國、埃及、巴比倫，由於生產發展的需要，都出現了可以自動計時的漏壺。漢代科學家張衡發明了渾儀和地動儀。模型的輪廓如圖4-2所示，將自動控制的思想應用於天文觀測儀器和地震觀測儀器。三國時期出現了指南車，這是方位測定儀器中運用自動控制思想的成功範例。中國北宋時期(公元1086-1089年)，蘇頌、韓公廉制作的水運儀像臺如圖4-3所示，是集天文觀測用渾儀、天文演示用渾儀和自動計時裝置於壹體的儀器。整個系統是壹個基於負反饋原理的閉環非線性自動控制系統。
圖4-2比例地震儀模型的外形圖
圖4-3水上儀器圖像平臺
古埃及和古希臘出現了半自動的簡易機器，如教堂大門的自動開啟裝置、自動灑聖水的青銅祭司、投幣式聖水罐、教堂門口自動唱歌的青銅鳥等。這是壹些不相關的原始自動裝置和壹些個人發明。17世紀以後，隨著生產的發展和科學的進步，歐洲出現了多種自動裝置，包括:1642年，法國物理學家帕斯卡發明了能自動進位的加法器；1657荷蘭機械師惠更斯發明了鐘表；1745年，英國機械師e·李發明發明了壹種帶風向控制的氣流磨，利用尾翼的轉向功能，使主翼對準風向；1765年，俄羅斯機械師波爾祖諾夫發明了浮閥水位調節器，可以自動控制蒸汽鍋爐的水位。在此期間，由於生產發展的需要，產生了自動控制技術。
1788年，英國科學家瓦特(圖4-4)發明了離心式節流閥，又稱飛球調速器。如圖4-5所示，它用來控制蒸汽機的蒸汽閥，形成蒸汽機轉速的閉環自動控制系統，從而實現離心式節流閥對蒸汽機轉速的控制。瓦特的發明促進了現代自動調節裝置的廣泛應用，並對蒸汽機帶來的第壹次工業革命及之後控制理論的發展產生了重要影響。其他國家的發明有:1854年俄羅斯機械師、電工康斯坦丁發明的電磁調速器；1868年，法國工程師法爾科發明了反饋調節器，用來調節蒸汽閥，操縱蒸汽船的舵。這就是後來被廣泛使用的伺服機構。在1868之前，自動化技術只是壹些個別的發明和簡單的應用，所以稱為第壹階段。1868之後，自動控制系統的理論分析和大規模的廣泛應用逐漸開始，因此被稱為第二階段。
圖4-4瓦特
圖4-5瓦特離心節流閥控制蒸汽機示意圖
1-蒸汽機；2-蒸汽閥；3-總督；4-負載
3自動控制理論的早期發展
各種簡單的自動控制裝置可以改進生產工藝，提高生產效率。雖然這項技術的發明在18世紀之前經歷了壹個漫長的歷史過程，沒有理論分析和數學描述，但它們對自動化技術的形成起到了主導作用，而且都是從實踐經驗中總結出來的。17-18世紀是自動化技術的逐步形成期，隨之而來的是現代自動化技術的發展期，數學描述和理論分析起到了至關重要的作用。人們遇到的第壹個問題是自動調節器的穩定性，因為瓦特發明的離心調速器有時會造成系統的不穩定，使蒸汽機劇烈振蕩。到了19世紀，船上自動駕駛儀的穩定性又被發現了。這些問題引起了廣泛的關註，壹些數學家試圖用微分方程來描述和分析系統的穩定性。自動控制系統最初的數學描述是英國物理學家麥克斯韋(圖4-6)，他在1868發表了壹篇文章《論調速器》，總結了無靜差調速器的理論。
1877年，英國數學家E.J.Routh提出了著名的Routh穩定性判據，這是壹個代數穩定性判據，可以根據微分方程的系數來判斷控制系統的穩定性。1895年，德國數學家A. Hurwitz(圖4-7)提出了著名的Hurwitz穩定判據，這是代數穩定判據的另壹種形式。勞斯-赫維茨穩定性判據是根據傳遞函數或微分方程預先判斷調節器穩定性的重要判據。1892年，俄羅斯數學家李亞普諾夫發表了關於運動穩定性壹般問題的專著，以數學語言的形式給出了運動穩定性概念的嚴格定義，並給出了判斷系統穩定性的兩種方法。
圖4-6麥克斯韋
圖4-7赫爾維茨
進入20世紀後，由於工業革命的需要，人們開始采用自動控制裝置來解決工業生產中提出的控制問題。自動控制器的應用標誌著自動化技術進入了壹個新的歷史時期。在此期間，控制器是跟蹤給定值的裝置，以便某些物理量能保持在給定值附近。各種自動控制裝置在工業生產中的廣泛應用，促進了對調節系統的分析和綜合研究。20世紀20年代後，美國開始采用比例、積分和微分調節器，簡稱PID調節器。PID調節器是壹種模擬調節器，現在很多工廠都在使用。在20世紀的前20年，反饋控制結構已經廣泛應用於自動控制器中。自20世紀20年代以來，越來越多的人開始從理論上研究反饋控制系統。
1925年，英國電氣工程師O. Hevesey應用拉普拉斯變換解決電網絡問題，利用微積分得到暫態過程。1927期間，貝爾電話實驗室在解決電子管放大器失真問題時，電氣工程師H.S. Black從電信號的角度引入了反饋的概念。1932年，美國電信工程師奈奎斯特(圖4-8)提出了著名的奈奎斯特穩定性判據，可以直接根據系統的傳遞函數畫出奈奎斯特圖來判斷反饋系統的穩定性。1938蘇聯電氣工程師米哈伊洛夫應用頻率法研究自動控制系統的穩定性，提出了著名的米哈伊洛夫穩定性判據。
圖4-8奈奎斯特
隨著自動控制理論的發展，程序控制、邏輯控制和自動機的思想得到了發展。1833年，英國數學家C·巴貝奇在設計分析自動機時首先提出了程序控制的概念。他試圖用法國發明家J.M .雅卡爾設計的穿孔卡片法來實現分析自動機的程序控制。1936英國數學家圖靈開發了著名的圖靈機，成為現代數字電子計算機的雛形。他用圖靈機定義了可計算函數類，建立了算法理論和自動機理論。1938年，美國電氣工程師香農、日本數學家中島和1941年蘇聯科學家舍斯塔科夫獨立建立了邏輯自動機理論，由只有兩種工作狀態的繼電器組成，實現邏輯控制。此外，香農還建立了信息論。
4經典控制理論的形成
自動控制技術的發展史，就是人類用自己的智能延伸和擴展器官功能的歷史。自動化是現代科學技術和現代工業的結晶，它的發展充分體現了科學技術的綜合應用。自動控制技術是隨著社會的需要，特別是生產設備和軍事設備的控制，以及航空航天工業的需要而發展起來的。第二次世界大戰期間形成的經典控制理論對戰後自動控制技術的發展起到了重要的推動作用。二戰期間，德國的空中優勢和英國的防禦地位迫使美國、英國和西歐的科學家集中力量解決防空火控系統、飛機自動導航系統等軍事技術問題。在解決這些問題的過程中，形成了經典的控制理論，設計了各種精密的自動調節裝置，開創了系統與控制的新的科學領域。
二戰期間，反饋控制方法被廣泛用於設計和發展飛機自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達天線控制系統等軍用系統(圖4-9)。這些系統的復雜性和對快速跟蹤和精確控制的高性能追求迫切要求對現有控制技術進行擴展，這導致了許多新思想和新方法的出現，也促進了對非線性系統、采樣系統和隨機控制系統的研究。
1945年，美國數學家維納(圖4-10)將反饋的概念推廣到所有控制系統。1948年，維納出版了《控制論》壹書，奠定了控制論的基礎。同年，美國電信工程師香農發表了《通信的數學理論》，奠定了信息論的基礎。維納和香農從控制和信息兩個方面研究系統的運動。維納還從信息的角度研究了反饋控制的本質。從此，人們對反饋和信息有了更深刻的理解。65438年至0954年，中國系統科學家錢學森全面總結了經典控制理論，並進壹步將其提升到更高的理論層次，在美國出版了《工程控制論》壹書。工程控制論的目的是研究控制論中可以直接用於工程設計受控系統的那些部分。工程控制論使人們有可能擁有更廣闊的視野，以更系統的方式觀察相關問題，因而往往能獲得解決老問題的更有效的新方法，也可能揭示出以前沒有過的新前景。
圖4-9二戰期間的雷達
圖4-10香腸
當時這門新學科在美國叫伺服機制理論，在蘇聯叫自動調節理論，主要是解決單變量的控制問題。當時，傳遞函數和頻率響應的概念被廣泛用於反饋伺服系統的分析和設計。最常用的方法有奈奎斯特法(1932)、波德法(1945)、埃文斯法(1948)。埃文斯方法，也叫根軌跡法，是由美國電信工程師W.R.Ewans在1948中提出的。20世紀30-40年代發展起來的適應單變量調節和伺服系統設計的頻率法奠定了經典控制理論的基礎。後來，頻率法成為分析和設計線性自動控制系統的主要方法。這種方法不僅可以定性地確定設計方向，而且是壹種簡單的近似計算工具。因此，這種方法對於在很大程度上仍然需要依靠經驗和試湊的控制系統的工程設計特別有效和受歡迎。
經典控制理論的名稱是在1960年第壹屆全國聯合自動控制會議上提出的。在這次會議上，研究系統與控制領域單變量控制的課題稱為經典控制理論；在系統與控制領域研究多變量控制的學科稱為現代控制理論。
1952年，第壹臺數控機床誕生。數控機床技術的應用不僅給傳統制造業帶來了革命性的變化，也使制造業成為工業化的標誌。數控機床如圖4-11所示。
20世紀40年代中期發明的電子數字計算機開創了數字程序控制的新時代。雖然當時還僅限於自動計算，但為六七十年代自動化技術的快速發展奠定了基礎。
1961年，世界上第壹臺工業機器人(圖4-12)誕生，極大地促進了工業生產線的自動化。
圖4-11數控機床
圖4-12工業機器人
晶體管計算機出現在1958，集成電路計算機出現在1965，單片機出現在1971。微處理器的出現對控制技術產生了巨大的影響。控制工程師可以很容易地利用微處理器實現各種復雜的控制，使綜合自動化成為現實。
1957年，國際自動控制聯合會(IFAC)成立大會召開。來自18個國家的代表團出席了會議，中國是發起國之壹。自1960以來，國際自動控制會議每三年舉行壹次，出版了《自動化》和《IFAC通訊》等期刊。IFAC的成立標誌著自動控制的成熟，通過國際合作促進了系統和控制領域的新發展。
5現代控制理論和技術的形成與發展
自20世紀50年代以來，經典控制理論有了許多新的發展。各種新的理論和方法逐漸滲透到控制理論的研究中。但到了50年代末，人們發現當經典控制理論推廣到多變量系統時，會得出錯誤的結論，經典控制理論有其局限性。為了解決和克服所遇到的問題，現代控制理論應運而生。
1)系統辨識、建模與仿真
在現代控制理論中，最優控制器的設計、觀測器的設計和零極點的配置都是在知道系統的動態方程或狀態方程的前提下進行的。這些系統綜合方法往往選擇壹種方便的描述形式，而不考慮如何獲得這些數學模型。在實際應用中，系統的模型往往是未知的。對於復雜系統，往往很難用已知的物理規律建立模型。因此，發展了根據系統的輸入輸出數據建立數學模型的方法，逐漸形成了系統辨識的理論和方法。
在自動控制系統的分析、綜合和設計過程中，除了理論計算外，往往還需要對系統的特性進行實驗研究。顯然，在系統建立之前不可能對其進行測試。對於現有的系統來說，如果系統非常復雜，無論從經濟還是安全考慮，都不允許，有時甚至不可能在實際系統上進行實驗。因此，有必要在仿真設備上對系統進行測試，包括建立、修改和再現系統的模型。這個測試過程通常被稱為系統模擬。目前，系統辨識、建模和仿真已經成為系統與控制領域中非常活躍和重要的課題。
2)自適應控制和自校正調節器
20世紀50年代初，為了設計飛機的自動導航系統，使其能在較寬的速度和高度範圍內飛行，人們開始重視自適應控制的研究。20世紀60年代控制理論的發展加深了對適應過程的理解。自適應控制可以用隨機遞歸過程來描述。20世紀70年代，由於微電子學的新突破，自適應控制可以用簡單而經濟的方法實現。目前，參數自適應控制發展了三種方法，即增益調整法、模型參考法和自校正調節器。
3)遙測、遙控和遙感
19年底已經有了遠程測控的嘗試。20世紀20年代，遙測遙控開始進入實用階段，用於控制鐵路上的信號和道岔。1930年，世界上第壹個無線電高度計被送去測量大氣的氣象數據。這是第壹臺比較完整的無線電遙測設備。20世紀40年代，大型電力系統、油氣管道運輸系統和城市公用事業系統都需要通過遙感、遠程通信、遠程控制和遠程調度對地理上分散的對象進行集中監控，促進了遙感和遠程控制系統的發展。蘇聯和東歐國家把這種系統稱為遠動系統。
遙測是對被測對象的某些參數進行遠距離測量。壹般是通過傳感器測量被測對象的壹些參數並轉換成電信號，然後利用多通道通信和數據傳輸技術將這些電信號傳輸到遠程遙測終端進行處理、顯示和記錄。遙信是測量遠距離被測對象的工作極限狀態(是否工作或是否正常工作)。遙控是對被控對象的遙控。遠程控制技術綜合應用自動控制技術和通信技術，實現遠程控制和監控被控對象。其中，對被遙控對象工作狀態的調節稱為遙控調節。遠程控制被控對象按照壹定的導引規律運動，稱為導引，即控制與制導，廣泛應用於航天、航空、航海等領域。
自20世紀60年代以來，遙感技術發展迅速。遙感是安裝在飛機、衛星等運載工具上的傳感器，收集地面目標反射或發射的電磁波，利用這些數據獲取目標的信息。從以飛機為主要載體的航空遙感發展到以地球衛星和航天飛機為主要載體的空間遙感後，人們可以從太空的高度周期性地、快速地觀測地球上的各種現象及其變化，從而使地球資源的勘探和地球上某些自然現象的研究進入了壹個新的階段，並已應用於農業、林業、地質、地理、海洋、水文、氣象、環境保護和軍事偵察等領域。
4)綜合自動化
從50年代末到60年代初，由電子數字計算機控制的自動化工廠開始出現。60年代末，制造業出現了許多自動化生產線(圖4-13)，工業生產開始從局部自動化向綜合自動化發展。20世紀70年代以來，微電子學、計算機和機器人技術的重大突破推動了綜合自動化的快速發展。在過程控制中，1975開始出現分布式控制系統，使過程自動化達到了很高的水平。在制造業中，在采用成組技術、數控機床、加工中心和群控的基礎上發展起來的柔性制造系統(FMS)、計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)已經成為工廠自動化的基礎。20世紀70年代開發的許多工業機器人、感應式無人搬運手推車、自動化倉庫和無人叉車已成為綜合自動化的有力工具。柔性制造系統發展於20世紀60年代，美國第壹套柔性制造系統於1972投產。20世紀70年代末至80年代初，柔性制造系統迅速發展，搬運機器人和裝配機器人得到廣泛應用。1982 10首屆柔性制造系統國際會議在英國布萊頓召開。
圖4-13自動生產線
5)大系統理論的誕生。
自20世紀60年代中期以來，系統與控制理論的應用逐漸滲透到農業、商業和服務業，以及生物醫學、環境保護和社會經濟等領域。由於現代社會科學技術的高度發展，許多大系統需要綜合管理，現代控制理論無法解決如此復雜的問題，因此系統和控制理論迫切需要新的突破。在計算機技術方面，60年代初數據庫技術開始發展，1970提出了關系數據庫。到了80年代，數據庫技術已經達到了相當的水平。20世紀60年代末，計算機技術和通信技術的結合產生了數據通信。65438-0969年，ARPA(美國國防部高級研究局)壹期投入使用成功，開啟了計算機網絡的新時代。20世紀80年代，數據庫技術和計算機網絡為實現管理自動化創造了良好的條件。管理自動化的核心問題之壹是辦公自動化，辦公自動化是從20世紀70年代發展起來的綜合性技術，到80年代已經成熟。辦公自動化為管理自動化奠定了良好的基礎。
國際自動控制聯合會(IFAC)於1976年在意大利烏迪納召開第壹屆大系統會議，1980年在法國圖盧茲召開第二屆大系統會議。美國電氣和電子工程師協會(IEEE)於6月1982+00在美國弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘召開大規模系統國際研討會。1980年，國際期刊《大系統-理論與應用》在荷蘭正式出版。這些活動標誌著大系統理論的誕生。
6)人工智能和模式識別
用機器來模擬人類的智能，雖然是人類由來已久的願望，但在電子計算機出現後才開始實現。1936年，圖靈提出了用機器進行邏輯推理的思想。自20世紀50年代以來，人工智能的研究壹直基於充分發揮計算機的作用。
早期對人工智能的研究是從探索人的解題策略開始的，即從智力拼圖、下棋和難度不大的定理證明入手，總結人類解題時的心理活動規律，然後利用計算機模擬，使計算機表現出某種智能。1948年，美國數學家韋納在《控制論筆記》中首次提出了制造象棋機器的問題。65438年至0954年，美國國際商業機器公司(IBM)的工程師塞繆爾用啟發式程序編制了壹個跳棋程序，並存儲在電子數字計算機中，制成了壹個可以積累下棋經驗的象棋機器。1959象棋機器打敗了它的設計者。1956年，赫伯特·西蒙和艾倫·紐維爾開發了壹個叫做邏輯理論家的程序，用電子數字計算機證明了懷特海和羅素名著《數學原理》第二章52個定理中的33個定理。1956年，包括M.L .明斯基、j .麥卡錫、紐維爾和西蒙在內的10位科學家在達特茅斯大學發起了壹場關於人工智能的研討會，標誌著人工智能這門學科的正式誕生。1960人工智能的四位創始人，即斯坦福大學的麥卡錫、麻省理工學院的明斯基、卡耐基梅隆大學的紐維爾和西蒙，組成了第壹個人工智能研究小組，有力地推動了人工智能的發展。自1967起，不定期出版《機器智能》期刊，共9集。期刊《人工智能》出版於1970。國際人工智能大會(IJCAI)從1969開始每兩年舉辦壹次。這些活動進壹步促進了人工智能的發展。20世紀70年代以來微電子學和微處理器的迅速發展，使人工智能和計算機技術相結合。壹方面，人工智能的成果被廣泛應用於先進計算機的設計中，另壹方面，人工智能是通過使用超級微處理器來實現的，這大大加快了人工智能的研究和應用。人工智能的基礎是知識獲取、表示和推理技術，常用的人工智能語言有LISP和PROLOG。人工智能的研究領域涉及自然語言理解、自然語言生成、機器視覺、機器定理證明、自動編程、專家系統和智能機器人。人工智能已經發展成為系統與控制研究的前沿領域。
1977 E.A. feigenbaum在第五屆國際人工智能大會上提出了知識工程的問題。知識工程是人工智能的壹個分支，其中心任務是構造專家系統。1973—1975費根鮑姆帶領斯坦福大學的壹個研究團隊成功開發了壹個用於血液傳染病和腦膜炎診療的醫學專家系統MYCIN，該系統可以學習專家醫生的知識，模仿醫生的思維和診斷推理，給出可靠的診療建議。1978費根鮑姆等人成功開發了高級化學專家系統DENDRAL。1982年，美國學者W.R. Nelson開發了用於診斷和處理核反應堆事故的專家系統REACTOR。中國還成功開發了中醫藥專家系統和蠶育種專家系統。現在專家系統已經應用於醫學、機器故障診斷、飛機設計、地質勘探、分子結構和信號處理等領域。
為了擴大計算機的應用，使計算機能夠直接接受和處理各種自然模式信息，即語言、文字、圖像、景物等。模式識別的研究已經引起了人們的關註。1956年塞爾弗裏奇等人開發了第壹個字符識別程序，隨後是字符識別系統和圖像識別系統，形成了以統計和結構方法為核心的模式識別理論。語音識別和自然語言理解的研究也取得了很大進展，為人和計算機之間的直接交流提供了新的接口。
從20世紀60年代末到70年代初，美國麻省理工學院、斯坦福大學和英國愛丁堡大學對機器人技術進行了許多理論研究，並註意到人工智能的所有技術都被整合起來開發智能機器人，如麻省理工學院和斯坦福大學的手眼裝置，日立公司的具有視覺和觸覺的機器人。由於機器人在提高生產率、代替人脫離危險和惡劣的工作環境、擴大人類活動範圍等方面顯示出巨大的優勢，因此受到人們的關註。機器人技術發展迅速，應用越來越廣泛，在工業生產、核電站設備檢測、維修、海洋調查、水下石油開采、太空探索等方面發揮了巨大作用。正在研究的軍用機器人也有很大的潛在應用價值。機器人的設計、制造和應用技術形成了機器人學。
總結人工智能研究的經驗教訓，人們認識到，機器要解決問題，必須具備人類專家解決問題的知識，而人工智能的本質應該是如何將人類的知識轉移給機器。1977年，費根鮑姆開創了專家系統和知識工程，於是發展了以知識獲取、表示和應用為核心的知識工程。自20世紀70年代以來，人工智能學者開發了各種專家系統，用於醫療診斷、地質勘探、化學數據解釋和結構解釋、口頭和圖像理解、金融決策、軍事指揮、大規模集成電路設計等。智能計算機、新型傳感器和大規模集成電路的發展為先進自動化提供了新的控制方法和工具。
自20世紀50年代以來，在探索生物和人類的感覺和思維機制以及用機器進行模擬方面取得了壹些進展，如自組織系統、神經元模型、神經元網絡腦模型等。，對自動化技術的發展有所啟發。同時期發展起來的壹般系統論、耗散結構論、協同學和超循環理論為自動化技術的發展提供了新的理論和方法。