自动化是机器设备或生产过程，在不需要人直接干预下，按预期的目标、目的或某种程序，经过逻辑推理、判断，普遍地实行自动测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。自动化科学技术就是探索和研究实现这种自动化过程的理论、方法和技术手段的一门综合性技术科学。通过对自动化学科的研究，使各种自动化技术工具可以在一定程度上代替人的部分体力劳动和脑力劳动，从而增强人类改造自然界的能力。

自动化作为一个现代技术科学领域，在实现社会科学化中得到蓬勃的发展，自动化技术在社会各行各业中的推广应用，提高了产品的数量和质量，降低了成本和能源消耗，改善了劳动条件，促进了高新技术的发展，并使企业管理科学化和社会管理信息化。同时，在体现当今科学技术发展规律的机电一体化技术，和以电子技术改造传统产业这两个大的方面，自动化技术亦无可置疑地起着主力军的作用。可以说，自动化技术已渗透到人类生产和社会生活的许多领域，自动化程度的高低，已经成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标志。

事实上，早在自动化技术科学形成之初，控制论的奠基人、美籍犹太学者维纳(N.Wiener，1894～1964)等人就预见到自动化将给社会带来一次新的工业革命。维纳第一个把控制论引起的自动化同“第二次工业革命’’联系起来，并提高到相当的高度来认识。英国物理学家、科学史家贝尔纳(J.D.Bernal，1901～1971)于1954年也曾说过：“我们有理由提到一次新的工业革命，因为我们引用了电子装置所能提供的控制因素、判断因素和精密因素，还有进行工业操作的速度大大增加了。巨型的自动化生产线，甚至完全自动化的工厂都有了……”。他还认为自动化的兴起不仅是一次“新的工业革命”，而且“这场革命或许可以更公允地叫作第一次科学-技术革命”。

回顾自动化技术40多年的发展过程，就其理论基础来说，大体经历了经典控制理论、现代控制理论和大系统理论这三个阶段。通常以1948年作为形成经典控制理论的起点，到1957年已发展成为一门独立的学科，相继产生了若干对分析实际控制系统卓有成效的方法，这一时期对系统采用的分析法，可以说主要是面向频域的，即通常用传递函数来研究设计自动化系统，而主要的设计准则是系统的稳定性。尽管这类分析方法直到70年代甚至现在还在被一些工程技术人员应用于生产过程自动化等场合，但由于在3个或4个自由度以上相互作用的情况下，采用这种方法建立起来的控制系统，在确定其稳定性方面受到了限制，因而束缚了控制技术的发展。

人们在困惑中寻找出路，力求摆脱这种束缚。控制工作者认识上的一大飞跃，是改变过去那种只依据传递函数来考虑控制系统设计问题的概念，而过渡到从这些函数的基础——微分方程来考虑的基本构想。这个过渡的最基本的概念之一是“状态，，的概念，俄国力学家和数学家、稳定性理论的创始人李雅普诺夫(1857～1918)等人，正是利用了状态空间来研究系统的稳定性，产生了用时域的一阶微分方程对线性系统的描述，所得的结果与模拟计算和数字计算更一致。随之，基于性能最优化的一些准则及其概念亦第十八章自动化技术科学的形成和发展为更多的控制工作者所理解，并在实际应用中得到发展。在“状态”、“最优化”和“不确定性量化”等概念基础上发展起来的控制技术，为1957年第一颗人造卫星的发射及其后若干空间计划的实施，提供了制导和信息传输等手段，这些应用对控制技术产生了持续推动，现代控制理论在这个过程中也就逐渐得以形成，从时间上来看，这一时期大体是从1957年到1965年。

从1965～1973年，现代控制理论在自动化技术中得到了更为广泛的发展，并应用于控制技术的一系列子学科，特别是应用于航空航天方面，并因此相应产生了一些新的控制系统。诸如自适应和随机控制，分布参数系统等等。

到70年代中期，科学技术的发展和社会的进步，需要控制工作者对许多工程的、经济的、社会的若干大规模的、复杂的系统进行研究并实施控制。这些系统往往由于自身和外界的交互作用，而具有很强的不确定性，加之，由于一些系统实在太大，甚至涉及数以干计的可分状态，因而结合大系统所具有的一些特性，需要进行大系统分析和大系统综合。这就刺激了现代控制理论不得不向前发展，逐渐形成了大系统理论的雏形，成为第三代控制理论的一个重要内容。它着重研究大系统的结构方案、总体设计中的“分解，，方法和协调等问题。如实现分级多层系统的控制问题，或以分散控制理论指导实现分散控制。从而解决大系统的最优设计、最优控制和最优管理。因此也可以说，大系统理论是系统工程学发展的一个新阶段。作为系统工程应用的成功实例，美国阿波罗计划的实现，推进了控制技术对当代科学和工程实践的影响。

自动化技术是紧紧伴随着生产过程自动化、军事装备的控制以及航空、航天事业的需要而迅速发展起来的。仅从作为现代控制技术的一个分支——制导技术来看，40多年前，法西斯德国向伦敦发射了约2000枚射程300公里的V-2火箭(采用原始的机电式制导系统，制导精度很低)，只有1230枚落入市区，而其中也只有约600枚散落在目标中心13公里的范围之内。今天的射程10000公里的洲际导弹弹头落点圆公差偏差在30米以内。今日自动化技术的迅速发展的确是值得称道的。

一、自动化技术的形成

(一)自动装置的雏形

自动化作为一个现代技术科学领域，是从本世纪40年代中期开始形成的。其实，自动机械的历史，可以追溯到古代。早在3000多年前，我国就发明了“铜壶滴漏”的自动装置。大约在2000年前，发明了自动记录行程的“记里鼓车”和自动指示方向的“指南车”。东汉张衡(78～139)利用铜壶滴漏装置制成了水力天文仪，北宋苏颂又在此基础增加了一个相当于自动调节器的天衡装置，该装置对铜壶滴漏中的受水壶作了改进，使得36个均匀分布的受水壶所盛之水均保持一定重量，从而使天衡装置内的机构尽可能保持恒定的转速，以提高水力天文仪的精度。用今天自动化的观点来看，铜壶滴漏装置属于自动检测或参数恒定系统;指南车是自动定向系统;天衡装置则是个自动调节器;而张蘅利用齿轮系、杆、凸轮传动机构，完成一系列的顺序动作，来自动表示水力天文仪上的每个月的日期，则属于程序控制的范畴。

18世纪中叶蒸汽机问世后，蒸汽机的控制问题成为其推广应用的关键。1784年英国瓦特(J.Watt，1736～1819)采用了能自动调节蒸汽机速度的离心式调速器，才使蒸汽机成为安全实用的动力装置，得到了广泛的应用，1829年法国数学家蓬斯莱(J.Poncelet，1788～1838)制造了一种按扰动调节原理工作的蒸汽机转速调节器。1874年俄国工程师契柯列夫提出并在实际上应用了作为现代电机自动调节基础的调整方法，开始应用了按调节量偏差和按扰动进行调节的原理。与此同时，麦克斯韦在离心式调速器应用了几十年的基础上，总结出调速器的一些理论。由于对蒸汽机控制的实践，1877年英国的劳斯(E.J.Routh，1831～1907)和德国的赫尔维茨(Hurwitz)提出了至今还在沿用的系统稳定性判据。他们方法的优点是，只需根据系统的特征方程式的系数，应用代数方法就能判别自动调节系统的稳定性，而不必求出其特征根。人们依照判据，能够大体定量地知道调节参数的变化，在什么条件下系统是稳定的，为设计较为稳定可靠的自动调节器提供了依据。这是当时能事先判定调节器及自动调节系统稳定性的重要判据。

至此，自动装置随着生产的需要，初步积累了一些设计、应用的经验，也逐步建立了一

些自动化技术的理论基础，孕育着控制技术的迅速发展。

(二)自动调节装置的稳定性

20世纪自动控制技术得到了飞速发展，并开始形成一个现代科学技术领域。通常，设计控制系统的首要要求就是稳定性，要求系统在各种不利因素的影响下能保持预定的工作状态。继劳斯和赫尔维茨提出了稳定性判据之后，李雅普诺夫在力学中广泛研究了运动的稳定性问题，所提出的理论和方法，指导了近半个世纪控制系统特别是非线性系统稳定性的研究，至今未失其作用。李雅普诺夫1892年提出的稳定性定义，不仅反映了客观存在着的大量实际问题的共同特点，而且可以把一个定性问题转变为一个定量分析问题去研究，特别是对那些不可能用分析方法求解的非线性方程或线性变系数方程描述的调节系统，有着重要意义。在上述理论与应用的基础上，1923年英国希维赛德(O.Heaviside，1850～1925)为了简化控制系统的分析与设计，提出了算子法。瑞典的尼魁斯特(H.Nyquist，1889～1976)于1932年研制了电子管振荡器，提出以传递函数为依据的稳定性判别准则。由于组成控制系统的各个部件的频率特性的数据通常可用实验方法来确定，因而形成尼氏法的一大优点。1938年，苏联的米哈依洛夫第一个应用频率法来研究调节器的稳定性，提供了以应用柯西幅角原理为基础的线性自动调节系统稳定性的判据，把自动调节系统环节按动态特性加以典型化作为进行结构分析的基础。1948年，美国的伊文思(w.R.Evans)提出了一种找特征方程的根的简单图解方法，即所谓“根轨迹法”，这是一个研究特征方程的根与系统中某一参数关系的图解方法，弥补了上述尼氏法不能确定系统可以稳定到何种程度的缺点，特别适用于迅速获知系统的响应，并可使设计者能够了解满足系统性能指标可以达到何种程度的近似结果。从而使根轨迹法和频率响应法一道，成为构成经典控制理论的两大支柱。特别是70年代以后，随着电子计算机的广泛应用，建立了用计算机对根轨迹的辅助制图的算法和程序，对直至90年代初的从事控制系统分析和设计人员，提供了一种简捷而准确的手段。1945年美国伯德(H.W.Bode，1905～)总结了负反馈放大器原理，出版了《网络分析和反馈放大器设计》一书，利用对数1率特性，形成了尼魁斯特-伯德法。这种对数频率响应稳定判据，由于频率响应的幅值对数图和相角图易于绘制，从而使这种稳定性判据得到更广泛的应用。至此，解决自动调节装置及系统的稳定性问题基本获得解决。

(三)自动化学科初步形成

第二次世界大战中，对火炮、雷达、战斗机等设计和生产的需要，促使更多的工程师、学者投入军事工程的研究，在总结以往自动调节器、反馈放大器等控制技术的基础上，逐渐形成了调节原理、伺服系统理论，并以此为指导，生产了战时所需的具有高精度、快速响应的伺服机构的武器装备。战后陆续公开了这些理论并推广应用于一般工业生产。如，由美国麻省理工学院物理学家詹姆斯(H.M.James，1908～)、工程帅尼克尔斯(N.B.Nichols)和数学家菲利浦(R.S.Philips)于1947年出版的《伺服机构原理》一书，系统总结了战时共同研究的成果，从而促进了向民用工业的移植。在实现生产过程自动化的进程中，除需要了解被控对象的特性外，往往也需要了解人在控制生产过程中的作用，以便有所借鉴，研制出具有相应作用的自动检测仪表、自动调节装置和执行机构，从而模仿或代替人的视觉、思维判断以及手和脚的若干功能，以自动控制取代人工控制。此外，由于一些自动化系统还需要人参与操纵、调度、管理，对于这种人一机系统，既要研究人，又要研究机器，特别是要研究人和机器的信息交换和控制过程，而且要研究自动机器与生物机体之间存在着的共同规律，因而一门以数学为纽带，把研究自动控制、通讯、计算技术等工程技术与生物科学中神经系统的生理和病理等学科共同关心的共性问题，提炼出来而形成的边缘学科——控制论诞生了。其标志是1949年出版的维纳的《控制论》(Cybernetics)，该书揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律。与此同时，美国应用数学家，当时在贝尔实验室工作的香农(C.E.Shannon，1916～)发表了《通讯的数学理论》，宣告了信息论的诞生。这也主要是由于第二次世界大战后，一部分数学工作者和电子学工作者，总结了多年来通讯系统的丰富实践和二次大战中得到迅速发展的雷达系统的实践，加以提高而创立的一门研究各种信息传输系统共同规律的学科，它的高度概括性和联系多种学科的广泛性，对自动控制理论的形成，起了有力的促进作用。在上述成果和其他有关理论基础上，经典控制理论渐趋成熟，它大大促进了自动化技术的发展，至此.逐渐形成了自动化学科。

二、局部自动化

(一)单一过程的局部自动化(单机自动化)

早在19世纪前半叶，在机械加工上，车、磨、钻、铣、刨、锻等加工方法均已出现，生产机械化初步形成。到19世纪后期，开始出现了第一批自动车床，单机自动化也就开始萌芽。到了20世纪50年代初，由于批量生产的需要，以及经典控制理论的指导，单一生产过程自动化、自动生产线等局部自动化也就应运而生，把人从单调的、繁重的和受机器运转制约的手工操作以生产零部件的状态中解放出来。50年代数控技术的发展，可以美国麻省理工学院研制出来的第一台数控装置的“加工中心”为代表，它是小批量和中批量生产自动化的关键，对当时的飞机制造工业起到了很大的推动作用。

在工业生产过程中亦已广泛应用PID(比例、积分、微分)调节器，对被调量与给定值的偏差，分别或同时按照比例、积分、微分作用的调节规律来控制工业对象。当时，大部分PID调节器是电动或机电式，也有一些是气动或液压式，因而在结构上显得相当复杂，如通常的控制装置一般分装为两个机柜，一个机柜装各种PID调节器，另一个机柜则装有许多继电器和接触器，实现控制中的起动、停止、联锁和保护等功能，这种调节装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，但确起到了其历史作用，直到90年代初在一些老的工厂老的设备中，仍然还可看到这种模拟式的调节器在起作用。到1958年才引入第一代电子控制系统，并用模拟电子计算机来研究和实现这种调节器的功能。在工业控制中也开始应用由继电器构成的逻辑控制器，出现了程序控制。同时，用计算机进行机器零件的计算、数控程序的设计亦得到发展，即现今通常所说的计算机辅助设计CAD开始萌芽。这一时期由于数字控制和数据处理技术的发展，使机械制造业的结构发生了很大的变化。

(二)自动调节系统与经典控制理论

从40年代末到50年代，自动化的理论基础是“经典控制理论”，集中反映在自动调节原理方面。经典控制理论的命名，是相对于“现代控制理论”而言的。它是以反馈为核心，把具有单一输入和单一输出的线性自动调节系统作为主要研究对象，研究的主要内容是自动调节系统的稳定性;所采用的数学模型则以传递函数描述，分析、综合调节系统的主要方法是频域法(即频率响应法);所能达到的目的，基本是实现局部自动化。这一理论的形成、发展与广泛应用的时间，大体在1948年到1957年。

对于控制对象是单输入一单输出的线性自动调节系统来说，按其控制作用的特点，大体有以下三种类型：其一是自动镇定系统，其控制作用的目的是使控制对象保持恒定值，亦称之为定值控制系统。其二为顺序调节系统，或程序控制系统，控制作用的目的是使控制对象按给定的时间函数工作，如飞机的着陆期间满足给定的高度变化规律，机床按一条已知轮廓的程序加工零件等。其三是伺服系统，或叫随动系统，其控制作用的变化事先不能准确地确定，而取决于系统之外进行着的过程，如天文望远镜的导星系统等。

那么，设计一个被控对象的线性自动调节系统，就需要促进基础理论和实现手段与方法的发展，了解理论和应用之间存在着什么样的依存关系，弄清这些问题，对了解经典控制理论的发展过程会是有益的。

通常，从事自动化技术工作的人员，在得到给定任务的技术要求或性能指标后，首先要了解给定控制对象的动态特性以及可能采用的元、部件的特性和设计参数，然后对系统进行初步的分析或综合。为此，就要建立起以传递函数表示的数学模型，这就将实际的物理对象抽象为数学问题，而不管该系统是机械的，电的，或是气动、液压的，甚至是上述的混合体。用系统的方法进行设计，或是在计算装置上进行模拟，或是将系统的线性微分方程，用拉氏变换法转换成复变数的代数方程进行计算，以求得数学解，并同时对各种信号和扰动作用下的响应进行测试或试算。由于设计系统时曾给予一定的假设条件或含有非第十八章自动化技术科学的形成和发展线性的因素，一般需经过若干次的试探法的演算，才能获得较为满意的系统参数，然后再依此建立起实际的物理系统，并通过系统实验，检验其所能达到的技术要求或性能指标，最后进行适当的修改、校正，完成系统设计的全过程。可以看出，控制理论在与应用的结合中，显示了它作为主要研究系统状态的运动规律，以及改变这种运动规律的方法和可能性的作用。

对于一些简单的自动化系统，尽管在应用自动调节技术的初期(50年代初)曾经采用了一些开环控制以及简易自动化装置，由于其控制简单，投资少，收效快，甚至到90年代初在一些要求不太高的场合还被采用。但是，这个时期的自动化，主要以引进反馈概念为其特征，如图18—1中虚线所示，形成闭环系统，即所谓反馈控制，该系统依据输入的控制指令，通过控制器控制被控对象，然后将控制结果的信息再返回来馈送给控制器，经过控制器与原给定值的比较(分析)，再对被控对象实施控制，如此反复循环，以达到或接近所要求的控制目的。这种反馈闭环控制可以克服被控制对象的特性变化和各种干扰因素所带来的误差，改善系统的品质，缩短控制的过渡过程时间，提高静态和动态精度等。驱动雷达天线跟踪移动目标的伺服系统就是一个典型的实例。在生产上，这种方式多用于连续生产过程的自动化。由于石油、化工、冶金等生产过程，其处理对象大都是流体或连续生产过程，工艺比较稳定，传输、控制比较容易，因而在这些部门，生产过程的自动化进展就较快。

如前所述，用经典控制理论对控制系统的分析和综合的核心是采用频域法，其中包含主要用于线性系统的对数频率法、根轨迹法，以及用于非线性系统的描述函数法等，研究的内容主要是稳定性和动态品质问题。

所谓频域法，是指用传递函数来研究设计自动化系统。传递函数概念的产生与电工学有密切关系，且在线性电路的分析上得到了广泛的应用。但在一个较长时期内，在自动化技术领域中，常常把以多项式代数和拉氏变换为基础的传递函数方法，作为控制理论的研究和实际自动化系统设计工作中的一个主要方法。这一时期自动化系统的运算等工作，一般通过模拟计算装置来实现，由于模拟计算装置在性能上有一定局限性，所以尽管在设计系统时已尽量考虑得合理，依据运算结果也确定了所需的参数，但实际调试系统时，往往也只能作为似的参考值，仍需靠富有实践经验的人员在现场反复试凑。加上应用调节原理进行系统设计，通常/适用于对某些单输入一单输出的线性系统进行分析，而对于多输入一多输出的系统，以及随时间变化的时变系统、非线性系统等，则显得无能为力。勉力为然后再之，则必须加以若干假设条件的限制，这就不能不影响到控制系统的设计效果，从而也就需要寻找能适应这类控制对象的控制理论和设计手段。

进入50年代以后，经典控制理论有了许多新的发展。1951年苏联科学家齐普金提出了脉冲系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。1952年美国哥伦比亚大学教授拉加齐尼(J.R.Ragazzini)领导的一个小组详细研究了采样系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。与此同时，一些历史上早已提出的问题又得到了新的研究。如1938年香农等人提出的逻辑控制，1943年苏联沃兹涅先斯基提出的协调控制，1941年苏联数学家柯尔莫戈罗夫和美国数学家维纳分别独立研究出来的最优线性滤波器，1951年美籍中国科学家李耀滋(1914～)等人提出的自寻最优控制，1952年美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出的冗余技术，以及1952年英国精神病医生阿什比(w.R.Ashby)提出的自镇定和自适应等概念，逐渐渗入到控制理论的研究中来。高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新的控制问题，促使一些科学家对非线性系统、继电系统、时滞系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题进行了深入的研究。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后工业发展上的需要。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显示出了一定的局限性。

(三)初步形成自动化技术工具的体系

在某种意义上讲，实现自动化就是把人对生产过程的测量、控制作用，转移到自动化仪表、装置上去，因而研究、设计各种自动化仪表、装置，就成为自动化技术科学的一个重要任务。尤其就现代的工业来说，生产装置本身就是非常复杂的系统，具有相互关联的特点，需要协调动作和控制。对于生产对象或过程特性的变量多、速度快、范围大和不确定性增加等情况，依靠人的直接参加进行控制几乎是不可能的，而且有些生产本身是对人有危害的。因此，不广泛采用自动化仪表装置，要想使工业生产迅速发展，工艺过程强化，生产对象扩大，确实是不可思议的。

最初的仪表大多属于机械式的测量仪表，如离心式转速表等，此时的自动化仪表一般只作为主机的附属部件，结构简单，功能单一。后来发展到气动式和电子式的单元组合式仪表，每个单元都具有一定的特定功能，可以按测量、控制要求进行任意组合，如系列化的DDZ型电动单元组合仪表就是属于这一类。从传感器、变送器来说，60年代主要采用结构型传感器，大都通过机构部分的位移或作用力，产生电阻、电感、电容、气隙等的变化，从而检测出被测信号，这是至今仍是应用得较多的一类传感器。从显示技术来说，40年代到50年代，以模拟指示和记录为主，进行单参数显示，仪表盘通常设在生产装置处，由操作者巡回监视。到了60年代，则以模拟指示和记录、数字显示和打印为主，显示特征为多参数显示和报警发讯数据及打印记录。此时的仪表盘一般集中安装，集中管理，并相应配置模拟流程图表盘。

这一时期主要是解决自动化仪表从无到有以及达到基本性能要求的问题，如自动化仪表在性能方面，主要解决测量范围、精确度、线性度、分辨率、滞环和死区、重复性、再现性、稳定性、灵敏度、时滞和响应时间等问题，在形式与功能方面主要采用静态和接触的方式对热工参量、电工参量和单参数的模拟量进行测量，并可适当的进行数字测量。在控制方式上，从20世纪初的开关控制发展到比例控制，然后是积分控制，到40年代发展到微分控制，利用这一类简单的反馈技术，形成为一整套自动化调节过程的通用控制方式，即通常以比例一积分一微分(PID)调节器为中心，按偏差调节。

三综合自动化

到了20世纪60年代，大量的工程实践，特别是空间技术等方面的实践，提出了一些新的控制问题：如控制对象是距离很远的高速飞行体;控制对象的特性随时间急剧变化，要求较严格的数学描述;控制通道是多路的;以及要求精度高、地面装置大而复杂等。显然，对待这样的一些控制对象，必须发展新的控制理论和方法。

关于这方面的早期成就，我国科学家钱学森结合其从事火箭控制方面的工作，系统总结了当时工程控制理论与技术方面的成果，指出工程控制领域中的重要课题及发展方向，使控制论的基本原理成功地应用于工程技术领域，从而成为工程控制论的奠基者。50年代后期到60年代前期，在工程控制系统设计方面，发展了多变量控制理论、最优控制理论、自适应控制理论，研究了自学习、自组织系统。在工程控制技术方面，促进了电子计算机在国防及国民经济部门的广泛采用，促使生产过程自动化向多机、机组自动化以及综合自动化发展。

一最优控制与现代控制理论

50年代末，60年代初，在大量工程实践基础上逐渐形成了第二代控制理论，或称现代控制理论。一般认为，它是由匈牙利出生的美国学者卡尔曼(R.E.Kalman，1930～)奠定的。他在控制论创始人维纳工作的基础上，引进了数字计算方法中的“校正”概念，吸取了50年代“最优化”的研究成果，于1960年国际自动控制联合会第一届大会上发表了《控制系统的一般理论》，以及相继发表的《线性估计和辨识问题的新结果》，对于控制系统的属性及其关联作用，提供了更深入的认识，奠定了现代控制理论的基础。

第一代控制理论的经典控制理论主要是使用频域法来研究单输入一单输出的自动调节系统，第二代控制理论则发展到用状态空间法或时域法解决多输入一多输出、最优化及时变系统的分析和综合等问题。第二代控制理论大体包括：多变量控制、系统辨识、最优估计和最优控制等主要内容及自适应控制等问题。尽管50年代即已提出“最优化”的概念，并试图对被控对象实施最优控制，但由于理论上还不够成熟和限于当时的技术装备水平，最优控制并未能真正实现。直到1960年前后，“状态空间”的概念和方法才得到发展并获得许多重要的数学结果，如发展了极大值原理、动态规划方法、矩量理论方法、函数空间方法等，并以不同形式给出了最优控制所必须满足的必要或充分条件，推出了最优控制的许多定性性质。这些理论、方法和在实际工程上的应用，成为60年代自动控制领域热门的课题。

对一个实际的控制对象，要实现最优控制，通常要依据控制系统的状态或输出情况进行反馈，找到最优的控制规律，对系统的某些性能指标取极小(或极大)值，实现最优控制过程。例如，为了使航天飞机的有效载荷(即航天飞机扣除自身的支承结构、通讯设备、能源设备及有关控制装置等的重量以后的实际运载量)达到极大，就必须按推进剂消耗量最小的原则来选择推力程序和使命设计，以便进行其他部件的最优设计，达到总体最优化。最优控制在导弹方面的应用，其性能指标通常可以是燃料消耗量最小、脱靶量最小、时间最短等。至于民用控制系统实现最优控制，往往以考虑经济效益为主，如原材料消耗最小、成本最低、实际利润最大等。但是，要找到一个控制对象的最优控制规律不是轻而易举的，首先就得了解控制对象的特性，建立以数学关系式描述的数学模型。但很多人工的或自然的复杂系统不可能或者不完全可能运用传统的力学、物理学等的基本规律给出其中现象的数学描述，而只能从“黑箱”观点出发，用实验方法，根据实验和运行数据，估算出控制对象的数学模型及其参数，然后才能对这类复杂系统进行定性定量的研究，这就是系统辨识所用的方法。系统辨识是实现复杂的工业控制的必要前提。一些控制系统虽经控制工作者针对特定条件作了精心的设计，可是环境条件一旦发生变化，控制品质可能会大大降低，甚至严重到完全不能工作，这就进一步要求所设计的系统能够随着外界条件的变化，自动地调整自身结构或参数，以保持该系统达到满意的控制品质，到50年代出现一些极值控制系统，或叫自寻最优点系统，以及条件反馈系统等。目前，系统辨识已经发展成为现代控制理论中一个独立而重要的分支，除已用于冶金、化工等工业生产外，亦已用于医学以及飞行体气动力学参数的辨识。通过系统辨识建立飞行物体与舰船运动的简化模型等项工作，已超出工业自动控制范围，成为向多方面科学技术研究移植应用的一个良好开端。在数学模型已经建立的基础上，利用统计方法对系统输入和输出数据的量测，对系统的未来“状态”进行估计这就是所谓最优估计。如利用所谓“卡尔曼滤波”，有时能够从带有噪声的量测数据，有效地实时估计出系统的状态，为实施最优控制提供必要的条件。

1960年前后，控制工作者发现传递函数法对于多变量系统往往只能反映系统的输入-输出之间的外部关系，而具有相同传递函数矩阵的若干系统可以有完全不同的内在结构。这就要求要有不同的设计原则，从而提出了“结构不确定原理”。卡尔曼等人在此基础上进行了更深入的研究并建立了“可控性”和“可观测性”的理论，这是我们对于控制系统认识深化的一个标志。如果某些系统的状态变量或其组合，在一定条件下可以受控制变量的影响，则称这类系统具有“可控性”，因而对该系统有可能实施最优控制。为此，知道该系统在什么条件下是可控的，是十分重要的。反之，如果系统的状态变量完全不受控制变量影响，也就谈不上什么最优控制了。同时，由于最优控制需取得状态的反馈信息，以便对系统状态进行最优控制，就必须能从观测值(一般指输出量)中获得关于系统状态的信息，即“可观测性”。否则，同样不能实施最优控制。

60年代中期，现代控制理论初步形成。之后的十几年，最优控制的问题受到很大重视。这主要是由于人们对高质量控制的需求和在控制系统中更有效地使用计算机所导致的必然结果。人们常用第二代控制理论的这些手段进行系统设计，大大改善了系统的精度及技术经济指标。除应用于航空、航天、航海等部门外，在冶金、石油、化工、交通运输等部门也得到广泛应用。

二、多机和机组自动化向综合自动化过渡

从生产过程自动化的角度来看，60年代中期已经从单参数自动调节(如温度、压力、流量等)或控制某一工艺参数的单机和局部自动化，发展到多参数最优控制，实现了多机和机组自动化，并开始向综合自动化过渡。

60年代由于光、电、热和辐射线等物理效应在工业上的应用逐步形成了非电量的电测法和自动记录仪表，研制出由检测到记录的自动测量系统，已可以应用各种独立的元件来设计一个特定测量功能的装置，可以实现按系统设计要求进行选配组装，以提供成套的装置。在测量方法上，到70年代已可进行二维的图形测量和实现三维的物体识别。由于集成电路的出现，可以更好地研制与生产可编程序控制器、小型工业控制用专用计算机、光笔与字符显示终端和自动绘图机等计算机外部设备，实现了计算机辅助设计和辅助制造，研制和生产了简易型和重复型工业机器人。为了实现综合自动化，要求自动化元器件、控制设备等的性能进一步提高，因而提出了提高可靠性、经济性和使用寿命等的要求。如自动化仪表应满足使用环境的要求，以及能承受测量对象的条件变化而引起对稳定性的影响，还需具有灵巧性、扩充性、互换性、经济性和降低仪表故障率等。在传感器和变送器方面，70年代已可利用某些材料的物理性质变化，发展了可实现参数测量的传感器，如热敏、光敏、磁敏、压敏、气敏、湿敏、辐射转换和电光转换等类型传感器。到80年代初，已逐渐发展出配有微处理器的智能型传感器，配在机器人上，使之具有“五官”的功能。显示技术已可进行字符图形显示、大屏幕显示以及进一步实现智能式CRT显示终端。显示特征分为全部参数集中显示和趋势显示，操作者可通过键盘实施人一机直接对话等。在控制器方面，已由模拟式PID调节器发展到直接数字控制仪，以及以数字计算机为基础的数字式控制装置。60年代末开始出现的可编程序控制器(PLC)，由于集计算机和工业过程控制系统的优点于一身，具有很强的生产现场适应能力。又由于采用了浅显易懂的继电器逻辑语言为软件编程的基础，因而在80年代应用十分广泛，每年约以30%的增长速度发展。进入90年代已趋于将中央处理单元(CPU)和输入/输出单元(I/O)作成一体形结构，全体作成平板薄形，以追求低价和便于安装于受控机器的内部。由于PLC的广泛适用性，一些国家PLC的产值达到全部工业控制用产品销售额的1/10，甚至将发展应用PLC作为国策之一，与工业机器人一起成为国家的战略性产品。特别是由于微处理器和高集成度的半导体存贮器的出现，综合自动化的控制任务，不再是只由一台高效能的计算机处理，而是将控制任务分散开来，分配到数台微处理器上，再将它们联接起来，形成一个多处理机系统型的综合控制系统。这种系统具有通用性和灵活性，可以适应各种不同自动化水平的要求，也可以经济地构成大、小规模不等的系统。

1975年底方始推出的分布式控制系统(DCS)或称集散控制系统，到80年代得到了迅猛发展，并成为90年代工业过程控制的主流和发展方向。其特点是“过程控制分散，信息管理集中”，表现了递阶控制的思想，整个系统由基本控制回路和上位控制管理计算机两级构成，并可向更上一级计算机通信。由于采用了分布式结构形式和冗余技术，提高了系统长期运行能力和可靠性。

90年代正在发展中的工业过程控制系统结构称之为网络控制，其特点是将最下位的现场传感器、调节器、执行器和可编程序控制器、过程控制站、管理操作站均纳入系统，且引入MAP(美国制造商自动化协议，国际通用的工厂自动化协议标准之一)协议标准和现场总线概念，形成一个全分布式的计算机控制系统，实现综合自动化。

电子计算机是实现综合自动化的关键设备。它具有进行最普遍意义的信息自动化处理的能力，同时由于工业控制机和微型机性能价格比的提高和高达数千小时的无故障时间，为控制理论与应用的结合提供了优越的条件，并扩大了自动控制的应用范围。首先，由于数字计算机有着计算精确的特点，有利于和数字化传感器和数字化执行机构结合，使工业生产过程的精密控制成为可能;其次，由于数字计算机具有很强的计算能力，可以实现依据生产过程运行状况的改变而自动改变控制参数，并能计算出生产过程的发展趋势，从而预先确定要调整的操作条件，实现对复杂的工业生产过程的自动控制;第三，更由于使用计算机不仅能对生产过程进行最优控制，而且可以对敏感器件、执行机构和包括计算机本身在内的全部生产设备进行监督控制，使得实现整个企业和企业体系生产过程的综合自动化具有可能性和现实性。到了80年代，计算机图形技术有了飞速发展。进入90年代，多媒体技术成为计算机和自动化领域的热点，1992年多媒体技术已达到商品化、实用化阶段，销售额已达50亿美元。其最主要的特点之一是集成化，是计算机、控制、通讯、网络和软件等多种技术的综合，有机地组合数值、文字、声音、图形、图像等信息载体与使用计算机的人进W匀欢曰埃换恍畔ⅲ凳┘扑慊刂啤⒏玫厥迪挚刂葡低持械男畔⒋娲ⅰ⒋怼⒋洹⒖刂啤⒐芾淼仁侄翁峁┝擞行У募际趸　?梢运担扑慊囊耄棺远际醯姆⒄钩鱿至艘桓龇稍尽?SPAN lang=EN-US>

现代化的大工业生产，系统庞大而复杂，单纯靠仪表、巡回检测和反馈控制等局部自动化已不能适应需要，也就逐渐创建了如图所示的由组织管理与过程控制相结合的多级计算机控制的大规模自动化系统，从而逐步走上了综合自动化的发展道路。1975年前后，已经研制出新型综合控制系统装置，这个装置将通用计算机、工业控制机、微处理机、通讯技术与常规仪表等综合成一套通用性大、操作集中，显示醒目和具有多种功能的最佳控制系统;以及采用包括快速数据通道、操作显示和过程控制等具有成套硬件和软件的组合式标准组件。根据冶金、电力、化工、轻工等部门的需要，可以组成从简到繁，可逐步扩充功能的计算机控制系统。

这个系统实际上是80年代得到迅速发展的计算机集成制造系统(CIMS)的一个雏形。CIMS是管理工程、控制工程、计算机工程、电子工程和机械工程等多学科的交叉、多种技术的集成和渗透形成的，是实现综合自动化的基本模式，也是21世纪的“未来产业基本模式”。CIMS在1991年世界范围内的销售额就已达700亿美元。CIMS从用户订货单开始，输入产品需要的有关信息，从产品初始构思、设计、制造、检验、管理、经营均有机联系的一个高技术综合生产控制系统。它将工厂控制系统与企业行政事务管理信息集成在一起，在企业内部完成自动化作业的全过程。它采用层次式的控制结构，将管理信息系统(MIS)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)等功能集于一身，采用MAP作为通讯网络并与远程网络相连。因此，CIMS的发展已使综合自动化成为现实。

图：计算机四级管理系统框图

三、遥测遥控向遥技术发展

遥测遥控系统是利用遥测技术实现远距离测量、控制和监视的系统，是自动化技术科学的一个重要分支，它是在自动控制、传感技术、微电子技术、计算机技术和现代通信技术的基础上不断完善和发展起来的。凡是距离遥远、对象分散或难以接近的系统，均可采用遥测遥控实现集中监控和管理，这已在无人驾驶飞机、人造卫星、导弹、空中交通管制、铁路调度、核工业、电力系统、地震预报台网、输油和输气管线等军事和国民经济部门得到广泛应用。

最早的遥测遥控系统只是测控距离较近的机械式或液压、气动式。19世纪出现使用电的有线遥测遥控系统，20世纪初出现无线遥测遥控系统。在20世纪20年代末，遥控飞行器的往返飞行距离已达1000公里。这项技术在第二次世界大战中得到迅速发展，40年代初先后研制成功飞机和火箭用的调频/调幅遥测系统，以及脉幅调制和脉宽调制等遥测系统。50年代又发展了脉码调制，标志着遥测遥控系统从模拟式发展到数字式。现今的遥测遥控系统的最大传输距离已达几亿公里，能传输兆比特级的数字图象信息，并出现了可编程序、自适应和分集式遥测遥控系统。航天遥控系统已发展成一个利用微波波段的载波作为遥控、遥测、测距和测速的共同载波，称为S波段统一载波测控系统，使系统设备大为简化。

随着航天技术的发展，进入80年代，遥技术的概念应运而生。遥技术实际是一种用户技术，是指地面人员利用自控、遥控操作和机器人技术来控制空间实验的技术。例如在欧洲空间局(ESA)的哥伦布空间计划中，由于用户所需的各类实验将在宇宙空间的空间站上完成，且长期处于无人介入的状态，依靠遥技术可以不需宇航员参与，而直接在地面对空间实验进行遥控操作，也就使受生理条件限制的宇航员从那些要求在太空中驻留时间长和工作强度大的任务中解放出来，这解决了许多专业人员和科学家由于身体条件限制无法进入空间实验室进行现场工作的问题。为了对遥技术进行实验性论证，欧洲空间技术中心(ESTEC)组织了人员对流体、材料和生命科学的三大实验提出技术要求，研制并建立了遥技术测试台(TTB)和技术保障、接口技术、仿真遥控操作实验，并对实验进行分析、评估。90年代初，第一台TTB在ESTEC安装完毕并开始了实验研究，标志着遥技术这一门新学科开始步入成熟阶段。可以说，从遥测遥控发展到今日的遥技术，是未来空间技术的发展趋势，标志着人类对太空的认识已经从探索研究阶段到90年代中期将开始进入开发利用的时代。

四、向广度发展，实现大系统和复杂系统的控制

(一)大系统

70年代以来，随着科学的发展和社会的进步，现代的工业、电力、交通、生物、生态以及军事指挥等大规模的生产和管理系统愈来愈多，日益复杂。例如大型钢铁企业的控制和管理系统;全国或地区性的商品供销量的实时监督和分类调度;货币的发放和回笼，储蓄业务的存取自动化管理等银行业务管理;包括人事档案管理自动化和职工每日出勤记录，以及总出勤率的自动化统计分析等的大企业和部门的人事自动化管理;生态系统和环境污染的分析、管理和控制;人口的发展计划和控制，人口长期预报;工业区和大城市郊区的公路网上的交通信号管制，乘客密度的实时分析和车辆调度等等。现今对于那些能够在大范围内采集数据，处理数据，分析情况，从而进行指挥管理和控制的系统，往往统称为大系统。对于这样一些大规模的复杂的系统评价、设计、控制与管理，只能求助于运用系统工程学的方法，对其实施系统控制。如通过分别解决大系统中各自独立而又相互制约的子系统的最优化问题，来达到全系统的整体最优化目的。

大系统是系统工程学发展的一个新阶段，大系统的理论和实践，主要是研究解决系统工程中关于事物发展过程的定量描述、模拟、预测和控制的那一部分问题。因此可以说，系统工程也是自动化技术科学工作者的重要研究内容之一，系统工程研究的问题概括起来不外是两个方面：一个是工程技术系统，二是社会经济系统。各类系统工程的共同理论基础是运筹学，目的是实现各类系统的组织和管理技术。作为从事自动化技术的人员，则是要研究系统各个构成部分，如何进行组织，以便实现系统的稳定和有目的的行动。由于系统工程在实现一个国家现代化中处于十分重要的地位，加强这方面研究工作的开展，必然能在技术上、经济上和社会上见诸效益。

大系统通常具有下面三个特点：信息的采集和处理量大面广;系统的多级结构模型;集中与分散的控制方式。如从地理上看，需要从各地区或各部门去采集数据，经过对大量数据的处理加工，再由控制中心进行分析并作出决定，最后再反馈到这些部门或地区去执行。或者虽不具备上述地理分布上的特征，但由于设备多，任务过程复杂，具有多级控制结构的系统，也可作为其特征之一。因为在很多情况下，复杂的大系统可以分解为较小的相互作用的子系统进行分析，然后再重新组合为大系统。这些分解方法产生了子系统的分级模型，对分级结构中的每一层需经该层的性能测度，实现每层的控制最优化，最后再力图实现整个系统的综合最优化。因此，要实施对这类大系统的分析，就要对已有的系统实现“模型化”，也就是要根据需要与可能，建立系统的数学模型，用以描述系统的动态和静态特性、性能指标、运行状态的数学表达式等;或建立系统的网络模型，绘制出表示系统信息流或物质流、时间顺序、逻辑关系等相互联系的网络图(由支路、节点等组成)和计划评审图等;如果有条件，还须进一步建立系统的物理模型，用以对大系统进行仿真，模仿实际系统的物理过程、运动状态、生理或心理的活动等等。对于尚待筹建的大系统，则通常要根据大系统的总任务、总目标，选择设计方案，确定控制规律，制定管理办法，这就要实施对大系统的综合。综合的目的，就是要对大系统进行决策、规划、设计，对大系统的筹建过程与实际运行，进行科学的计划协调与组织管理。有这样一个实例，一个复杂的战略防御系统的战术单位，它包括几台大型计算机联合控制预警雷达，精密相控阵雷达，并承担导弹的发射和引导以及模拟训练等任务。在这个复杂系统中，它实时控制六个子系统，具有735 000条软件指令，还包含有580 000条软件指令的六个支援子系统，以及含软件指令830 000条的六个方面的调试维护系统，这样一个大系统，它的控制、支援和维护使用都用计算机实现了自动化。也只有在计算技术发展到今天，才有可能实施对大系统进行实时的、不间断的、自动化的监视和控制。现代自动化技术科学的一些内容，如动态规划，评价问题，决策问题，对策问题等已引起了自动化工作者的关注，一些著名学者和研究机构亦纷纷转向该问题的研究。1965年美国学者切斯纳特(H.Chesnut)以系统模型化、最优化、信息处理等为核心，归纳成系统工程学的方法，并担任了国际自动控制联合会中新成立的系统工程学技术委员会的主席，正式把生产系统和经济系统问题作为活动内容之一。以后每隔一、二年召开一次有关问题的讨论会。着重从控制与信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的“分解”方法和协调等问题。大系统理论

五、向深度发展，实现智能控制

智能控制，是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。它在控制论、信息论、计算机科学、神经生理学、实验心理学、仿生学等有关学科互相渗透的基础上，汇集各有关方面的研究成果进行综合性研究，成为自动化技术科学向纵深发展的标志之一。

智能控制的思想最早是由华裔美国模式识别与机器智能专家傅京孙(K.S.Fu，1930～1985)于1965年提出的，直至1985年建立实用智能控制系统的条件才逐渐成熟，并在美国首次召开了智能控制学术讨论会，1987年再次在美国召开了智能控制首届国际学术会议，标志着智能控制作为一个新的学科分支得到承认，较重要的智能控制系统之一是分级递阶智能控制系统，是在学习控制系统的基础上，将人工智能与适应控制系统和自组织系统结合而形成的，用以在一定程度上解决复杂离散事件的控制设计问题，以及应用于工业、航天、核处理和医学等方面的自主控制系统的设计问题。

专家控制系统是智能控制的另一重要方面，它能模仿某一方面的专家和熟练操作人员的控制技能和经验。它具有专家控制系统和专家式控制器两种形式，一般兼有理解、预测、诊断、计划制定、监控等多种功能。表明了工程控制技术与知识工程的结合，意味着系统科学与思维科学的相互渗透。

进入90年代，属于智能控制范畴的模糊控制技术得到了较快发展，它是一种采用由模糊数学语言描述的控制规则来操纵系统工作的控制方法。其特点是不需要考虑控制对象的数学模型和复杂情况，只需要依据由操作人员经验所制订的控制规则即可构成。这就使模糊控制如同专家系统一样具有重大而深远的意义，这是由于众多的实践证明，许多复杂控制过程难以用数学方法建立定量计算模型，而必须用知识工程技术建立定性分析模型，有时还需要建立定性分析与定量计算相结合的理论模型。通过模糊控制方法而设计出由计算机执行的模糊控制器，所依据的控制规则通常不是精确定量的，其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数，以及从输出量模糊集到实际的控制量的转换方法等，均有相当大的任意性，这种控制器的性能和稳定性，往往难以从理论上作出确定的估计，只能依据实际效果评价其优劣。值得欣慰的是，近几年来国内外已开发出数以百计的应用方面的模糊控制器，并在多种领域得到成功的应用，可以说正是方兴未艾。另一类由专家控制器和模糊控制器互相渗透而发展起来的专家模糊控制器，亦是智能控制中一种研究得十分活跃的专家控制器，只是在名称上略有区别。

智能机器人是智能控制的综合研究对象、工具与成果，人工智能与模式识别的研究，是为实现智能控制提供理论基础与技术手段的重要前提。实现智能控制是人工智能与模式识别研究的最终目的的一个重要方面。智能机器人作为一个典型的智能控制系统，也必然要引用人工智能与模式识别的研究成果并作为它们理论与实践结合的主要对象之一。

智能机器人的研究，实际上就是研制具有仿人智能的自动机器，这是人们长期以来的愿望，直到60年代后期，具有极简单智能的机器人雏形方才问世。60年代后期发展起来的“智能机器人”，亦多限于在“积木世界”中活动，它仅仅具有识别简单的三维物体的形状，进行积木分类、堆放的智能，或少量具有视觉、触觉。如日立中心研究所研制成的“手一眼”装置与带触觉手的智能机器人，它有两只眼，一只眼用于看图纸，另一只眼与机械手进行装配作业，依靠两只眼的协调配合，完成按图纸装配的工作。日立公司研制的具有视觉与触觉的机器人，用来制造水泥杆，并可将螺钉拧到水泥杆的模具上去。当机器人走近螺钉和其他凸台时，作为“眼”的电视摄像机搜索目标，识别其形状与位置，再由带