賽伯（自動化）的誕生

　　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，來滿足人們生活的需要。人們在幾千年的生產過程中，發明了很多節省力氣的工具，如在河流上建造的水車。可以通過水的沖擊帶動輪子轉動，實現灌溉、淘米等工作。

　　工業革命的到來，為自動化的發展帶來了巨大的動力。1788年，為了解決工業生產中蒸汽機的速度控制問題，瓦特在自己發明的蒸汽機上安裝了一個飛球，并將它與蒸汽機的閥門連接在一起。這樣當蒸汽機的轉速太快時，飛球升高，使閥門開的小些，蒸汽機會減速。瓦特的這項發明開創了自動調節裝置的應用和研究。這項發明的成功表明自動化技術已具雛形。但是這些發明都是在人們工作檢驗中產生的，沒有形成理論的指導。直到一百多年后，美國數學家維納與墨西哥生物學家羅森布盧埃特合作，經過從1934年到1947年的十幾年研究，最終提出了自動化的理論基礎著作——控制論。標志著自動化技術的正式誕生。從誕生到現在，自動化技術在各個領域大顯身手，飛機導航、交通運輸、導彈控制中到處都是自動化技術的應用。

　　隨著自動化技術的日益發展，越來越多的科學家要求給他們這個新生的“愛子”起一個響亮的名字，1970年4月，在美國芝加哥召開的首屆國際機器人大會上，有一項重要的議題就是給自動化技術起一個響亮的名字。為此各國學者各抒己見，爭論不休。最后多數科學家主張將自動化技術命名為“賽伯”。賽伯一詞來源于希臘文，意思為“掌舵人”，轉意為“管理人的藝術”。維納首先在他的自動化技術的經典著作《控制論，或關于動物在動物和機器中控制與通訊的科學》中，首先使用了cybernetics（賽伯）一詞。人們為了紀念維納在自動化發展中的巨大貢獻，最后決定將自動化技術命名為賽伯。

　　但是由于人們長期以來一直使用自動化這個詞，形成了習慣。雖然它有一個如此好聽，并且充滿寓意的名字，人們還是習慣叫它的小名自動化，這就。好比人們喜歡稱自己熟悉的人的小名一樣。

　　賽伯溯源

　　雖然直到1788年瓦特發明蒸汽機的速度調節器，自動化技術才開始進入到工業生產的使用領域。但是人們在幾千年的勞動過程中，早已經利用自己聰明的頭腦創造出了一些巧奪天工的裝置，這些自動化裝置體現了朦朧的自動化思想。

　　大家在觀看電視連續劇《三國演義》時，不知注意到了劇中提到的木牛流馬沒有。這種木牛流馬傳說就是諸葛亮發明的一種自動裝置。它可以不用牲畜做動力，而是使用類似彈簧的裝置來提供動力，幫助諸葛亮的軍隊運送戰略物資。這雖然只是個傳說，但是卻體現了人們對于自動化裝置的向往。

　　指南車

　　如果說諸葛亮的木牛流馬只是一個傳說。而同樣是三國時期的我國古代發明家馬均發明的指南車則確有其事。這種指南車上有一個小木人，無論如何向前、向后、還是轉彎，小木人的手一直指向南方。這種裝置好像現代的自動定向儀。后來在魏晉時期又出現了記里鼓車。記里鼓車分上下兩層，上層設一口鐘，下層設一鼓。車上有一木人，峨冠錦袍，坐于車的下層。車走十里，小木人擊鼓一次；每擊鼓十次，小木人就上升到上一層，擊鐘一次，煞是有趣。這種裝置是利用齒輪傳動的原理來實現的，其實我們現在汽車上用的很多里程表所用原理也一樣，與這種里程鼓車沒有什么區別。

　　在國外，在古代也有很多制造巧妙的裝置，2000年前的古希臘，有一個非常出色的技師叫希羅，他經常向阿基米德等科學家請教、學習，制造出了許多機器。有神殿自動門、神水自動出售機、里程表等。神殿自動門當有人拜神時，點燃祭壇上的油火，油火產生的熱量就會使一個箱子里的空氣膨脹，然后膨脹的空氣就會推動大門，使大門打開。當拜神的人把油火熄滅后，空氣受冷縮小，大門于是就會關閉。當時的人們由于沒有什么科學知識，還以為是神仙顯靈，為他們開門呢！其實這種裝置也就是現在人們經常使用的發動機的原理。

　　蜀錦機

　　到了17世紀中葉，工業生產突飛猛進，科學技術日新月異。這個時期的人們思想異常活躍，用機器工作的愿望比任何時候都更加強烈。哈格里夫斯是英國的一名普通工人，但是他卻發明了紡紗機，他的妻子是一個紡紗工人，每天都在辛苦的工作，但是還是不能滿足織布用。于是他想為自己的妻子作一個效率高的紡車，但是總也沒有好的主意。有一天他不小心將妻子的紡車碰倒了，奇怪的是，原來水平放置的紡錘直立了起來，但是線卻沒有斷，紡錘還在動，看到了這個情景，他有了靈感。他在原來的紡車上加了好幾個紡錘，再用一個輪子帶動它們，老紡車一下子成為了一個一次可以紡出很多紡線的新紡車。這種紡車的問世，打響了機械化生產的第一炮，也加快了自動化的發展。我國古代也有了這種紡織機，蜀錦機是我國古代織造技術最高成就的代表。織造時上下兩人配合，一人拉花，一人踏桿，引緯織造。

　　人類自從開始勞動以來，就不斷尋求著能夠代替自己進行勞動的機器。正是這種愿望，使一代代勞動人民發揮他們的聰明才智創造出了許多的自動化裝置，也正是這種愿望，才使我們今天的自動化技術在各個領域里發揮著巨大作用。

　　炮火中的發展

　　自動化技術從產生到現在，它的發展始終沒有離開武器裝備的需要。

　　在第二次世界大戰中，同盟國軍隊的主要作戰武器是火炮。當時的火炮威力大、射程遠，但是命中精度比較差。比如當時的高射炮打飛機平均要3000發炮彈才能擊中一架飛機。美國的科學家為了自己的祖國，為了戰爭的需要，成立了以維納為代表的科學家集團，運用當時的計算機技術，根據汽車駕駛的道理，借鑒人的行為，設計了一系列的自動控制裝置和系統。這些裝置和系統大大提高了火炮射擊的精度，改善了雷達跟蹤目標的能力，還解決了魚雷、飛機等導航的關鍵問題，大大提高了盟國軍隊的作戰能力。自動化技術在抗擊德軍空中飛機轟炸、水下潛艇的攻擊等方面發揮了巨大作用，為二戰的最后勝利做出了巨大貢獻。同時，自動化技術在實際應用中得到不斷發展，逐步走向了理論化和系統化，維納的名著《控制論》也就是在二戰期間寫成的。如果沒有二戰這個巨大的實驗場，自動化技術也不會有如此大的發展。可以這樣說“軍事裝備是自動化之父，二戰是自動化誕生的產房”。

　　如果說軍事設備是自動化之父，那么工業生產就是自動化之母。自動化生產是人們夢寐以求的事情。大家都聽說過諸葛亮三天之內造十萬只箭的故事吧，諸葛亮雖然沒有造出十萬只箭來，但是他從曹操那里借了十萬只箭。顯示了諸葛亮過人的計謀。但是在1789年的美國卻真發生了這樣一件事情，美國政府要求工廠主惠特尼在15個月中生產一萬只滑膛槍。這比諸葛亮的十萬只箭的任務還要難完成，但是惠特尼采用了一個新的方法完成了任務，他把每個造槍的工作化整為零，每個工作只生產其中的一種部件，然后把每種部件都放在一個袋子里，每個袋子都編上號。最后從不同的袋子里各取出一個零件就可以組裝成一條槍。惠特尼就是靠這種方法完成了生產任務。他的這種方法也為后來的流水線生產打下了基礎。

　　福特發明的汽車生產線是最成功的早期生產線，1913年福特創建了由專用機床組成的“運動中的組裝線”在這種生產線上，要組裝的部件由傳送帶運到一個個工人面前，每一個工人只完成一種操作。組裝汽車就像流水一樣運行得有條不紊，大大提高了生產效率。這種生產線使福特成為“汽車大王”，也使汽車走入了普通百姓的家中。從流水線問世至今，生產自動化的發展跨越了幾個階段，現在已經發展到完善的階段即無人工廠，也就是CIMS技術。

　　自動化技術為生產力的發展起了巨大作用，實現了人們擺脫繁重的勞動的愿望。同時自動化技術也在應用中得到不斷發展和完善。

　　賽伯（自動化）原理仔細看

　　人們為了達到節省體力，提高生產效率的目的, 發明了許多自動化機器和設備，這些設備和機器可以在人不直接參與的情況下, 按照人們預先設計的要求，根據給定的指標完成原來需要人自己做的很多工作，使人從生產過程中解放出來。這些設備和機器種類繁多，形式千差萬別，所完成的功能各不相同。有工業中的生產過程自動化，也有軍事上的導彈制導和飛機導航。是什么原因使他們具有了如此巨大的魔力呢？我們可以看下面一個簡單的例子，它會告訴我們其中的奧妙。

　　我們現在作一個游戲，讓張三和李四分別去拿放在一張桌子上的杯子，張三把自己的雙眼蒙上，而李四卻不用蒙上雙眼。看看他們誰能順利地拿到杯子。結果是很明顯的,張三很有可能要試很多次才能拿到杯子，但是李四會很順利地拿到杯子。這是為什么呢？有人會說，這太簡單了，因為張三看不見。但是為什么看不見就拿不到呢？可能就回答不出了。我們來分析一下拿杯子這個動作完成的過程，就會清楚其中的秘密。人在打算拿桌子上的杯子時，首先要看一下，杯子的位置與自己手的距離有多少，然后人的大腦會命令自己的手做出動作，向減少這個距離的方向移動，同時不斷的觀察兩者之間的距離還有多少，直到人的手碰到了杯子，大腦就命令手停止運動，杯子也就拿到了。這個過程可以用下邊的圖來表示。

　　人就是通過這個過程來完成拿杯子這個動作的。游戲中的張三被蒙住了雙眼，自然他就無法知道自己的手和杯子之間的距離還有多少，自然也就不容易拿到杯子。正是由于沒有了眼睛，所以圖中的反饋就無法形成，人這個“機器”也就工作不正常了。

　　自動化設備和機器的關鍵就在于反饋的存在，正是有了他的存在，才使自動化成為可能。反饋就是我們上面所提問題的答案, 是自動化的奧妙所在。其實反饋存在于很多地方，無論是機器還是我們人體里，反饋都起著重要的作用。

　　一個自動化系統無論結構多么復雜都是由下面幾部分組成：

　　第一，檢測比較裝置。所起作用相當于人眼在上面例子中的作用，主要是獲得反饋，并且計算我們要達到的目的與現在的實際情況之間的差值。

　　第二，控制器。所起作用相當于大腦在上面例子中的作用，主要是用來決定應該怎樣做。

　　第三，執行機構。主要所起作用相當于人手在上面例子中的作用，完成控制器下達的決定。

　　第四，控制量。也就是所要達到的目的，相當于手和杯子之間的距離。控制量是我們自動化機器所要達到的最終目的。

　　通過上面的例子，大家應該明白了自動化工作的基本原理了。其實每個人都可以按照上面的例子，來分析自己身邊的一些自動化設備和機器的工作原理。

　　正反饋和負反饋

　　自動化技術的核心思想就是反饋，通過反饋建立起輸入（原因）和輸出（結果）的聯系。使控制器可以根據輸入與輸出的實際情況來決定控制策略，以便達到預定的系統功能。根據反饋在系統中的作用與特點不同可以分正反饋（positive feedback）和負反饋（passive feedback）兩種。下面通過例子來說明兩種反饋在系統中的作用。

　　負反饋的特點可以從“負”字上得到很好的理解，它主要是通過輸入、輸出之間的差值作用于控制系統的其他部分。這個差值就反映了我們要求的輸出和實際的輸出之間的差別。控制器的控制策略是不停減小這個差值，以使差值變小。負反饋形成的系統，控制精度高，系統運行穩定。我們通過介紹自動化原理時用到的例子來說明負反饋的工作過程。當人打算要拿桌子上的水杯時，人首先要看到自己的手與杯子之間的距離，然后確定自己手的移動方向，手始向水杯移動。同時人的眼睛不停觀察手與杯子的距離（該距離就是輸入與輸出的差值），而人腦（控制器）的作用就是不停控制手移動，以消除這個差值。直到手拿到杯子為止，整個過程也就結束了。從上面的例子可以看出，由負反饋形成的偏差是人準確完成拿杯子動作的關鍵。如果這個差值不能得到的話，整個動作也就沒有辦法完成了。這就是眼睛失明的人不能拿到杯子的緣故。負反饋一般是由測量元件測得輸出值后，送入比較元件與輸入值進行比較而得到的。

　　正反饋在自動控制系統中主要是用來對小的變化進行放大，從而可以使系統在一個穩定的狀態下工作。而且正反饋可以與負反饋配合使用，以使系統的性能更優。大家熟悉的核反應就是一個正反饋的例子。鈾－235、钚－239這類重原子核在中子轟擊下，通常會產生兩個中等質子數的核，并放出２－３個中子和２００兆電子伏能量（相當于３.２×1011焦耳）。放出的中子有的損耗在非裂變的核反應中或漏失到裂變系統之外，有的則繼續引起重核裂變。如果每一個核裂變后能引起下一次核裂變的中子數平均多于１個，裂變系統就會形成自持的鏈式裂變反應，中子總數將隨時間按指數規律增長。這樣反應堆中越來越多的核子發生裂變，放出更多的能量，從而達到發電的目的或者用來做其他用途。在反應堆工作之前，要通過幾個觸發中子來使系統工作起來。一旦反應開始后。系統自己會產生大量的中子來維持反應的進行。利用這種正反饋機制可以形成大規模的核反應。但是正反饋總是起放大最用，這樣就會使系統中的作用越來越劇烈，最后會使系統損壞。所以一般正反饋都與負反饋配合使用，有的時候會在正反饋后面加上非線性環節（如限幅環節）。在核反應堆中，就是通過控制反應堆中鉛棒（鉛棒可以吸收中子）與反應物接觸的面積來控制核反應的劇烈程度，否則我們就沒有辦法控制核電站發電多少了。

　　控制器——系統的大腦

　　自動控制系統中控制器在整個系統中起著重要的作用，扮演著系統管理和組織核心的角色。系統性能的優劣很大程度上取決于控制器的好壞。我們可以通過比較人工控制系統和自動控制系統的工作原理來認清控制器的作用。

　　首先我們介紹人工控制系統，圖1是恒溫箱的人工控制系統的結構圖。要求恒溫箱中的溫度保持恒定。為了測量恒溫箱中的溫度，安裝一個溫度計來指示恒溫箱中的溫度，這個溫度就是系統的輸出量，或稱被控制量。操作者始終觀察溫度計的溫度，當小于恒溫箱給定時，就增大加熱裝置的電流；相反當大于恒溫箱給定時，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。人在這個系統中有以下的作用：

　　1．觀察恒溫箱中溫度。

　　2．比較恒溫箱中溫度與給定溫度的差值。

　　3．調節加熱電流的大小。

　　圖１人工控制系統結構圖

　　了解了人工控制系統的原理，我們只要用一些設備模仿和代替人的智能，就可以把它變成自動控制系統。首先用熱電偶來代替溫度計來測量溫度的值，然后用比較放大電路代替人對溫度的比較，用電機代替人手來轉動恒溫箱的電流調節裝置。只要放大電路的極性和電機的轉動方向合理選擇，就可以完成自動控制恒溫箱溫度的工作。自動控制系統的結構圖如圖2所示。

　　圖２自動控制系統結構圖

　　從圖1和圖2可以看出，人工控制系統和自動控制系統非常相似，熱電偶就相當于人的眼睛；比較電路完成人大腦的功能，電機代替人的肌體；人工控制系統和自動控制系統雖然采用不同的裝置，但是它們的原理很是相似。在自動控制系統，我們經常把比較放大電路以及其他附加裝置（主要起校正作用）稱為控制器，而把執行機構（電機）和控制對象（恒溫箱）稱為受控對象。這樣可以得到控制系統的一般結構圖：

　　圖３控制系統一般結構圖

　　從圖3中可以看出控制器實際上就是代替了人工控制系統中人的大腦的作用，它根據輸入信號和反饋信號來確定控制信號。在控制系統的設計時，往往受控對象是不能夠被改變的，要想系統滿足性能要求，關鍵是要看控制器設計的如何。一個好的控制器可以使系統很好地工作，反之系統是不能滿足要求的。這和一個頭腦比較笨的人往往不如聰明人做工作好是一樣的道理。控制器有各種形式，按照信號的性質分，可以分成模擬控制器和數字控制器兩種。前者信號主要是模擬形式的；后者主要采用數字形式進行計算，輸入和輸出端有D/A和A/D轉換器。控制器的結構有的復雜而有的比較簡單，上面恒溫箱控制中的比較放大電路就是比較簡單的控制器。復雜系統的控制器往往很復雜，有的控制器甚至就是一臺計算機。

　　傳感器——系統的耳目

　　自動控制系統能夠按照人的設計，在人不參與的情況下完成一定的任務。其關鍵就在于反饋的引入，反饋實際上是把系統的輸出或者狀態，加到系統的輸入端與系統的輸入共同作用于系統。系統的輸出狀態實際上是各種物理量，他們有的是電壓，有的是流量、速度等。這些量往往與系統的輸入量性質不同，并且取值的范圍也不一樣。所以不能與輸入直接合并使用，需要測量并轉化。傳感器正是起這個作用，它就像是控制系統的眼睛和皮膚，感知控制系統中的各種變化，配合系統的其他部分共同完成控制任務。

　　人類為了從外界獲得信息，必須借助于感覺器官。但是人的感覺器官并不是萬能的，要想獲得更為豐富的信息，進一步研究自然現象和制造勞動工具，人的感官顯得很是不夠了。作為一種代替人的感官的工具，傳感器的歷史比近代科學的出現還要古老。天平作為測重的工具在古埃及就開始使用了，一直沿用到現在。利用液體膨脹特性的溫度測量在十六世紀就已經出現。以電學的基本原理為基礎的傳感器是在近代電磁學發展的基礎上產生的，但是隨著真空管和半導體等有源元件的可靠性的提高，這種類型的傳感器得到了飛速發展，現在談到傳感器大都指有電信號輸出的裝置。

　　傳感器可以被用來測量各種物理量。根據測量的物理量不同，傳感器可以分成溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等很多種類。但是所有傳感器工作原理都是基于各種物理定律，如果出現了新的現象或在特定物質中，在某方面出現了奇異的效應，就可以利用這些現象和效應來研制傳感器。經常被用來制作傳感器的物理現象和效應有霍爾效應、多普勒效應、壓阻效應、應變效應等。但是并不是所有研制出來的傳感器都能夠使用，因為傳感器要滿足可靠性的要求，為了從傳感器的輸出信號中得到被測量的原始信息，如果傳感器不穩定，那么對同樣的輸入信號，其輸出信號就不一樣，則傳感器會給出錯誤的輸出信號，使傳感器的作用失靈。就像人的鼻子當對環境適應了后，對于氣味的感覺就會失去靈敏度一樣。

　　傳感器就像自動控制系統的眼睛、鼻子、耳朵一樣，對于一個控制系統的性能起著重要作用。可靠、靈敏的傳感器是自動控制系統工作的前提。就像雙目失明的盲人是不可能很準確地拿到所要拿的東西一樣，如果控制系統的傳感器部分不能正常工作時，自動控制系統也就沒有辦法代替人來完成工作了。

　　有力的臂膀——執行器

　　如果把傳感器比喻成人的感覺器官的話，那么執行器在自動控制系統中的作用就是相當于人的四肢，它接受調節器的控制信號，改變操縱變量，使生產過程按預定要求正常執行。在生產現場，執行器直接控制工藝介質，若選型或使用不當，往往會給生產過程的自動控制帶來困難。因此執行器的選擇、使用和安裝調試是個重要的問題。

　　執行器由執行機構和調節機構組成。執行機構是指根據調節器控制信號產生推力或位移的裝置，而調節機構是根據執行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，最常見的有調節閥。

　　執行器按其能源形式分為氣動，電動和液動三大類，它們各有特點，適用于不同的場合。

　　液動執行器推力最大，現在一般都是機電一體化的，但比較笨重，所以現在很少使用，比如三峽的船閥用的就是液動執行器。

　　電動執行器的執行機構和調節機構是分開的兩部分，其執行機構分角行程和直行程兩種，都是以兩相交流電機為動力的位置伺服機構，作用是將輸入的直流電流信號線性的轉換為位移量。電動執行機構安全防爆性能差，電機動作不夠迅速，且在行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。盡管近年來電動執行器在不斷改進并有擴大應用的趨勢，但從總體上看不及氣動執行機構應用得普遍。

　　氣動執行器的執行機構和調節機構是統一的整體，其執行機構有薄膜式和活塞式兩類。活塞式行程長，適用于要求有較大推力的場合；而薄膜式行程較小，只能直接帶動閥桿。由于氣動執行機構有結構簡單，輸出推力大，動作平穩可靠，并且安全防爆等優點，在化工，煉油等對安全要求較高的生產過程中有廣泛的應用。

　　執行器是廣泛應用在化工和供水中的兩種執行器。它們主要通過接收控制器傳送來的標準電壓或電流信號，來控制內部電機驅動閥門的開度來決定所要傳送液體或氣體的流量。二者的主要不同就是閥門活動的方式不同，旋轉式的閥門采用旋轉的方式來決定閥門開度的大小，而直線式采用直線運動來完成該任務。

　　隨著自動化，電子和計算機技術的發展，現在越來越多的執行機構已經向智能化發展，很多執行機構已經帶有通訊和智能控制的功能，比如很多廠家的產品都帶現場總線接口。我們相信，今后執行器和其他自動化儀表一樣會越來越智能化，這是大勢所趨。

　　受控對象——溫柔的羔羊

　　所謂受控對象是指在一個控制系統中被控制的事物或生產過程,比如發電機的端電壓，火炮的角度和方向,鍋爐氣包溫度等等。雖然受控對象完全是由控制系統來決定，是個溫柔的羔羊，但是也不是任人擺布的，一定要摸透其脾氣來進行控制。在設計和分析一個控制系統時，了解控制對象的特性是非常重要的。因為，如果對象的特性不一樣，其所需要的控制策略也會大相徑庭的,最終控制效果也大不相同。我們可以用微分方程，狀態方程或傳遞函數等數學方法來描述受控對象，并可以用其它傳統和現代的方法來分析受控對象的特性,設計和校正相應的控制系統，達到對受控對象的有效和優化控制。

　圖１典型的熱交換器

　　不同的場合和行業的受控對象的復雜程度是不一樣的，也可以按照不同需要對控制對象進行劃分。在簡單系統中可以把單個對象看成孤立的，但是在復雜系統中，每個對象之間就會有著各種聯系，如何簡化和劃分對象就顯得較為重要了。即使是同一類型的受控對象，其靜態和動態特性也會有很大差別，比如說延遲時間的不一樣等等，如果忽略了這些因素，往往設計出來的系統是不穩定的，至少是非最優的。

　　要得到受控對象的數學描述，一般有兩種方法，即系統建模和系統辨識。如果受控對象的物理和數學機理比較清楚或者對象比較簡單，比如一些機械和電氣裝置，那么為受控對象建立數學模型就比較可行和方便。對于復雜對象或其機理不能用現有的數學描述的對象，一般用系統辨識的方法，化工和熱工生產中很多對象特性就是這樣描述的。

　　圖一是一個簡單而典型的熱交換器，它是通過控制進出口的閥門，來控制冷熱水的流量從而來得到符合需要的溫度。在這個系統里，冷熱水的溫度就是受控對象，而電磁閥是執行器。

　　穩定性——不可或缺

　　自動控制系統的種類很多，完成的功能也千差萬別，有的用來控制溫度的變化，有的卻要跟蹤飛機的飛行軌跡。但是所有系統都有一個共同的特點才能夠正常地工作，也就是要滿足穩定性的要求。

　　什么叫穩定性呢？我們可以通過一個簡單的例子來理解穩定性的概念。如下圖所示，一個鋼球分別放在不同的兩個木塊上，A圖放在木塊的頂部，B圖放在木塊的底部。如果對圖中的鋼球施加一個力，使鋼球離開原來的位置。A圖的鋼球就會向下滑落，不會在回到原來的位置。而B圖中的鋼球由于地球引力的作用，會在木塊的底部做來回的滾動運動，當時間足夠長時，小球最終還是要回到原來的位置。我們說A圖所示的情況就是不穩定的，而B圖的情況就是穩定的。

　　穩定性示意圖

　　上面給出的是一個簡單的物理系統，通過它我們對于穩定性有了一個基本的認識。穩定性可以這樣定義：當一個實際的系統處于一個平衡的狀態時（就相當于小球在木塊上放置的狀態一樣）如果受到外來作用的影響時（相當于上例中對小球施加的力），系統經過一個過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態，我們稱這個系統就是穩定的，否則稱系統不穩定。一個控制系統要想能夠實現所要求的控制功能就必須是穩定的。在實際的應用系統中，由于系統中存在儲能元件，并且每個元件都存在慣性。這樣當給定系統的輸入時，輸出量一般會在期望的輸出量之間擺動。此時系統會從外界吸收能量。對于穩定的系統振蕩是減幅的，而對于不穩定的系統，振蕩是增幅的振蕩。前者會平衡于一個狀態，后者卻會不斷增大直到系統被損壞。

　　既然穩定性很重要，那么怎么才能知道系統是否穩定呢？控制學家們給我們提出了很多系統穩定與否的判定定理。這些定理都是基于系統的數學模型，根據數學模型的形式，經過一定的計算就能夠得出穩定與否的結論，這些定理中比較有名的有：勞斯判據、赫爾維茨判據、李亞譜若夫三個定理。這些穩定性的判別方法分別適合于不同的數學模型，前兩者主要是通過判斷系統的特征值是否小于零來判定系統是否穩定，后者主要是通過考察系統能量是否衰減來判定穩定性。

　　當然系統的穩定性只是對系統的一個基本要求，一個另人滿意的控制系統必須還要滿足許多別的指標，例如過渡時間、超調量、穩態誤差、調節時間等。一個好的系統往往是這些方面的綜合考慮的結果。

　　魯棒性——健康的系統

　　控制系統的魯棒性研究是現代控制理論研究中一個非常活躍的領域,魯棒控制問題最早出現在上個世紀人們對于微分方程的研究中。Black首先在他的1927年的一項專利上應用了魯棒控制。但是什么叫做魯棒性呢？其實這個名字是一個音譯，其英文拼寫為Robust。也就是健壯和強壯的意思。控制專家用這個名字來表示當一個控制系統中的參數發生攝動時系統能否保持正常工作的一種特性或屬性。就象人在受到外界病菌的感染后，是否能夠通過自身的免疫系統恢復健康一樣。

　　20世紀六七十年代，狀態空間的結構理論的形成是現代控制理論的一個重要突破。狀態空間的結構理論包括能控性、能觀性、反饋鎮定和輸入輸出模型的狀態空間實現理論，它連同最優控制理論和卡爾曼濾波理論一起，使現代控制理論形成了嚴謹完整的理論體系，并且在宇航和機器人控制等應用領域取得了驚人的成就。但是這些理論要求系統的模型必須是已知的，而大多實際的工程系統都運行在變化的環境中，要獲得精確的數學模型是不可能的。因此很多理論在實際的應用中并沒有得到很好的效果。到了1972年，魯棒控制這個術語在文獻中首先被提出，但是對于它的精確定義至今還沒有一致的說法。其主要分歧就在于對于攝動的定義上面，攝動分很多種，是否每種攝動都要包括在魯棒性研究中呢？盡管存在分歧，但是魯棒性的研究沒有受到阻礙，其發展的勢頭有增無減。

　　魯棒控制理論發展到今天，已經形成了很多引人注目的理論。其中 控制理論是目前解決魯棒性問題最為成功且較完善的理論體系。Zames在1981年首次提出了這一著名理論，他考慮了對于一個單輸入單輸出系統的控制系統，設計一個控制器，使系統對于擾動的反映最小。在他提出這一理論之后的20年里，許多學者發展了這一理論，使其有了更加廣泛的應用。當前這一理論的研究熱點是在非線形系統中 控制問題。另外還有一些關于魯棒控制的理論如結構異值理論和區間理論等。

　　魯棒控制理論的應用不僅僅用在工業控制中，它被廣泛運用在經濟控制、社會管理等很多領域。隨著人們對于控制效果要求的不斷提高，系統的魯棒性會越來越多地被人們所重視，從而使這一理論得到更快的發展。

　　極點——控制系統的精靈

　　在實際的應用中，雖然各種控制系統所完成的功能不同，被控制的物理量也未必相同。系統的輸出會有許多的變化形式。有的逐漸逼近期望的輸出值，有的會在期望值的附近震蕩，有的會離期望值越來越遠，達不到控制的目的。為什么會有這種不同呢?是什么決定了系統的特性呢？是否有一只神秘的上帝之手在操縱控制系統呢?

電容放電

　　要回答這個問題，首先得清楚什么叫做微分方程。其實在自然界中，各個物理量之間的變化關系都可以用函數的形式表示，而這些函數同時滿足微分方程。讓我們看一個簡單的例子，圖是一個電容C通過電阻R放電的物理過程。根據物理學的知識，電容電壓U滿足下面的微分方程： ，我們用數學方法將上面的微分方程解出，就可以求出U按時間變化的過程。微分方程的解的形式是由微分方程的特征方程的解決定的，而特征方程的解就叫做系統的極點。可以按照下面的規則求出一個微分方程的特征方程，把微分符號換成X，幾次微分就是X的幾次方，保留微分方程的其他部分，就可以得到一個微分方程的特征方程。根據上面的原則，上面例子的特征方程就是：RCX+1=0。解出X的值就是系統的極點。

　　系統的極點的形式有實數和復數兩種。對于實數的極點，在微分方程的解中就會有一個指數項與它相對應。這個指數是以e為底的，它可以是不斷減少的，也可以是不斷增大的。對于復數形式的極點，微分方程的解就會有一個振蕩的項同它對應，并且振幅會根據復數極點的實部的大小不停的變化。正是由于每個控制系統都有不同的微分方程，從而有不同的極點。這樣不同極點對應解的不同部分，這些不同變化特點的部分最終形成了我們能夠看到的宏觀結果即控制系統的輸出。這樣使各個控制系統有了千差萬別的性能特點。

　　人們為了使控制系統的性能滿足一定的要求，研究了很多控制方法。這些方法雖然采用不同的控制原理，不同的數學方法。但是所有這些方法的最終目的是使系統的極點合理分配，從而得到好的控制效果。所以說極點是決定控制系統性能特點的上帝之手。