效率、效益、效能
撰文：冯少辉
自动控制系统的早期应用可以追溯到两千多年前古埃及的水钟控制与中国汉代的指南车控制，但当时未建立起自动控制的理论体系。自动控制理论建立起来是工业革命以后的事情了，自动控制的江湖有三大门派：实践派、电工派和数学派。
67.1 实践派
人们普遍认为最早应用于工业过程的控制器是瓦特（JamesWatt，1736-1819）1788年应用于蒸汽机的飞球式调速器。飞球式调速器，也称为离心式调速器。
图67‑1飞球式调速器示意图
Elmer Sperry（1860-1930）敏锐地注意到人进行控制调整时不是简单地采用开关控制（on-off approach），而是综合运用了预测、当被控量接近目标值时撤出控制、以及当存在持续的偏差时进行小量的慢慢调节等方法，于1911年设计出了采用较为复杂控制律—PID控制结合自动增益调整的船的自动驾驶仪，被认为是最早发明的PID控制器。1922年，Nicholas Minorsky（1885-1970）从理论上清晰地分析了船的自动驾驶问题，推导出了三项控制器—PID控制器形式。J.G. Ziegler和N.B. Nichols在1942年提出了PI及PID控制的参数整定方法，后来被称为Ziegler-Nichols整定方法。
目前95%以上的过程控制回路和90%以上航空航天控制回路还都是基于PID控制。2017年国际自动控制联合会（IFAC）的工业委员会对工业技术现状进行了调查，在十几种控制方法中，PID以百分之百好评（零差评）的绝对优势居于榜首。
工程师、仪表公司、企业代表了自动控制江湖的实践派，着眼于改进完善仪表设备算法等等并应用于实际。实践派实事求是的解决具体问题，这些人往往对电工派和数学派的研究似懂非懂，不屑一顾。他们解决了自动控制的大部分现场问题是工业应用的中坚和基石。可是这些人只知道低头干活不知道抬头看路。实践派提供了自控专业的传感器、仪器仪表、控制工程等知识。
67.2 电工派
AT&T Bell实验室的工程师以及科学家，在解决通讯信号放大器的问题中发展出控制系统分析与设计的频域方法。
虽然反馈的原理在公元前300年古希腊人和阿拉伯人发明的浮球调节装置、17世纪的温度调节器、18世纪工业革命的标志-瓦特蒸汽机中采用的飞球式调速器中就存在，但“反馈（Feedback）”一词被正式使用则是在AT&T Bell实验室的Black1927年发明负反馈放大器时。
1928年，Nyquist与AT&T的其他一些工程师一起与Black商讨如何将负反馈放大器用于一种新的电缆通信系统。他做了负反馈系统的分析，并最终在频域上建立了一个与已有工作完全不同的稳定性判据-Nyquist判据，Nyquist判据可以直接指导如何调整控制器确保系统稳定。
1940 年，Bode引入了半对数坐标系，使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。
1942年，H. Harris引入了传递函数的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。
美国航空控制工程师W.R. Evans基本上独立建立起根轨迹法的完整理论。根轨迹法更关心动态性能，不关心稳态性能。军机的稳态性能意义不大，更关注从一个空域进入另外一个空域的动态性能。Evans用系统参数变化时特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方法。
二战中的工作充分显示了频域响应方法在反馈系统设计上的威力。而且这个理论体系可以扩展应用到未知的被控对象和过程。
电工派使自控控制成为一门学科，频域分析方法成为经典控制理论的核心，大学本科自控原理里的知识大部分都是电工派贡献。
67.3 数学派
经典控制理论里的时域分析方法就是数学派的杰作。频域分析方法使用的复变函数和拉普拉斯变换都是数学家搞出来的，但是在实际中应用还是电工派的功劳更大。
第二次世界大战后控制科学的发展更主要的受到2大因素的推动：一是美苏太空竞赛，二是数字计算机的出现，可以完成复杂的计算和动态系统仿真。航天任务需要研究解决导弹与太空飞行器的发射、机动、制导及跟踪等问题，这个问题的特点是物理模型可以用一组一阶微分方程描述，再就是航天器上装有具备良好精度的测量装置用于状态测量、轨迹规划，于是发展出状态空间方法。
航天控制系统，比以往的控制系统复杂多了。航天任务的需求强力推动了现代控制理论的发展，Bellman的动态规划、Pontryagin的极大值原理和Kalman滤波被认为是现代控制理论的三个代表性工作。
数学派的研究使自动控制理论建立起了完备的理论体系，这些知识以及后面的持续发展构成了自动控制专业硕士和博士研究生的主要知识。
现代控制理论拓展了传统意义下控制研究的范畴，但对解决传统意义上的控制问题没有大的推动，依然是以PID为主的经典控制技术占主导，而现代控制理论里那些试图解决传统意义上控制问题的尝试似乎都不太成功。
67.4 结束语
控制论是研究动物和机器中的控制和通讯的理论，由维纳1947年创立。控制论的产生，是20世纪继相对论、量子力学之后的又一重大科学成就。它是自动控制、通讯技术、电子计算机与数学、逻辑学、语言学、生理学、心理学相互渗透的产物，体现了现代科学发展的整体化趋势，改变了自R.笛卡尔以来的以单因素分析为主的传统思维方式，代之以多因素的分析与综合相结合的系统思维方式。它使机械决定论的方法已不再适用于统计信息和随机过程的研究，因为自动控制系统的特点在于它能根据环境的某些变化决定和调整自己的行为，它所接受和处理的信息具有随机性，必然要突破那种排除偶然性的拉普拉斯决定论的局限性。控制论建立以来，对科学研究、劳动生产、经济管理、战略决策以及社会生活的其他方面都产生了变革性的影响。
所以我们继续低头整定我们的PID，其他的学派其实已经把控制理论归纳总结提高到为全人类的不同领域提供方法的高度，我为你自豪控制理论。不过没有他们，只是使用PID也能搞好工业现场的绝大部分问题，所以不了解也没有什么不好的。
原文关于Evans的介绍有误，特意修改后重发。感谢前辈的指教：“W.R. Evans是航空控制工程师，不是电信工程师。他提出的根轨迹法更关心动态性能，不关心稳态性能。军机的稳态性能意义不大，更关注从一个空域进入另外一个空域的动态性能。而电子工程师、电信工程师、过程控制工程师是注重稳态性能的。”
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