自动控制技术与人类进步

序：自动控制技术与人类进步

AutomaticControl&HumanCivilization

前言I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)

II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)

III.经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)IV.现代控制(ModernControl)

(1950-)自动控制技术与人类进步

AutomaticControl&HumanCivilization前言

自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。经典控制理论--萌芽阶段和起步阶段早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制智慧火花的杰作。如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C.~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.)西汉漏壶(3)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)(2)亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)(4)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(5)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)小知识：指南车

指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。

指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。(6)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)小知识：瓦特JamesWatt（1736～1819）

到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机——高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。

英国发明家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。15岁学完了《物理学原理》并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。1753年在一家钟表店学手艺，跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。1768年制成了一台单动作蒸汽机。1781年，发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。1782年发明了大动力的“双动作蒸汽机”并获得专利。1784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了蒸汽机配套用压力计。

荷兰科学家C.Hugens(1629-1695)利用反馈控制原理发明了高性能的钟摆与天文望远镜。(7)英国G.B.Airy（1801-1892)系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。(8)

J.C.Maxwell(1831-1879),法国科学家，于1868年发表文章“OnGovernors（论调节器）,成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)。(9)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”

(1892年)(10)英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)(1866年)(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m,25T,10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。操江号(62mx10m),392匹马力，600T排水，备炮9门II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)

(0) WrightBrothers

于1903年12月17完成了人类历史上首次动力飞行，开创了航空业的新篇章。(2)

E.Sperry(1860-1930),创立Sperry公司。由他们设计和制造的陀螺仪和各种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼雷、火炮、雷达和飞机上。L.Sperry(1892-1923),在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺仪全自动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做出了重要的贡献。(3)美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)，并成功应用于美国军舰控制。(4)美国MIT的V.Bush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)

(1928)——美国现代工程之父，1964年获美国总统科学奖（NationalMedalofScience）。(5)美国H.S.Black发明了电子放大器负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier),为现代通讯技术奠定了基础。(1927)

1957年获IEEEMedal。——“毫不夸张地说，没有Black的发明，就没有今天的长距离电话和电视网络”H.S.Black（AT&T）贝尔实验室研究员

火炮随动控制(6)美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)III.经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美国贝尔实验室的H.Bode

(1938)，以及H.Nyquist(1940)提出频率响应法H.NyquistH.Bode(2)美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)(3)美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。——1964年获总统科学奖。N.B.Nichols

维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是采用了一种叫“反馈”的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究，发现机器和人的控制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨论，听取对方的批评意见，甚至是“攻击”意见，终于于1948年把自己的研究成果发表了出来——《控制论》。小知识：维纳

维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4岁开始读书。9岁时读中学，11岁进入大学学习。他的数学知识已超过大学一年级学生的水平，所以转而热衷于研究化学、物理、电学。他18岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。(4)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.Hazen(5)英国A.M.Turine提出图灵计算机的设想。(1937)(6)J.VonNeuman

(1903-1957)发明首台数字计算机，创立Gametheory。(7)在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)——信息论之父C.E.Shannon

（8）李郁荣（Y.W.Lee,1904-1989),广东人，N.Wiener的首位博士生(1930年)，曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为Wiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969），与Shannon一起成为该系最知名的两个学科带头人。主要工作包括随机通讯（statisticalcommunicationtheory）和电路理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为MIT的最伟大的教育家之一。Y.W.Lee(9)MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz

(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)(10)美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)

(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。(11)多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及钱学森的《工程控制论》(1954)

1955年回国。1955年至1966年任中国科学院力学研究所所长、研究员，国防部第五研究院院长。1965年至1970年任第七机械工业部副部长。1970年至1982年任国防科工委科学技术委员会副主任，中国科协副主席。还历任中国自动化学会第一、二届理事长，中国宇航学会、中国力学学会、中国系统工程学会名誉会长，中科院主席团执行主任、数学物理学部委员。1986年至1991年5月任中国科协第三届全委会主席。1991年5月在中国科协第四次全国代表大会上当选为科协名誉主席。1992年4月被聘为中科院学部主席团名誉主席。1994年6月当选为中国工程院院士。小知识：钱学森

1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中国共产党，博士学位。

1929年至1934年在上海交通大学机械工程系学习。1935年至1939年在美国麻省理工学院航空工程系学习，获硕士学位。1936年至1939年在美国加州理工学院航空与数学系学习，获博士学位。1939年至1943年任美国加州理工学院航空系研究员。1943年至1945年任美国加州理工学院航空系助理教授（其间：1940年至1945年为四川成都航空研究所通信研究员）。1945年至1946年任美国加州理工学院航空系副教授。1946年至1949年任美国麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授。1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。IV.现代控制(ModernControl)(1950-)

二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G.MacFarlane)。(2)美国R.Bellman在RANDCoporation数学部的支持下，发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)(3)国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(1)苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)

(1956)L.S.Pontryagin1957年成立了国际自动控制联合会（IFAC：InternationalFederationofAutomaticControl）。1957年成立了国际自动控制联合会（IFAC：InternationalFederationofAutomaticControl）。(4)美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)(5)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2(6)美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)R.E.Kalman(8)苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.

加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(9)1963年,美国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems

-AStateSpace

Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。(10)

美国的E.I.Jury

发表“数字控制系统”(Sampled-DataControlSystem)，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)

C.Desoer(11)苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船首次登陆月球时的珍贵图片

(12)瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。K.J.Astrom(13)

英国H.HRosenbrock

发表StateSpaceandMultivariable

Theory(1970)。加拿大W.MWonham

发表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach

(1974)。W.MWonham(14)美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)(15)美国ARPA计算机网络初步建成(1971)(16)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)(17)美国R.Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。A.IsidoriR.Brockett(18)加拿大G.Zames提出H

鲁棒控制设计方法(1981年)(19)美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年)GorgeZames(20)美国A.Bryson

和Y.CHo

发表AppliedOptimal

Control(1969)。Y.CHo

和X.RCao等提出离散事件系统理论(1983)(21)中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic(22)第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)(23)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行