自動(dòng)控制技術(shù)與人類進(jìn)步

序：自動(dòng)控制技術(shù)與人類進(jìn)步

AutomaticControl&HumanCivilization

前言I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)

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

III.經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935-1950)IV.現(xiàn)代控制(ModernControl)

(1950-)自動(dòng)控制技術(shù)與人類進(jìn)步

AutomaticControl&HumanCivilization前言

自動(dòng)控制是人類在認(rèn)識(shí)世界和發(fā)明創(chuàng)新的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一門重要的科學(xué)技術(shù)。依靠它，人類可以從笨重，重復(fù)性的勞動(dòng)中解放出來(lái)，從事更富創(chuàng)造性的工作。自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)化也即現(xiàn)代化。經(jīng)典控制理論--萌芽階段和起步階段早在古代,勞動(dòng)人民就憑借生產(chǎn)實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和對(duì)反饋概念的直觀認(rèn)識(shí),發(fā)明了許多閃爍自動(dòng)控制智慧火花的杰作。如果要追朔自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國(guó)就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽。I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)(0)中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王時(shí)，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實(shí)踐(300B.C.)西漢漏壺(3)中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(132年)(2)亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)(4)中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)(5)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)小知識(shí)：指南車

指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機(jī)械。是一種雙輪獨(dú)轅車。它的中央有一個(gè)大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車輪就會(huì)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再帶動(dòng)大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開(kāi)動(dòng)以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動(dòng)類似現(xiàn)代汽車用的差動(dòng)齒輪，相當(dāng)于汽車中差動(dòng)齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說(shuō)是世界上最早的自動(dòng)化設(shè)備。

指南車是我國(guó)古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機(jī)械之一。用英國(guó)著名科學(xué)史專家李約瑟的話說(shuō)，中國(guó)古代的指南車“可以說(shuō)是人類歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機(jī)”。(6)英國(guó)J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)小知識(shí)：瓦特JamesWatt（1736～1819）

到此為止，瓦特完成了對(duì)蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過(guò)程。經(jīng)過(guò)他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機(jī)的效率提高到原來(lái)紐科門機(jī)的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實(shí)用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機(jī)——高效率瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明者稱號(hào)。

英國(guó)發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個(gè)小鎮(zhèn)格里諾克。15歲學(xué)完了《物理學(xué)原理》并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年在一家鐘表店學(xué)手藝，跟有名的機(jī)械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過(guò)刻苦學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過(guò)程從汽缸中分離出來(lái)的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機(jī)的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年制成了一臺(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī)。1781年，發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1782年發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專利。1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來(lái)自動(dòng)控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機(jī)配套用壓力計(jì)。

荷蘭科學(xué)家C.Hugens(1629-1695)利用反饋控制原理發(fā)明了高性能的鐘擺與天文望遠(yuǎn)鏡。(7)英國(guó)G.B.Airy（1801-1892)系統(tǒng)的研究了天文望遠(yuǎn)鏡的速度控制，并根據(jù)倒立擺離心力原理，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。首次提出反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題研究，以及利用微分方程來(lái)研究反饋控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。(8)

J.C.Maxwell(1831-1879),法國(guó)科學(xué)家，于1868年發(fā)表文章“OnGovernors（論調(diào)節(jié)器）,成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學(xué)的E.J.Routh與瑞典的Hurwitz解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)。(9)俄國(guó)A.M.Lyapunov博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題”

(1892年)(10)英國(guó)J.M.Gray設(shè)計(jì)出第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船“東方”號(hào)(GreatEastern)(1866年)(11)由徐壽設(shè)計(jì)的中國(guó)第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(hào)(L20m,25T,10km/hr)在安慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次年，中國(guó)第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船“恬古”號(hào)在江南造船廠下水。操江號(hào)(62mx10m),392匹馬力，600T排水，備炮9門II.經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美國(guó)福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)

(0) WrightBrothers

于1903年12月17完成了人類歷史上首次動(dòng)力飛行，開(kāi)創(chuàng)了航空業(yè)的新篇章。(2)

E.Sperry(1860-1930),創(chuàng)立Sperry公司。由他們?cè)O(shè)計(jì)和制造的陀螺儀和各種控制裝置被廣泛的應(yīng)用到二戰(zhàn)時(shí)期的美軍軍艦、魚(yú)雷、火炮、雷達(dá)和飛機(jī)上。L.Sperry(1892-1923),在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺儀全自動(dòng)機(jī)身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。(3)美國(guó)N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)，并成功應(yīng)用于美國(guó)軍艦控制。(4)美國(guó)MIT的V.Bush研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(DifferentialAnalyzer)

(1928)——美國(guó)現(xiàn)代工程之父，1964年獲美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)獎(jiǎng)（NationalMedalofScience）。(5)美國(guó)H.S.Black發(fā)明了電子放大器負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier),為現(xiàn)代通訊技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。(1927)

1957年獲IEEEMedal?！昂敛豢鋸埖卣f(shuō)，沒(méi)有Black的發(fā)明，就沒(méi)有今天的長(zhǎng)距離電話和電視網(wǎng)絡(luò)”H.S.Black（AT&T）貝爾實(shí)驗(yàn)室研究員

火炮隨動(dòng)控制(6)美國(guó)E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)III.經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode

(1938)，以及H.Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法H.NyquistH.Bode(2)美國(guó)Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)(3)美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過(guò)程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生?！?964年獲總統(tǒng)科學(xué)獎(jiǎng)。N.B.Nichols

維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對(duì)其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個(gè)大問(wèn)題特別引起了他的興趣，一個(gè)是電子計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是火炮命中率問(wèn)題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡(jiǎn)單的動(dòng)作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請(qǐng)來(lái)了神經(jīng)專家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器和人的控制機(jī)能有相似之處。后來(lái)，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽(tīng)取對(duì)方的批評(píng)意見(jiàn)，甚至是“攻擊”意見(jiàn)，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來(lái)——《控制論》。小知識(shí)：維納

維納生于哥倫比亞市一個(gè)猶太人家里。維納4歲開(kāi)始讀書。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)。他的數(shù)學(xué)知識(shí)已超過(guò)大學(xué)一年級(jí)學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、物理、電學(xué)。他18歲時(shí)取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個(gè)博士學(xué)位，后來(lái)又到德國(guó)、英國(guó)學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進(jìn)一步深造。(4)美國(guó)的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.Hazen(5)英國(guó)A.M.Turine提出圖靈計(jì)算機(jī)的設(shè)想。(1937)(6)J.VonNeuman

(1903-1957)發(fā)明首臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)，創(chuàng)立Gametheory。(7)在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動(dòng)化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)——信息論之父C.E.Shannon

（8）李郁榮（Y.W.Lee,1904-1989),廣東人，N.Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學(xué)電機(jī)系（1931-1937），早期為Wiener理論的工程應(yīng)用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機(jī)系（1946-1969），與Shannon一起成為該系最知名的兩個(gè)學(xué)科帶頭人。主要工作包括隨機(jī)通訊（statisticalcommunicationtheory）和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領(lǐng)域中的知名學(xué)者和工程師，被譽(yù)為MIT的最偉大的教育家之一。Y.W.Lee(9)MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz

(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)(10)美國(guó)W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)

(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成。(11)多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及錢學(xué)森的《工程控制論》(1954)

1955年回國(guó)。1955年至1966年任中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員，國(guó)防部第五研究院院長(zhǎng)。1965年至1970年任第七機(jī)械工業(yè)部副部長(zhǎng)。1970年至1982年任國(guó)防科工委科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)科協(xié)副主席。還歷任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第一、二屆理事長(zhǎng)，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國(guó)科協(xié)第三屆全委會(huì)主席。1991年5月在中國(guó)科協(xié)第四次全國(guó)代表大會(huì)上當(dāng)選為科協(xié)名譽(yù)主席。1992年4月被聘為中科院學(xué)部主席團(tuán)名譽(yù)主席。1994年6月當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。小知識(shí)：錢學(xué)森

1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國(guó)共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。

1929年至1934年在上海交通大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)。1935年至1939年在美國(guó)麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)，獲碩士學(xué)位。1936年至1939年在美國(guó)加州理工學(xué)院航空與數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，獲博士學(xué)位。1939年至1943年任美國(guó)加州理工學(xué)院航空系研究員。1943年至1945年任美國(guó)加州理工學(xué)院航空系助理教授（其間：1940年至1945年為四川成都航空研究所通信研究員）。1945年至1946年任美國(guó)加州理工學(xué)院航空系副教授。1946年至1949年任美國(guó)麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動(dòng)力學(xué)教授。1949年至1955年任美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任、教授。IV.現(xiàn)代控制(ModernControl)(1950-)

二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)(英國(guó)科學(xué)家A.J.G.MacFarlane)。(2)美國(guó)R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)(3)國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)成立(1957)，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于莫斯科召開(kāi)(1960)(1)蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)

(1956)L.S.Pontryagin1957年成立了國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC：InternationalFederationofAutomaticControl）。1957年成立了國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC：InternationalFederationofAutomaticControl）。(4)美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)(5)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2(6)美國(guó)GeorgeDevol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R.E.Kalman發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測(cè)性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960)R.E.Kalman(8)蘇聯(lián)東方-１號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開(kāi)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,美國(guó)的LoftiZadeh與C.Desoer發(fā)表LinearSystems

-AStateSpace

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

美國(guó)的E.I.Jury

發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)(1958)

C.Desoer(11)蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong1969年7月20日，“阿波羅11號(hào)”飛船首次登陸月球時(shí)的珍貴圖片

(12)瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。K.J.Astrom(13)

英國(guó)H.HRosenbrock

發(fā)表StateSpaceandMultivariable

Theory(1970)。加拿大W.MWonham

發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach

(1974)。W.MWonham(14)美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)(15)美國(guó)ARPA計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971)(16)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)(17)美國(guó)R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

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

魯棒控制設(shè)計(jì)方法(1981年)(19)美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功(1981年)GorgeZames(20)美國(guó)A.Bryson

和Y.CHo

發(fā)表AppliedOptimal

Control(1969)。Y.CHo

和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)(21)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic(22)第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)(23)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開(kāi)始走出太陽(yáng)系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行