自动控制发展史

从远古的漏壶和计时容器到公元前的水利枢纽工程；从中世纪的钟摆、天文望远镜到工业革命的蒸气机、蒸汽机车和蒸汽轮船；从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机；从二战期间的雷达和火炮防空网到冷战时代的卫星、导弹和数字计算机；从六十年代的等月飞船到现代的航天飞机、宇宙和星球探测器，这些著名的人类科技发明直接催生和发展了自动控制技术。源于实践，服务于实践，在实践中升华。经过千百年的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，在日常生活中不可或缺。随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展和应用将进入一个全新的时代。（1）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.）（2）李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践（300B.C.）（3）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）（5）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）（6）中国定向驾驶舵（1180年）（人类首台控制机构）（7）中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序设计思想（CNC）的提花织机结构图（1637年）（8）英国J·Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度（1788年）1.前期控制（EarlyControl）（1400B.C.－1900）（9）英国G·B·Airy（1801-1892）系统地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C·Hugens（1629-1695）利用反馈控制原理发明了高性能的钟摆和天文望远镜（10）J·C·Maxwell（1831-1879），法国科学家，于1868年发表文章OnGovernors，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（11）俄国A·M·Lyapunov博士论文《论运动稳定性的一般问题》（1892年）（12）英国J·M·Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船东方号（GreatEastern）（1866年）（13）由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹤号”（L20m，25T，10km/hr）在安庆内军械所下水（1866年）。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（60m×10m），392匹马力，600T排水，备炮9门（1）WrightBrothers于1903年12月17日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）美国福特（FordMotor）汽车公司组成最早的汽车装配流水线（1913年）（3）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地应用到二战时期的美国军舰、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作出了重要的贡献（4）美国N·Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出了PID控制方法（1922）（5）美国MIT的V·Bush研制成第一台大型模拟计算机（DifferentialAnalyzer）（1928）（6）美国H·S·Black提出放大器性能的负反馈方法（NegativeFeedbackAmplifier）（1927）（7）自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N·Wiener给出的定义为：Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance。美8)国E·Sperry以及C·Mason研制出火炮控制器（1925），气压反馈控制器（1929）2.经典控制前期（ThePre-classicalPeriod）（1900－1935）（1）美国贝尔实验室的H·Bode（1938）以及Nyquist（1940）提出频率响应法（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（4）美国的H·Hazen发表关于伺服结构理论（TheoryofServomechanism）(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室（ServomechanismLaboratory）（1939）（5）英国A·M·Turine提出图灵计算机的设想（1937）（6）J·Von·Neuman（1903-1957）发明首台数字计算机，创立GameTheory（7）在贝尔实验室的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）3.经典控制（ClassicalControl）（1935－1950）（8）李郁荣（Y·W·Lee，1904-1989），广东人，麻省理工学院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N·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一起成为该系最著名的两位学科带头人。其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最伟大的教育家之一（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《控制工程论》（EngineeringCybernetics）(1954)(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）(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，第一届学术会议与莫斯科召开（1960）(4)美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床（1952）(5)继MITCNCProject之后，NC技术迅速进入商品化时代。1957年，Giddings&Lewis把NC装置装在SkinMiller上，制成NC工作母机。1958年，Kearney&Trecker开发了NC加工中心。同一年，日本富士通和牧野FRAICE公司开发成功NC铣床(6)世界第一颗人造地球卫星（Sputnik）由苏联发射成功（1957）“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）4.现代控制（ModernControl）（1950－）(7)美国G·Devol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J·Engelberger创立了第一家机器人公司Unimation(8)1968年，日本Kawasaki公司从Unimation买进技术。目前，Yaskawa公司已成为世界最大机器人公司。机器人技术体现了电子控制和驱动、传感器以及运动机构一体化的新思想。日本安川（Yaskawa）公司的工程师把这叫做Mechatronics（机电一体化技术）（1972）(9)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、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）(10)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）(11)1963年，美国的L·Zadeh与C·Desoer发表LinearSystems－AStateSpaceApproach。1956年，L·Zadeh提出模糊集合，模糊控制概念(12)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）(13)苏联发射月球9号探测器，首次在月面软着落成功（1966）；三年后（1969），美国阿波罗11号把宇航员N·A·Armstrong送上月球。(14)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。Astrom于1933年获得IEEEMedalofHonor(15)英国H·H·Rosenbrock发表StateSpaceandMultivariableTheory（1970）；加拿大W·M·Wonham发表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach（1974）(16)美国的M·E·Merchant提出计算机集成制造的概念（1969）(17)美国ARPA计算机网络初步建成（1971）(18)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）(19)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·Lsidori出版（NonlinearControlSystems）（1985）(20)加拿大G·Zames提出H∞鲁棒控制设计方法（1981）(21)美国哥伦比亚号航天飞机首次发射成功（1981）(22)美国A·Bryson和Y·CHo发表AppliedOptimalControl（1969）。Y·CHo和X·R·Cao等提出离散事件系统理论（1983）精品课件！精品课件！(23)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）(24)第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着落（1996）(25)旅行者Voyager一号、二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索(26)IEEEControlSystemsAward获得者(27)神州五号宇宙飞船成功发射，中国首次载人航天圆满成功。标志着中国已经成为世界上独立自主地完整掌握载人航天技术的国家之一（2003）