自动控制发展的历程

主讲人简介王广雄，哈尔滨工业大学教授。1953年从上海考入哈尔滨工业大学，毕业后留校任教，是我国自动控制领域的著名专家。发表多篇学术论文，出版专业著作数本。内容简介我今天的讲座就是讲自动控制的发展，从开始阶段的发生到形成一个控制理论，讲整个这个进程。我们今天主要把这个过程，怎么从个别的技术最后形成一门学科，这个学科分成几个阶段，给大家介绍了一下。自动控制是指机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作，它是围绕着工业生产的需要而形成和发展起来的，已广泛应用于人类社会的各个方面。自动控制我比较是有这么一个观点：你不能光从搞控制的人来说，我能想出一些方向，我就指给你往前走，我能解决你好多问题。我举例子来说，瓦特的离心调速器，这个控制系统，是先有调速器，先有调节系统，系统不稳定了，出了问题去解决它。就是说首先是技术推进它的，这是一个大方向。自动控制技术的发展是受到当时很多技术的影响，受到好多的一些知识的积累，各方面的知识积累，受到启发，才最终发展成为一门独立的学科。所以我的想法，你从大的来说，这个控制首先应该是工业上有需要，有工作基础才想出来的。所以我总觉得呢，我都要跟着工业发展，技术的进程，一点一点往前进。上面就是我主要介绍的一些内容，我这里要说的呢，就是这里边包括一些年份，有些事实，这个都是有据可查的，不是我瞎说的。但是这里边对人的评论，一些观点可能就是我的，所以假如有说错的希望大家批评指正。我主要介绍的内容就这些，谢谢大家。全文我今天的讲座就是讲自动控制的发展。从开始阶段的发生到形成一个控制理论，讲整个这个进程。我们讲自动控制就是指这样的反馈控制系统，这是有一个控制器跟一个控制对象组成的，把这个控制对象的输出信号把它取回来，测量回来以后跟所要求的信号进行比较。根据这误差告诉控制器，这就是机器内部的工作了。让控制器完成这个控制作用，使得这个偏差消除或者说使得控制对象的输出跟踪我所需要的要求的信号。控制对象的输出量一般来说都是一个物理量，比如说我控制一个机器的转速，就是需要把速度测量出来，才能进行控制。自动控制系统，从一开始出现的时候，大家假如接触到这门学科的话，可能都知道是瓦特的离心调速器。这是离心调速器的几种方案的示意图，什么叫离心调速器呢？就是有两个飞球，一转起来以后，因为离心力，飞球就往外胀。飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒在移动，就带动执行机构动作，这是最早的瓦特的离心调速器。实际上这个离心调速器不是瓦特发明的，一般我们叫瓦特的离心调速器，它实际上不是瓦特的发明。这是什么呢？就是在那个时期，大家看到风力磨坊就是相当于离心调速器的那个飞球，实际上在那个时候，已经有这样的调速器。瓦特是发明了蒸汽机，用了这样的一个调速器，但是现在很多人都愿意把这个离心调速器，挂在瓦特的名下。所以一般的书上，大家看到的是瓦特的离心调速器，你要看正式的书，假如材料写的确切的话，只说1788年前后，不确切说哪一天的年代，因为不是他发明的。就是说一项科学技术的发展，并不是一个人，就是说瓦特又能发明蒸汽机又能发明调节系统，好像什么都是他发明的，实际上他也利用了前人的很多知识的积累。这是1788年，随后大概有一百年左右的历史，工业里边自动控制系统就是个离心调速器，当时主要就是个蒸汽机，蒸汽机离心调速器，没有别的类型，后来进到二十世纪，就是出现了飞机。大家可能知道的,斯佩雷（Sperry）发明了陀螺，他想办法把陀螺做成一个自动驾驶仪。现在再一个报道，就是1925年到1940年之间斯佩雷（Sperry）的那个工作，这里谈的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是这样的。它这个火力控制，这里一大堆人的地方，这是它主要的核心部分，叫火控指挥仪。火控指挥仪是指什么意思呢？根据飞机的方位角、高低角，飞机在飞还有一个前置角，打前置角，把这个呢，控制火炮，告诉火炮。就是这个地方是它的指挥仪，等到火力控制的地方，这里站了三个人，当时的术语叫人工伺服，三个人，为什么三个人呢，一个方位角，一个高低角，还有一个引信。因为他那时候还要算出来，就是要指挥仪算，算出来我炮弹飞到你飞机的时候，需要多少时间。引信就是指一个定时器，它拨到可能几秒钟以后爆炸，所以需要这三方面的高低角、方位角，再加上定时爆炸，才能把飞机打掉。这是1940年前的，这个是美国的火力控制的情况。但是到真正我们核心搞控制的人来说，火炮控制部分是人工伺服，humanservo。这个就是当时的斯佩雷（Sperry）公司搞的，主要它的工作就是这个指挥仪。这个指挥仪怎么工作，大家可以看到，这个火炮上站着的，围着指挥仪是一帮人。当时是1940年前后，所以这个人站在上面都是很危险的，因为上面敌人飞机过来，是这么一个情况。到了1940年以后，火力控制系统发生很大的变化，你看这上面人已经很少了。这个变化是谁搞的呢？这里有一个贝尔实验室里边的一个年轻的工程师帕金森（Parkinson），只有29岁。就是一个一般的技术员，当时是一般技术员，他做了一个梦，他这个梦在所有的正式文件里边都承认，他是一个什么情况呢？这个帕金森（Parkinson），他就是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就是1940年那天晚上他做了一个梦。他梦到用电位计控制的记录笔也可以控制火炮的发射，他这个梦就促进了自动控制技术的发展。好，现在再回过来，我稍微举两个实际上我们现在要用到的一些例子。大家看到这是硬盘驱动系统。硬盘驱动系统里边就是个伺服系统，大家不要小看这个伺服系统，硬盘伺服系统里边高速旋转的时候，定位的精度是一个微米，在高速旋转的气流下，这实际上是扰动很大的，要求高精度。这个利润、产量都非常大，每年几百万套。下面还有一个就是日常遇上的汽车的防侧滑的那个系统。这个左边的那个图，就是相当于仿真计算。仿真计算往上翘的就是一般常规的汽车，这种工作不是在纸面上做的；右边的就是照片了，就是实际上它还是做实验的，这些都是目前，就是跟我们生活都有关系的一些控制系统。刚才讲的纯粹是一个技术，但是跟技术配套的理论上，还有一些什么工作。就是我们这里看的是有麦克斯维尔，就是有这几个人了。我把这几个人的研究介绍一下。蒸汽机的离心调速器，刚出来的时候，大家不知道有反馈的概念，所有的问题都集中在调节器本身，一会儿说你是调节器重量太小了，应该大一点；一会儿说这里要有个弹簧，一会儿又说这有弹簧也不好；一会儿说里边因为摩擦力影响，就一直没有从反馈系统来考虑，就是单个孤立的一个控制器。麦克斯维尔把这个系统看作调节器，跟调节对象合在一起，用微分方程来进行研究，这是麦克斯维尔的功劳。但是麦克斯维尔，从我们今天来说，就相当于停留在理论上。当然他当时不完全是纯理论，他在实验室做了个调速器，完了进行研究，研究了指出这微分方程的特征根在左半面或右半面跟稳定有关系。他正式提出的，但是他解决不了，就是判别的问题，他只能做到三阶系统怎么判别。1876年，俄国的维斯聂格拉斯基，他是专门搞实际研究的，他们当时有一种直接作用调速器。就刚才说的，一会儿说这个有问题，一会儿说那个问题，老找不到问题，准备把整个方案都要放弃了。维斯聂格拉斯基结合了他当时的蒸汽机，结合了他这个蒸汽机的特性，就指出来参数更应该是怎么选择，才能保证稳定。维斯聂格拉斯基，就是结合工业实际，大家对他的评价很高，他就解决了当时差不多在一种调节器就要下马的情况，他指出来就是一个参数问题，所以他在工业上，是立了很大的功劳。在这个同时，1877年，大家学判据的，有个代数判据，劳斯代数判据，劳斯判据怎么来的呢？我的记忆里边，劳斯就是麦克斯维尔的学生，就可能相当于我们现在的博士生了，麦克斯维尔就是给了任务，你把方程式根的性质给我判别一下。最后到1877年，劳斯把这个拿出来了，劳斯拿出来行列式，得到了奖，当时叫做亚当奖。在这个同时，1895年，胡尔维茨（Hurwitz）也在不同的情况下，不知道劳斯的情况下。因为那个时候的欧洲不像现在学术交流这么频繁，当时没有什么学术交流。我也不知道你到底搞了些什么，所以这基本上是平行的。但是胡尔维茨（Hurwitz）的不一样，胡尔维茨（Hurwitz）解决的是瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计，就用稳定性理论来设计。胡尔维茨（Hurwitz）被认为是真正用控制理论，来用到控制系统设计的第一个例子。所以我现在这里列出来的这四个人，两个人是学校里的学究式的，就是麦克斯维尔跟劳斯，但是他的功劳也不能磨灭，维斯聂格拉斯基跟胡尔维茨（Hurwitz），都是实际上出来的，就解决实际问题，这是两个不同的。但是最后，劳斯，胡尔维茨（Hurwitz），都拿出来，现在都有用的代数判据。在这个里边，还有一个人，也应该提一下的。就是我们用的是个负反馈，真正使用负反馈是谁呢？是贝尔实验室的布莱克，也是一个年轻的工程师。在1927年的8月2号发明的，都有日子。怎么发明的呢？有人说可能是灵感，一天他去上班，那时候20年代，在美国也是上下班要坐船、坐车，他坐在渡轮上面。所以这样的话，负反馈是1927年，布莱克首先提出来的，我现在为什么要提呢？就是说他到底是不是个灵感，其实推究他实际上是必然性。布莱克已经在这个之前，专门研究了电子振荡器，电子振荡器是用反馈工作的，当然是正反馈了，所以他有这个基础。完了正好这么一想，我这个线性化为什么不用这个方法呢？就是他有工作的积累，布莱克有很多用反馈原理构成振荡器线路的这些工作基础，完了老在想这个问题，这样灵感就出来了，就做出来这个负反馈放大器，这是一个人，应该要提一下。还有下面要上的是尼可尔斯（Nichols），我们下面还要提一下的，尼可尔斯（Nichols），他提出来的一个，大家现在学控制的可能都知道，PID的整定法。整定法是尼可尔斯（Nichols）在二十世纪40年代提出来的，他做了PID，他这人很有才能，他做了PID，他想办法把PID调出来，想办法参数应该怎么整定，需要用模拟机。当时美国惟一一台模拟机，当时的模拟机叫微分分析仪，麻省理工学院的。这个模拟机的制造人是谁呢？就是刚才说的，当时是维布什(VannevarBush),后来他是美国总统的科学顾问，原来就是搞自动控制的，他设计了这个微分分析仪，现在叫模拟机。尼可尔斯（Nichols）就在这个模拟机上做了大量的仿真实验，最后列出来这个PID的整定表，50年过去了现在大家还在用。有一样工作50年不变的就是这个PID整定表，现在还在用，就是尼可尔斯（Nichols）发明的。所以这个呢。因为他的工作才能，当时MIT（麻省理工学院），还有一个飞机机载雷达的控制系统在调试。调试不下来，老出问题。从现在看呢！也就是我们现在说的叫频带问题，调不出来，他在仪器厂，与MIT（麻省理工学院）不在一个地方。他是来做仿真实验，模拟机实验，完了呢！也参加了一些讨论，结果他发表了很多观点，提出了好多方法。结果MIT（麻省理工学院）把他看上了，就要他留下来，别回到调节器工厂那儿去了，所以PID的整定方法提出来以后，他就留在MIT（麻省理工学院），做了很多伺服系统的工作。这个是最后的，战争结束以后，他们才把工作展现出来。这一本书呢，现在是一本经典著作，当时我们国家解放了，当时这些资料都没有，我们只能是看到俄文的。俄文的是1953年翻译出来的。这个就是相当于我们刚才说的，逐渐的一些经验都总结起来，都形成理论了。这是一本在美国出版的书。下一本呢，第二本要介绍的是钱学森的《工程控制论》。钱学森是1954年写的书，当时他在美国写的书，我们这里也拿不到英文版，但是前苏联很重视，前苏联马上把它翻成俄文。我们看到的前苏联是1956年把他的俄文，翻译出来了，我们当时看到的是俄文版，这是在大概二十世纪50年代形成过程里边的几个主要的过程，把经验都总结出来。下一本是鲁里叶（Lurie）的非线性的一个经典著作，这个是1951年出版的鲁里叶（Lurie）的那本书。鲁里叶（Lurie）在前苏联大概1944年他提出来，大家现在搞非线性可能都知道，提出来一个鲁里叶问题，这个问题一直解决不了，他后来写成书了，就是留着这问题。这个问题，开始到什么时候呢？我这里说一下这两