自动控制的发展历史

东华大学信息科学与技术学院1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。东华大学信息科学与技术学院2自动化（Automation）定义采用能自动启闭、调节、检查、加工和控制的机器、设备进行各种作业，以代替人工直接操作的措施。是机械化的更高阶段。部分采用自动装置，部分由人工操作的，称“半自动化”。在一台独立设备上实现自动化的，称“单机自动化”。整个生产过程从进料、加工、传送、检查，以至完成产品，能自动按人们预定的程序和要求进行，而启动、调整、停车以及排除故障等仍由人工操作的，称“综合自动化”。如调整、停车、故障排除及其后的重新启动等操作也都能自动实现的，则称“全盘自动化”。东华大学信息科学与技术学院3自动控制（AutomaticControl）定义实现自动化的主要手段。目的是在没有人的直接参与下使生产或其他过程或过程中某些物理量按照一定的工作程序或指定规律进行。分连续控制和断续（离散）控制两种。电子计算机的利用促进了自动控制的发展，对技术工具的调整，控制程序的组织和改变都可实现自动化。自动控制也包括对远处对象的控制，例如对火箭和人造卫星的遥远控制。东华大学信息科学与技术学院4I.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.)西汉漏壶东华大学信息科学与技术学院5(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)东华大学信息科学与技术学院6(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)东华大学信息科学与技术学院7(6)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)(7)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)东华大学信息科学与技术学院8(8)英国E.J.Routh建立Routh判据(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)东华大学信息科学与技术学院9(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门东华大学信息科学与技术学院10II.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)(2)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)(3)美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush东华大学信息科学与技术学院11(4)美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black东华大学信息科学与技术学院12(5)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”闭环控制系统的结构框图：东华大学信息科学与技术学院13(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)东华大学信息科学与技术学院14III.经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(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。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory东华大学信息科学与技术学院15(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东华大学信息科学与技术学院16(5)英国A.M.Turine提出图灵计算机的设想(1937)(6)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《通信的数学理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)C.E.Shannon东华大学信息科学与技术学院17(7)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)(8)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。(9)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》(EngineeringCybernetics)(1954)LanJ.Chu东华大学信息科学与技术学院18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)。东华大学信息科学与技术学院19(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.Pontryagin东华大学信息科学与技术学院20(4)美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)东华大学信息科学与技术学院21(5)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace1957.Laika.Sputnik2东华大学信息科学与技术学院22Oct.4,1957:LaunchoftherocketcarryingSputnik,thefirstman-madesatellite.Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased.Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm.K.S.Pavlovitch(1906-1966),RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects.东华大学信息科学与技术学院23(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东华大学信息科学与技术学院24(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(thisfigurewascalculatedbyelectroniccomputers).Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.宇宙哥伦布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.东华大学信息科学与技术学院25(9)1963年,美国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems-AStateSpaceApproach。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东华大学信息科学与技术学院26(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.Armstrong东华大学信息科学与技术学院27(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