现代控制理论发展史__香港科技大学李泽湘教授的报告

1TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology自动控制技术与人类科技文明AutomaticControl&HumanCivilization前言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汽机、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，从六十年代的登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与应用将进入一个全新的时代，新的维纳和卡尔曼将陆续诞生。数风流人物，还看今朝。2TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyI.前期控制(EarlyControlEarlyControlEarlyControlEarlyControl)(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3TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(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)4TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(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)(6)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)(5)中国定向驾驶舵（1180年）（人类首台控制机构）5TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(7)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)6TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyC.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。(8)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。7TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(9)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。032213=+++asasas03222133=+++xadtdxadtxdadtxd8TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(10)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)(11)英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)(1866年)9TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(12)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10TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyII.经典控制前期(ThePre-classicalPeriodThePre-classicalPeriodThePre-classicalPeriodThePre-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。11TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(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。12TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(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)(4)美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)(1928)13TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(5)美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black14TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(6)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：15TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnology(7)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)16TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyIII.经典控制(ClassicalControlClassicalControlClassicalControlClassicalControl)(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17TheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyTheHongKongUniversity