自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展史

日期：2020-02-16 16:55 瀏覽量:

從遠(yuǎn)古傳說(shuō)的漏壺計(jì)時(shí)，到公元前的防洪工程工程項(xiàng)目；從歐洲中世紀(jì)的鐘擺、天文望遠(yuǎn)鏡，到科技革命的蒸汽發(fā)生器；從百年老前的飛機(jī)場(chǎng)、小車和電話，到八十多年前的電子器件放大儀、仿真模擬電子計(jì)算機(jī)；從二戰(zhàn)期內(nèi)的雷達(dá)探測(cè)、加農(nóng)炮防空網(wǎng)，到冷暴力時(shí)期的通訊衛(wèi)星、巡航導(dǎo)彈和大數(shù)字電子計(jì)算機(jī)；從六十年代的登陸月球宇宙飛船，到當(dāng)代的航天飛機(jī)、宇宙空間和星體探測(cè)儀。這種知名的發(fā)明創(chuàng)造立即催產(chǎn)和發(fā)展趨勢(shì)了自動(dòng)控制技術(shù)性。來(lái)源于實(shí)踐活動(dòng)，服務(wù)項(xiàng)目于實(shí)踐活動(dòng)，結(jié)合實(shí)際升化，歷經(jīng)數(shù)千年的提煉出，特別是在是近半世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的廣泛運(yùn)用，自動(dòng)控制技術(shù)性早已變成人們科技文明的關(guān)鍵構(gòu)成部分，在生活中必不可少。

文中將自動(dòng)控制技術(shù)性的歷史時(shí)間分為初期控制、經(jīng)典控制、當(dāng)代控制三個(gè)環(huán)節(jié)，各自給你展現(xiàn)每個(gè)階段問世的杰出控制理論、控制方式、控制設(shè)備與控制學(xué)者。

1、初期控制

早古時(shí)候，勞動(dòng)者就憑著生活實(shí)踐中累積的豐富多彩工作經(jīng)驗(yàn)和對(duì)意見反饋的形象化了解，創(chuàng)造發(fā)明了很多著閃動(dòng)控制理論聰慧火苗的作品。假如要追朔自動(dòng)控制技術(shù)性的發(fā)展歷程，早就在二千年前人們就會(huì)有了自動(dòng)控制技術(shù)性的萌芽期。

1）公元前1400至公元前1100年，我國(guó)、印度和巴比倫陸續(xù)出現(xiàn)了可全自動(dòng)倒計(jì)時(shí)的漏壺。

2）公元前300年上下，李冰父子主持人修建的都江堰市水利水電工程集中體現(xiàn)了自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的意識(shí)，是自動(dòng)控制基本原理的典型性實(shí)踐活動(dòng)。

3）100年上下，亞力山大的希羅創(chuàng)造發(fā)明了啟閉廟門和派發(fā)圣水的保護(hù)裝置。

4）132年，漢朝優(yōu)秀科學(xué)家張衡創(chuàng)造發(fā)明了船運(yùn)渾象儀，研發(fā)出了自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)地震災(zāi)害的候風(fēng)地動(dòng)儀。

5）235年，漢代階段最負(fù)盛譽(yù)的機(jī)械設(shè)備科學(xué)家馬鈞研發(fā)出了用傳動(dòng)齒輪的全自動(dòng)標(biāo)示方位的指南車。

6）1637年，明末生物學(xué)家宋應(yīng)星著作的《天工開物》記述了有程序流程控制觀念的大提花紡織機(jī)構(gòu)造。

7）1788年：第一次科技革命的關(guān)鍵角色、美國(guó)科學(xué)家JamesWatt創(chuàng)造發(fā)明了飛球控制器，用于控制蒸汽發(fā)生器的轉(zhuǎn)速比

8）1868年，美國(guó)科學(xué)家JamesClerkMaxwell(1831–1879)在ProceedingsofRoyalSociety,vol.16(1867–1868)上發(fā)布了知名畢業(yè)論文“OnGovernors”，根據(jù)對(duì)變速系統(tǒng)軟件線形常微分方程的創(chuàng)建和解析，表述了瓦特蒸汽機(jī)速率控制系統(tǒng)軟件中出現(xiàn)的強(qiáng)烈震蕩的不平穩(wěn)難題，明確提出了二階、三階系統(tǒng)軟件的可靠性解析幾何評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，開拓了用數(shù)學(xué)方法科學(xué)研究控制系統(tǒng)軟件的方式。

9）美國(guó)數(shù)學(xué)家EdwardJohnRouth(1831—1907)與法國(guó)數(shù)學(xué)家AdolfHurwitz(1859—1919)把Maxwell的觀念拓展到進(jìn)階微分方程敘述的更繁雜的系統(tǒng)軟件中，各自在1877年和1895年分別明確提出了立即依據(jù)代數(shù)方程的指數(shù)辨別系統(tǒng)軟件可靠性的規(guī)則2個(gè)知名的可靠性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)—勞斯判據(jù)和胡爾維茨評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即知名的Routh-Hurwitz可靠性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

10）1892年，俄羅斯數(shù)學(xué)家AleksandrMikhailovichLyapunov(1857—1918)進(jìn)行了博士論文“論健身運(yùn)動(dòng)可靠性的一般難題”，明確提出了常微分方程健身運(yùn)動(dòng)可靠性理論，接著被導(dǎo)入了控制理論。

2、經(jīng)典控制

從20新世紀(jì)初剛開始，經(jīng)典控制理論使高新科技水準(zhǔn)出現(xiàn)了極大的飛越，工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)牧業(yè)、交通出行及國(guó)防安全的各行各業(yè)都普遍選用了自動(dòng)化控制。二戰(zhàn)期內(nèi)，意見反饋控制被普遍用以飛機(jī)場(chǎng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、加農(nóng)炮手機(jī)定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)軟件及其別的軍工用系統(tǒng)軟件。這種系統(tǒng)軟件的多元性和對(duì)迅速追蹤、精準(zhǔn)控制的性能追求完美，迫切要求擴(kuò)展現(xiàn)有的控制技術(shù)性。另外，還推動(dòng)了對(duì)離散系統(tǒng)系統(tǒng)軟件、采樣系統(tǒng)及其任意控制系統(tǒng)軟件的科學(xué)研究。能夠說(shuō)科技革命和戰(zhàn)事促進(jìn)了經(jīng)典控制理論的發(fā)展趨勢(shì)。

1）1913年，美國(guó)福特汽車公司完工了全世界最開始的小車裝配流水線。

2）1922年，俄裔美國(guó)生物學(xué)家NicholasMinorsky(1885-1970)研發(fā)出了用以美國(guó)軍隊(duì)船只安全駕駛的伺服電機(jī)構(gòu)造，初次明確提出了經(jīng)典的PID控制方式。

3）1927年，美國(guó)Bell試驗(yàn)室的技術(shù)工程師HaroldStephenBlack(1898—1983)明確提出了性能的負(fù)的反饋放大儀(NegativeFeedbackAmplifier)，初次明確提出了負(fù)的反饋控制這一關(guān)鍵觀念。

4）1930年，信息化時(shí)代的教父3、美國(guó)MIT的生物學(xué)家VannevarBush(1890—1974)研發(fā)出了全世界第一臺(tái)大中型仿真模擬電子計(jì)算機(jī)（DifferentialAnalyzer）。他是二戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)最杰出的生物學(xué)家和技術(shù)工程師之一。

5）1932年，美國(guó)國(guó)籍德國(guó)科學(xué)家HarryNyquist(1889–1976)明確提出了在頻域內(nèi)科學(xué)研究系統(tǒng)軟件特點(diǎn)的相頻特性法，創(chuàng)建了以單位階躍響應(yīng)為基本的可靠性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為具備高品質(zhì)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)量和靜態(tài)數(shù)據(jù)精確度的軍工用控制系統(tǒng)軟件出示了需要的解析專用工具。

6）1938年，美國(guó)生物學(xué)家HendrikWadeBode(1905–1982)將相頻特性法開展了系統(tǒng)軟件科學(xué)研究，產(chǎn)生了經(jīng)典控制理論的頻域分析方法。

7）1938年，美國(guó)數(shù)學(xué)家、機(jī)電工程師ClaudeElwoodShannon(1916—2001)明確提出了汽車?yán)^電器邏輯性自動(dòng)化技術(shù)理論，1948年發(fā)布了知名的畢業(yè)論文《通信的數(shù)學(xué)原理》，確立了信息論的基本。

8）1942年，美國(guó)技術(shù)工程師JohnG.Ziegler(1909—1997)、NathanielB.Nichols(1914–1997)明確提出了知名的Ziegler–NicholsMethod，是一種啟發(fā)式的PID主要參數(shù)最好回歸分析法，目前為止仍然是工業(yè)領(lǐng)域調(diào)節(jié)PID主要參數(shù)的主流產(chǎn)品方式。

9）1942年，控制論創(chuàng)立者、美國(guó)運(yùn)用數(shù)學(xué)家NorbertWiener（1894—1964）明確提出了Wiener濾波器理論。1947年，Wiener專家教授進(jìn)行了里程碑式的經(jīng)典著作《控制論》(Cybernetics)，意味著控制論課程的問世。此書得出了控制論的界定：Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance。簡(jiǎn)易地說(shuō)：控制論就是說(shuō)科學(xué)研究小動(dòng)物（包含人們）、全自動(dòng)設(shè)備和生物體的控制和通信的理論。

10）1944年，美國(guó)國(guó)籍意大利數(shù)學(xué)家JohnvonNeumann(1903—1957)開創(chuàng)了博弈論，并且于1946年創(chuàng)造發(fā)明了全球第一臺(tái)大數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。他是20新世紀(jì)最關(guān)鍵的數(shù)學(xué)家之一，在當(dāng)代電子計(jì)算機(jī)、博弈論、核彈和化學(xué)武器等眾多行業(yè)內(nèi)均有優(yōu)秀成就，是最杰出的科學(xué)研究通才之一，被后代稱之為“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論鼻祖”。

11）1948年，美國(guó)生物學(xué)家WalterRichardEvans(1920—1999)開創(chuàng)了根軌跡統(tǒng)計(jì)分析方法RootLocusMethod，為數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)特性隨系統(tǒng)軟件主要參數(shù)轉(zhuǎn)變的周期性出示了強(qiáng)有力專用工具，被廣泛運(yùn)用于意見反饋控制系統(tǒng)軟件的解析、設(shè)計(jì)方案中。創(chuàng)建在Nyquist相頻特性法和Evans根軌跡法基本上的理論，稱之為經(jīng)典控制理論，為工程項(xiàng)目專業(yè)技術(shù)人員出示了一個(gè)設(shè)計(jì)方案意見反饋控制系統(tǒng)軟件的合理專用工具。

12）在我國(guó)著名物理學(xué)家錢學(xué)森工程院院士將控制理論運(yùn)用于工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，并且于1954年出版發(fā)行了知名的《工程項(xiàng)目控制論》。

13）接著，多本經(jīng)典控制理論名篇陸續(xù)出版發(fā)行，包含Smith的AutomaticControlEngineering，Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier，MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms及其錢學(xué)森的《工程項(xiàng)目控制論》。

3、當(dāng)代控制

20新世紀(jì)50時(shí)代中后期，科技進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)，非常是空間技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，迫切要求處理更繁雜的多自變量系統(tǒng)軟件、離散系統(tǒng)系統(tǒng)軟件的最優(yōu)化控制難題(比如火箭彈和航宇器的導(dǎo)行、追蹤和降落全過(guò)程中的高精密、低耗控制，抵達(dá)總體目標(biāo)的控制時(shí)間最少等)。實(shí)踐活動(dòng)的要求促進(jìn)了控制理論的發(fā)展，電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也從測(cè)算方式上為控制理論的發(fā)展趨勢(shì)出示了標(biāo)準(zhǔn)。合適敘述航天飛機(jī)的健身運(yùn)動(dòng)規(guī)律性，又有利于電子計(jì)算機(jī)求出的情況室內(nèi)空間實(shí)體模型變成關(guān)鍵的實(shí)體模型方式。因而，60時(shí)代造成的當(dāng)代控制理論要以狀態(tài)變量定義為基本，運(yùn)用當(dāng)代數(shù)學(xué)方法和電子計(jì)算機(jī)來(lái)解析、綜合性繁雜控制系統(tǒng)軟件的新理論，適用多鍵入、多輸出、時(shí)變的、離散系統(tǒng)系統(tǒng)軟件。

1）1956年，知名的俄國(guó)數(shù)學(xué)家LevSemyonovichPontryagin(1908—1988)發(fā)布了“最優(yōu)化全過(guò)程數(shù)學(xué)課理論”，并且于1961年證實(shí)并發(fā)布了知名的極大值基本原理。極大值基本原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為處理最優(yōu)化控制難題出示了理論專用工具。

2）1957年，知名的美國(guó)數(shù)學(xué)家RichardErnestBellman(1920—1984)在蘭德公司RANDCooperation數(shù)學(xué)課部的適用下，明確提出了離開多環(huán)節(jié)管理決策的最優(yōu)性基本原理，開創(chuàng)了動(dòng)態(tài)規(guī)劃方式，發(fā)布了知名的DynamicProgramming，創(chuàng)建了最優(yōu)化控制的理論基本。1979年，Bellman得到了IEEE榮譽(yù)勛章（IEEEMedalofHonor），得獎(jiǎng)原因?yàn)椋篺orcontributionstodecisionprocessesandcontrolsystemtheory,particularlythecreationandapplicationofdynamicprogramming。

3）1957年，國(guó)際性自動(dòng)控制委員會(huì)(InternationalFederationofAutomaticControl，IFAC)宣布創(chuàng)立，我國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)于1960年在巴黎舉辦。在我國(guó)著名物理學(xué)家錢學(xué)森工程院院士為IFAC第一屆實(shí)行聯(lián)合會(huì)（ExecutiveCouncil）委員會(huì)。

4）1957年，俄國(guó)在拜科努爾航天基地取得成功發(fā)送了全世界第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik。該惡性事件意味著人們航空航天時(shí)期的到來(lái)，也立即造成了美國(guó)、俄國(guó)的航天工程比賽。

5）1954年，美國(guó)科學(xué)家GeorgeCharlesDevol,Jr.(1912—2011)研發(fā)出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手樣品；一年后，被稱作工業(yè)機(jī)械手鼻祖的美國(guó)科學(xué)家JosephFrederickEngelberger(1925—2015)開創(chuàng)了全世界第一家機(jī)器人廠家Unimation。

6）1958年，美國(guó)國(guó)籍伊朗控制理論學(xué)者EliahuIbrahamJury發(fā)布了知名的畢業(yè)論文“Sampled-DataControlSystem”，1964年明確提出了Z轉(zhuǎn)換方式，創(chuàng)建了大數(shù)字控制及數(shù)字圖像處理的理論基本。

7）1960年，美國(guó)國(guó)籍意大利數(shù)學(xué)家Rudolf(Rudi)EmilKálmán(1930—2016)發(fā)布了“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等代表性畢業(yè)論文，導(dǎo)入了情況室內(nèi)空間法分析系統(tǒng)軟件，明確提出能控性、能觀察性、最好控制器和kalman濾波器等定義，確立了當(dāng)代控制理論的基本。2009年，美國(guó)總理BarackObama向Kálmán授予了國(guó)家科學(xué)研究紀(jì)念章。

8）1961年，俄國(guó)修真１號(hào)宇宙飛船載著全世界第一名宇航員Gagarin(1934—1968)進(jìn)到了人造地球衛(wèi)星路軌，打開了人們航宇時(shí)期。

9）1963年，美國(guó)知名數(shù)學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校專家教授LotfiAliaskerZadeh與CharlesA.Desoer協(xié)作發(fā)布了知名的畢業(yè)論文“LinearSystemTheory:TheStateSpaceApproach”。1965年，Zadeh專家教授明確提出了模糊不清集合的概念，創(chuàng)建了模糊不清控制理論。

10）1966年，俄國(guó)取得成功發(fā)送了“月球表面9號(hào)”探測(cè)儀，保持了探測(cè)儀初次在月球表面取得成功著陸；1969年，“阿波羅11號(hào)”取得成功地把美國(guó)航天員NeilAldenArmstrong(1930—2012)送到了月球表面，保持了人們初次登陸月球，邁開了“人們的一大步”。

11）1967年，德國(guó)隆德大學(xué)專家教授KarlJohanAstrom明確提出了最小二乘辯識(shí)，處理了線形定常系統(tǒng)軟件參數(shù)估計(jì)難題和定階方式，明確提出了自啟控制器，創(chuàng)建了響應(yīng)式控制的理論基本，在響應(yīng)式控制理論和運(yùn)用層面做出了巨大貢獻(xiàn)。Astrom于1993年得到了IEEE榮譽(yù)勛章。得獎(jiǎng)原因：Forfundamentalcontributionstotheoryandapplicationsofadaptivecontroltechnology。

12）20新世紀(jì)60時(shí)代，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)專家教授HowardHarryRosenbrock(1920—2010)和謝菲爾德學(xué)校專家教授DavidH.Owens科學(xué)研究了運(yùn)用于輔助設(shè)計(jì)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的當(dāng)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳送函數(shù)的概念營(yíng)銷推廣到多自變量系統(tǒng)軟件，討論了傳遞函數(shù)引流矩陣與狀態(tài)方程中間的等額的變換關(guān)聯(lián)，為創(chuàng)建統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論確立了基本。1970年，Rosenbrock專家教授發(fā)布了經(jīng)典經(jīng)典著作《StateSpaceandMultivariableTheory》。1982年，他得到了第一屆IEEEControlSystemsAward，得獎(jiǎng)原因：Forcontributionstomultivariablecontroltheoryanddesignmethods。

13）1969年，當(dāng)代最優(yōu)化控制理論鼻祖、斯坦福學(xué)校專家教授ArthurEarlBryson,Jr.與美籍華裔生物學(xué)家、美國(guó)哈佛大學(xué)專家教授何毓琦（Yu-Chi;Ho）協(xié)作發(fā)布了經(jīng)典經(jīng)典著作《Appliedoptimalcontrol:optimization,estimationandcontrol》。1984年，他得到了第2屆IEEEControlSystemsAward，得獎(jiǎng)原因：Forpioneeringcontributionstooptimalcontrolandestimationandtheirapplications。

14）1971年，美國(guó)外交部計(jì)算機(jī)網(wǎng)基本完工。

15）1974年，多倫多大學(xué)專家教授WalterMurrayWonham發(fā)布了經(jīng)典經(jīng)典著作《LinearMultivariableControl:AGeometricApproach》，并且于1987年得到了IEEEControlSystemsAward，得獎(jiǎng)原因：Forpioneeringcontributionstothetheoryofstochasticsystems,linearmultivariablecontrol,anddiscreteeventsystems。

16）1976年，美國(guó)控制理論學(xué)者、美國(guó)哈佛大學(xué)專家教授RogerWareBrockett明確提出用微分幾何科學(xué)研究離散系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件。并且于1991年得到了IEEEContro。

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