自动控制技术的历史发展

人类利用自动控制技术已有很长的历史。 根据古代文字记载和埃及出土的文物可知， 早在公元前1500 年前， 埃及和巴比伦就出现了用于计时的“水钟”， 其用浮子对液位进行调整控制， 体现了朴素的反馈控制思想。 中国古代的科学家们对水钟的研究和应用也十分重视， 在公元前500 年中国的军队已将水钟作为计时装置。

在公元前300 年左右， 古代希腊出现了浮球调节装置， 它用于保持油灯燃油面的高度以及控制水箱的水位。 在120 年左右， 我国著名的东汉科学家张衡， 为了解决水钟计时不准确的问题， 提出了补偿壶的巧妙方法。 在近代欧洲， 荷兰人D. Cornelis 发明了温度自动调节装置； 随后， Dennis Papin 在1618 年发明了第一个锅炉压力调节器， 该调节器是一种安全调节装置， 其工作原理类似于当前压力锅的减压安全阀。

进入18 世纪， 欧洲出现了工业革命， 蒸汽机开始被广泛地应用于工业生产。 然而， 在蒸汽机出现的初期， 其动力输出不稳定导致其工作效率低下。 为了解决这一问题， 英国人J. Watt 发明了离心调节器， 该装置被公认为第一个得到成功应用的负反馈调节装置。图1－1 所示为离心调节器的工作原理。 在引入调节器之前， 由于蒸汽压力或者负载的变化，蒸汽机工作时的输出轴转速会产生较大的变化； 在引入离心调节器之后， 蒸汽机的动力输出轴通过传动机构驱动离心调节器转动。 当蒸汽机转速增加时， 离心调节器的金属球就会离开旋转轴线， 使重心上移， 并通过杠杆关紧进气口阀门， 从而使蒸汽机转速下降； 当蒸汽机转速降低时， 如果离心调节器的参数设计合理， 则蒸汽机的输出转速将会被动态地保持到某个稳定值。

图1－1　蒸汽机离心调节器的工作原理(www.xing528.com)

然而， 由于缺乏必要的理论方法作为指导， 在很长的一段时间里， 蒸汽机离心调节器的设计主要采用“试凑法”， 因此， 从理论上去描述自动控制系统的稳定性问题， 进而解决设计过程中出现的瞬态振荡问题就成为当务之急。 直到1868 年， 英国物理学家、 数学家Maxwell 针对蒸汽机的离心调节器， 建立了蒸汽机转速调节过程的微分数学模型， 讨论了离心调节器的不稳定现象， 发表了著名的论文《论调节器》， 从而开始了反馈控制与动力学理论问题的研究。 Maxwell 是第一个对反馈控制系统的稳定性进行理论分析的人。 随后， 1884年英国数学家E. Routh 和1895 年瑞士数学家A. Hurwize 提出了通过考察线性定常系统特征根来确定动态系统稳定性的方法， 并得到了相应的稳定性判据。 1892 年俄国数学家李雅普诺夫发表了著名的博士论文《The General Problem of the Stability of Motion》， 用严格的数学分析方法全面阐述了稳定性的问题， 提出了具有划时代意义的李雅普诺夫方法。

在第二次世界大战之前， 由于有了贝尔实验室对电话系统和电子反馈放大器相关的研究工作， 控制理论的频域分析方法得到了快速的发展。 1932 年， 奈奎斯特（Nyquist） 提出了负反馈系统的频域稳定性判据， 即著名的奈奎斯特稳定性判据， 这种方法只需利用频率响应的实验数据。 1940 年， 伯德（Bode） 进一步研究通信系统频域方法， 提出了频域响应的对数坐标图描述方法。 1948 年， 伊文斯（Ewans） 又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法， 它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。 至此， 经典控制理论的时域和频域分析方法已较为完善， 1948 年， 维纳（Wiener） 提出了著名的“控制论”， 它标志着经典控制理论体系已经形成。 1954 年， 我国著名的科学家钱学森在美国用英文出版了《工程控制论》， 首次将控制论的主要思想和方法推广到工程技术领域。

概括地讲， 经典控制理论主要以单输入－单输出的线性定常系统为研究对象， 所采用的分析方法主要包括时域和频域两类。 进入20 世纪60 年代， 航天技术得到了快速的发展， 传统的经典控制理论难以满足航天任务中的多变量线性控制系统的需求， 这就促进了现代控制理论的发展。 现代控制理论主要以多变量线性系统和非线性系统为主要研究对象， 以状态空间方法为主要工具， 适用于高性能、 高精度和多变量耦合系统的问题分析和设计。 针对最优控制问题， 1954 年贝尔曼（Bellman） 提出了动态规划理论， 1956 年庞特里亚金（Pontryagin） 提出了极大值原理； 针对随机系统最优滤波问题， 1960 年卡尔曼（Kalman） 提出了卡尔曼滤波理论。 上述三大理论方法， 对现代控制理论起到了重要的支撑作用。

进入20 世纪80 年代， 计算机开始被逐渐应用到自动控制领域， 特别是随着计算机运算能力的快速提升， 许多新的控制理论分支也相继出现， 例如自适应控制、 混杂控制、 鲁棒控制、 神经网络控制等； 自动控制理论的应用也逐渐从工业应用开始向经济和社会领域渗透。自动控制理论的发展极大地促进了人类生产力的发展， 同时也改变了人类的生活和生产方式。 正如钱学森所说： “从科学理论的角度来看， 20 世纪上半叶的三大伟绩是相对论、 量子论和控制论， 也许可以称它们为三项科学革命、 人类认识客观世界的三大飞跃。”