自动控制技术发展史

 

本文将自动控制技术的历史分成早期控制、经典控制、现代控制三个阶段，分别为你呈现各个时期诞生的伟大控制理论、控制方法、控制装置与控制学家。

 

1、早期控制

早在古代，劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈的直观认识，发明了许多着闪烁控制理论智慧火花的杰作。如果要追溯自动控制技术的发展史，早在两千年前人类就有了自动控制技术的萌芽。

1）公元前1400至公元前1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现了可自动计时的漏壶。

2）公元前300年左右，李冰父子主持修筑的都江堰水利工程充分体现了自动控制系统的观念，是自动控制原理的典型实践。

3）100年左右，亚历山大的希罗发明了开闭庙门和分发圣水的自动装置。

4）132年，东汉杰出天文学家张衡发明了水运浑象仪，研制出了自动测量地震的候风地动仪。

5）235年，汉朝时期最负盛名的机械发明家马钧研制出了用齿轮传动的自动指示方向的指南车。

6）1637年，明末科学家宋应星所著的《天工开物》记载了有程序控制思想的提花织机结构图。

7）1788年：第一次工业革命的重要人物、英国发明家James Watt发明了飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。

8）1868年，英国物理学家James Clerk Maxwell (1831–1879)在Proceedings of Royal Society, vol. 16 (1867–1868)上发表了著名论文“On Governors”，通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了二阶、三阶系统的稳定性代数判据，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。

9）英国数学家Edward John Routh (1831—1907)与德国数学家Adolf Hurwitz (1859—1919)把Maxwell的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别在1877年和1895年各自提出了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则两个著名的稳定性判据—劳斯判据和胡尔维茨判据，即著名的Routh-Hurwitz稳定性判据。

10）1892年，俄国数学家Aleksandr Mikhailovich Lyapunov(1857—1918)完成了博士论文“论运动稳定性的一般问题”，提出了常微分方程运动稳定性理论，随后被引入了控制理论。

 

 

从20世纪初开始，经典控制理论使科技水平出现了巨大的飞跃，工业、农业、交通及国防的各个领域都广泛采用了自动化技术。二战期间，反馈控制被广泛用于飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技术。同时，还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。

1）1913年，美国福特汽车公司建成了世界上最早的汽车装配流水线。

2）1922年，俄裔美国科学家Nicholas Minorsky (1885-1970)研制出了用于美军船舶驾驶的伺服结构，首次提出了经典的PID控制方法。

3）1927年，美国Bell实验室的工程师Harold Stephen Black (1898—1983)提出了高性能的负反馈放大器(Negative Feedback Amplifier)，首次提出了负反馈控制这一重要思想。

4）1930年，信息时代的教父、美国MIT的科学家Vannevar Bush (1890—1974)研制出了世界上第一台大型模拟计算机（Differential Analyzer）。他是二战时期美国最伟大的科学家和工程师之一。

5）1932年，美籍瑞典物理学家Harry Nyquist (1889–1976)提出了在频域内研究系统特性的频率响应法，建立了以频率特性为基础的稳定性判据，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。

6）1938年，美国科学家Hendrik Wade Bode (1905–1982)将频率响应法进行了系统研究，形成了经典控制理论的频域分析法。

7）1938年，美国数学家、电气工程师Claude Elwood Shannon (1916—2001)提出了继电器逻辑自动化理论，1948年发表了著名的论文《通讯的数学原理》，奠定了信息论的基础。

8）1942年，美国工程师John G. Ziegler (1909—1997)、Nathaniel B. Nichols (1914–1997)提出了著名的Ziegler–Nichols Method，是一种启发式的PID参数最佳调整法，迄今为止依然是工业界调整PID参数的主流方法。

9）1942年，控制论奠基人、美国应用数学家Norbert Wiener（1894—1964）提出了Wiener滤波理论。1947年，Wiener教授完成了划时代的著作《控制论》(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。该书给出了控制论的定义：Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance。简单地说：控制论就是研究动物（包括人类）、自动机器和有机体的控制和通讯的理论。

10）1944年，美籍匈牙利数学家John von Neumann (1903—1957)创立了博弈论，并于1946年发明了世界首台数字计算机。他是20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内均有杰出建树，是最伟大的科学全才之一，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。

11）1948年，美国科学家Walter Richard Evans (1920—1999)创立了根轨迹分析方法Root Locus Method，为分析系统性能随系统参数变化的规律性提供了有力工具，被广泛应用于反馈控制系统的分析、设计中。建立在Nyquist频率响应法和Evans根轨迹法基础上的理论，称为经典控制理论，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。

12）我国著名科学家钱学森院士将控制理论应用于工程实践，并于1954年出版了著名的《工程控制论》。

13）随后，多本经典控制理论名著相继出版，包括Smith的Automatic Control Engineering，Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier，MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms以及钱学森的《工程控制论》。