自动化的渊源.doc

　　自动化的渊源，可以一直追溯到两千多年以前。我国汉朝时期，就有了指南车。
　　公认的自动化技术的起源，还是18世纪前后（大约在1788年）。随着工业革命在英国的出现，对动力的需求大增；因此出现了蒸汽机。人们在使用蒸汽机的时候，就发现保持其转速的稳定是一个大问题，为此发明了飞球转速控制器（也叫离心调速器）。
　　可是，光有飞球控制器有时还是不能解决问题。人们很快发现，有的蒸汽机的飞球调速器投入运行后，蒸汽机的转速就产生周期性的大幅度波动，无法正常工作。用现在的话来说，就是系统不稳定。那个时候，人们还没有系统的概念，也没有反馈的概念，无法从理论上解释这种不稳定现象；人们就反复地在蒸汽机的制造工艺上盲目地摸索，努力减小摩擦，调整弹簧等等。这种情况持续了大约一个世纪之久，直到19世纪末，自动控制理论诞生以后，自动控制技术才得以在科学理论的指导下发展和提高。
　　蒸汽机转速的不稳定问题引起了许多科学家的注意。1868年，建立了电磁波理论的英国物理学家麦克斯韦尔（J·C·Maxwell），把蒸汽机的调速过程变成了一个线性微分方程的问题。他指出，如果对应的微分方程特征值在复平面的左半平面，系统就是稳定的；反之，如果对应的微分方程特征值在复平面的右半平面，系统就是不稳定的，蒸汽机的转速就会产生波动。
　　1877年，麦克斯韦尔的学生劳斯（E·Routh）找到了根据微分方程的系数判别系统稳定性的方法，这就是自动控制理论中有名的劳斯判据。
　　1876年，俄国的维斯聂格拉斯基（J·A·Vyschnegradsky）结合实际的蒸汽机研制，解决了如何选择参数才能使其转速稳定的问题。当时的研制者由于找不到问题所在，已经准备放弃了。
　　1895年，德国的霍尔维茨（A·Hurwitz）在解决瑞士达沃斯电厂一个蒸汽机的调速系统的设计时，就使用了稳定性理论。他同时也独立地提出了霍尔维茨判据，霍尔维茨当时是苏黎世工业大学的数学教授，也做过爱因斯坦的数学老师。
　　20世纪，通信技术、电子技术开始发展。同时战争、工业也成为了推动力，自动控制技术与自动控制理论开始快速发展。
　　1927年美国贝尔实验室的布莱克（H·Black）利用负反馈原理设计了电子管放大器，解决了电话长距离传输时信号畸变的问题。解决了信号畸变问题以后，又出现了放大器振荡引起声音尖叫的现象（即系统不稳定），由于微分方程的阶次往往很高（通常高达50阶），Routh判据变得不够实用。
　　而贝尔实验室具有通信背景的工程师们往往很熟悉频域方法。1932年出生在瑞典后来移民美国的奈奎斯特（H·Nyquist）发表论文，采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上伯德（H·W·Bode）等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法，后来也用于自动控制系统的分析与设计。
　　与此同时，反馈控制原理开始应用于工业过程。1936年英国的考伦德（A·Callender）和斯蒂文森（A·Stevenson）等人给出了 PID控制器的方法。PID（P，Proportional，比例；I，Integrative，积分；D，Derivative，微分）控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。PID控制的含义是，将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再叠加得到控制器输出信号。这种控制方式适合相当多的被控对象，目前仍然广泛地运用于多数自动控制系统。
　　1942年哈里斯（H·Harris）引入了传递函数的概念。1948年伊万斯（W·R·Evans）在进行飞机导航和控制时，在应用频域方法时遇到了困难，因此他又回到特征方程的思路上并提出了根轨迹法。
　　1948年，数学家维纳（N·Wiener）《控制论》（CYBERNETICS）一书的出版，标志着控制论的正式诞生。这本书的出版被认为是自动控制科学的一个里程碑。
　　在这段时间，自动控制理论的主要数学工具是微分方程、复变函数和拉普拉斯氏变换。
　　就这样，在20世纪50年代前后，一种在系统分析设计时，运用频率域方法（经典控制理论）、采用PID控制方法，运用模拟电子技术（主要是电子管和交磁放大机）构成控制器的自动控制技术已经基本形成。值得一提的是，战争（火炮控制、飞机飞行控制、雷达控制等）、通信、工业成为了自动控制技术的主要推动力。
　　20世纪50年代到60年代，随着第二次世界大战的结束、冷战的开始，东西方阵营开始在航天和航空领域进行竞争，提出了飞机、导弹和航天器的控制问题。在飞机或火箭具有有限的燃料的条件下，如何控制航天器、飞行器的运动轨迹，并做到节省燃料、缩短飞行时间等问题推动了最优控制理论的发展。
　　在这个时期，众多的数学家投入自动控制理论的研究。自动控制科学家从力学中引进了状态空间的概念。苏联数学家庞特利亚金提出了极大值原理。美国数学家贝尔曼（R·Bellman）讨论了应用动态规划理论解决有约束的最优控制问题。匈牙利裔的美国数学家卡尔曼（R·E·Kalman）建立了基于线性二次型性能指标的最优控制问题并提出Kalman滤波理论。在这段时间，自动控制理论的主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、泛函分析、状态空间法等等；主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等；重点是最优控制、随机控制和自适应控制。在技术上还是以电子管构成的电路为主；但是电子计算机开始出现，晶体管开始进入实用阶段。人们普遍认为，自动控制理论开始进入“现代控制理论”的阶段。
　　20世纪70年代到90年代中期，由于民用工业发展的推动，自动控制技术在进一步发展。工作机床（车床、铣床、刨床、磨床）、轧钢机等设备的传动控制（位置、转速）；炼油过程、化工过程、动力（锅炉）、制药、食品等工业对自动控制技术提出了新的要求。由于大规模的工业过程往往存在非线性、大滞后、多变量、时变、不确定性等问题，人们发现，将状态空间理论运用在复杂工业控制中，效果却远远比不上在航空、航天控制中。之所以这样，是因为地面工业的被控制对象往往十分复杂，其准确的数学模型是很难得到的。
　　这样，根据被控对象输入、输出数据构造模型的方法得到了发展，这也称为系统辨识。同时，自动控制科学家也在研究各种新型控制方法（也叫控制算法）；自适应控制、自校正控制、鲁棒控制、变结构控制、非线性系统控制、预测控制、智能控制、模糊控制、多变量控制、解耦控制等方法纷纷出现。
　　在应用上，主要还是将被控制对象考虑成线性的、单变量的，采用PID控制为主（但是在石油、化工行业开始采用预测控制）。主要使用运算放大器（一种半导体器件）来构成模拟的控制器。电子计算机开始在一些发达国家的大型企业应用。
作者：小叶女贞