自动控制理论的早期发展历史课件.ppt

1、自动控制技术的早期发展自动控制技术的早期发展自动控制基本理论自动控制基本理论(经典部分经典部分)的发展简史的发展简史历史的思考历史的思考自动控制与系统工程大事年表自动控制与系统工程大事年表自动控制技术的早期发展自动控制技术的早期发展 以反馈控制为其主要研究内容的以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前自动控制理论的历史，若从目前公认的第一篇理论论文公认的第一篇理论论文,J.C.Maxwell 在在1868年发表的年发表的“论调节器论调节器”算起，至今不过一算起，至今不过一百多年。百多年。然而控制思想与技术的存在至少然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。已有数千年的历史

2、了。“控制控制”这一概念本身即反映了这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。中发展起来。具有反馈控制原理的控制装具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的有代表性的例子当属古代的计时器计时器“水钟水钟”(在中国叫在中国叫作作“刻漏刻漏”，也叫，也叫“漏漏壶壶”)。据古代锲形文字记。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在可以看到，巴比伦

3、和埃及在公元前公元前1500年以前便已有很年以前便已有很长的水钟使用历史了。长的水钟使用历史了。亚历山大里亚城的斯提西比亚历山大里亚城的斯提西比乌斯乌斯(Ctesibius)首先在受水首先在受水壶中使用了浮壶中使用了浮(phellossivetympanum)。按迪尔斯按迪尔斯(Diels)本世纪初复本世纪初复原的样品，注入的水是由圆原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的节制方式即已含有负反馈的思想思想(尽管当时并不明确尽管当时并不明确)。中国有着灿烂的古代文明。中国古中国有着灿烂的古代文明。中国古代的科学家们对水钟十分得重视，代的科学

4、家们对水钟十分得重视，并进行了长期的研究。并进行了长期的研究。据据记载，约在公元前记载，约在公元前 500年，中国的军队中即已用年，中国的军队中即已用漏壶漏壶作为计时的装置。作为计时的装置。约在公元约在公元120年，著名的科学家年，著名的科学家张张衡衡(78-139,东汉东汉)又提出了用补偿又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的的巧妙方法。在他的“漏水转浑天漏水转浑天仪仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟最有名的中国水钟“铜壶滴漏铜壶滴漏”由由铜匠杜子盛和洗

5、运行建造于公元铜匠杜子盛和洗运行建造于公元1316年年(元代延佑三年元代延佑三年)，并一直连，并一直连续使用到续使用到1900年。现保存在广州年。现保存在广州市博物馆中，但仍能使用。市博物馆中，但仍能使用。北宋时期，北宋时期，苏颂苏颂等于等于1086年年-1090年在开封建成年在开封建成“水水运仪象台运仪象台”。仪象台上的浑仪附有窥管，仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体能够相当准确地跟踪天体的运行，的运行，“使它自动地保使它自动地保持在窥管的视场中持在窥管的视场中”。这。这种仪象台的动力装置中就种仪象台的动力装置中就利用了利用了“从定水位漏壶中从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器流出

6、的水，并由擒纵器(天天关、天锁关、天锁)加以控制加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方浑仪结合起来，这比西方罗伯特罗伯特.胡克早六个世纪胡克早六个世纪 公元公元235(三国时期三国时期)的马均的马均及公元及公元477年年(刘宋时期刘宋时期)祖祖冲之冲之等还曾制造过具有开环等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机。了齿轮及差动齿轮机。另外，我国在公元前另外，我国在公元前350年年已经用在结构上与水轮相似已经用在结构上与水轮相似的水臼来碾米；的水臼来碾米；在公元前在公元前50年用水轮来引年用水轮来引水灌溉；在公元

7、前水灌溉；在公元前31年在年在锻冶场里使用水动风箱等。锻冶场里使用水动风箱等。大大地减轻了人们的劳动。大大地减轻了人们的劳动。十八世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置也成为十八世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置也成为人们研究的重点。人们研究的重点。1750年，安得鲁年，安得鲁.米克尔米克尔(1719-1811)为风车引入了为风车引入了“扇尾扇尾”传动装置，使风车自动地面向风。传动装置，使风车自动地面向风。随后，威廉随后，威廉.丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节使其能够自动地调整风车的传动速

8、度。这种可调整的调节器在器在1807年取的专利权。年取的专利权。18世纪的风车中还成功地使用世纪的风车中还成功地使用了离心调速器。了离心调速器。托马斯托马斯.米德米德(1787年年)和斯蒂芬和斯蒂芬.胡泊胡泊(1789年年)获得这种装置的专利权。获得这种装置的专利权。和风车技术并行，十八世纪也是蒸气机取得突破发展的时和风车技术并行，十八世纪也是蒸气机取得突破发展的时期，并成为机械工程最瞩目的成就。托马斯期，并成为机械工程最瞩目的成就。托马斯.纽可门和约纽可门和约翰翰.卡利卡利(又译为考力又译为考力)是史学界公认的蒸气机之父。是史学界公认的蒸气机之父。到十八世纪中叶，已有好几百台纽可门式蒸气机在

9、英格兰到十八世纪中叶，已有好几百台纽可门式蒸气机在英格兰北部和中部地区、康沃尔和其他国家服务，但由于其工作北部和中部地区、康沃尔和其他国家服务，但由于其工作效率太低，难以推广。效率太低，难以推广。1765年俄国的年俄国的波尔祖诺夫波尔祖诺夫（.）发）发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）。认为是世界上的第一个自动调节器）。1760年年1800年，年，詹姆斯詹姆斯.瓦特瓦特对蒸气机进行了对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特的改良工作中，的改良工作中，178

10、8年，他给蒸气机添加了一个年，他给蒸气机添加了一个“节流节流”控制器即节流阀，它由一个离心控制器即节流阀，它由一个离心“调节调节器器”操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面分机磨石松紧的装置。分机磨石松紧的装置。“调节器调节器”或或“飞球调节飞球调节器器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。瓦特瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析理论分析 后来后来J.C.Maxwell从微分方程角度讨论了调从微

11、分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究始了对反馈控制动力学问题的理论研究 自动控制基本理论（经典部分）自动控制基本理论（经典部分）的的 发发 展展 简简 史史 2.1 稳定性理论的早期发展稳定性理论的早期发展人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。是第一个关注动态系统稳定性的人。1687年，年，牛顿牛顿在他的在他的数学原理数学原理中对围绕中对围绕引力中心做圆周运动的质点进行了研究。他假引力中心做圆周运动的质点进行了研究。他假设引力与质点到

12、中心距离的设引力与质点到中心距离的 q 次方成正比。次方成正比。牛顿发现，假设牛顿发现，假设q-3,则在小的扰动后，质点则在小的扰动后，质点仍将保留在原来的圆周轨道附近运动。而当仍将保留在原来的圆周轨道附近运动。而当 q-3时，质点将会偏离初始的轨道，或者按螺时，质点将会偏离初始的轨道，或者按螺旋状的轨道离开中心趋向无穷远，或者将落在旋状的轨道离开中心趋向无穷远，或者将落在引力中心上引力中心上 天文学家曾不断努力以图证明天文学家曾不断努力以图证明太阳系的稳定性。特别地，太阳系的稳定性。特别地，拉拉格朗日格朗日和和拉普拉斯拉普拉斯在这一问题在这一问题上做了相当的努力。上做了相当的努力。1773年

13、，年，24岁的拉普拉斯岁的拉普拉斯“证明了行星到太阳的距离在证明了行星到太阳的距离在一些微小的周期变化之内是不一些微小的周期变化之内是不变的变的”。并因此成为法国科学。并因此成为法国科学院副院士。虽然他们的论证今院副院士。虽然他们的论证今天看来并不严格，但他们的工天看来并不严格，但他们的工作对后来李亚普诺夫的稳定性作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响。理论有很大的影响。直到十九世纪中期，稳定性理论仍集中在对保守系统研究直到十九世纪中期，稳定性理论仍集中在对保守系统研究上。主要是天文学的问题。在出现控制系统的镇定问题后，上。主要是天文学的问题。在出现控制系统的镇定问题后，科学家们开始考虑非

14、保守系统的稳定性问题。科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。Clerk Maxwell是第一位利用特征方程的系数来判断系统是第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人稳定性的人26。James Clerk Maxwell是第一个对反馈是第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人。控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人。在他在他1868年的论文年的论文“论调节器论调节器”(Maxwell J C.On Governors.Proc.Royal Society of London,vol.16:270-283,1868)中，导出了调节器的微分方程，并中，导出了调节器的微分方程，

15、并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。程的根是否具有负的实部。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的麦氏在论文中对三阶微分方程描述的Thomsons governor,Jenkins governor 以及具有五阶微分方程的以及具有五阶微分方程的Maxwells governor进行了研究，并给出了系统的稳定进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。性条件。Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河的工作开创了控制理论研究的先河 同一时期在俄国，同一时期在俄国，1872年年.维什聂格拉斯基维什聂格拉斯基（1831-

16、1895）也对蒸汽机的稳定性问题进行了研究。）也对蒸汽机的稳定性问题进行了研究。.维什维什聂格拉斯基的论文聂格拉斯基的论文“论调整器的一般原理论调整器的一般原理”1876年发表年发表在法国科学院院报上。在法国科学院院报上。.维什聂格拉斯基维什聂格拉斯基同样利用线性同样利用线性化方法简化问题，用线性微分方程描述由调整对象和调整化方法简化问题，用线性微分方程描述由调整对象和调整器组成的系统。这使问题大大简化。器组成的系统。这使问题大大简化。1878年年.维什聂维什聂格拉斯基格拉斯基还对非线性继电器型调整器进行了研究。还对非线性继电器型调整器进行了研究。.维维什聂格拉斯基什聂格拉斯基在苏联被视为自动

17、调整理论的奠基人。在苏联被视为自动调整理论的奠基人。Maxwell是一位天才的科学家，在许多方面都有极高的造是一位天才的科学家，在许多方面都有极高的造诣。他同时还是物理学中电磁理论的创立人诣。他同时还是物理学中电磁理论的创立人(见其论文见其论文“A dynamical theory of the electromagnetic field”，1864)。目前的研究表明，。目前的研究表明，Maxwell事实上在事实上在1863年年9月即月即已基本完成了其有关稳定性方面的研究工作。已基本完成了其有关稳定性方面的研究工作。Maxwell在他的论文中还催促数学家们尽快地解决多项式在他的论文中还催促数学

18、家们尽快地解决多项式的系数同多项式的根的关系的问题。由于五次以上的多项的系数同多项式的根的关系的问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难了困难 约在约在1875年，年，Maxwell担任了剑桥担任了剑桥Adams Prize的评奖委员。这项两的评奖委员。这项两年一次的奖授予在该委员会所选科年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳论文。学主题方面竟争的最佳论文。1877年的年的Adams Prize的主题是的主题是“运动运动的稳定性的稳定性”。E.J.Routh在这项竟赛中以其跟据多在这项竟赛中以

19、其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠的根的数目的论文夺得桂冠(Routh E J.A Treatise on the Stability of Motion.London,U.K.:Macmillan,1877)。Routh的这一成果现在被称的这一成果现在被称为劳斯判据。为劳斯判据。Routh工作的意义在于将当时各种工作的意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。态稳定性的系统理论。Edward John Routh 183

20、1年年1月月20日出生在加日出生在加拿大的魁北克。他父亲是一位在拿大的魁北克。他父亲是一位在Waterloo服役的服役的英国军官。英国军官。Routh 11岁那年回到英国，在岁那年回到英国，在de Morgan指导下指导下学习数学。学习数学。在剑桥学习的毕业考试中，他获得第一名。并得在剑桥学习的毕业考试中，他获得第一名。并得到了到了“Senior Wrangler”的荣誉称号。（的荣誉称号。（Clerk Maxwell排在了第二位。尽管排在了第二位。尽管Clerk Maxwell当时当时被称为最聪明的人。）被称为最聪明的人。）毕业后毕业后Routh开始从事私人数学教师的工作。从开始从事私人数学

21、教师的工作。从1855年到年到1888年年Routh教了教了600多名学生，其中多名学生，其中有有27位获得位获得“SEnior Wrangler”称号。建立了无称号。建立了无可匹敌的业绩。可匹敌的业绩。Routh于于1907年年6月月7日去世，享日去世，享年年76岁。岁。Routh之后大约二十年，1895年，瑞士数学家A.Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了跟据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一中方法(Hurwitz A.On the conditions under which an equation has only roots with negativ

22、e real parts.Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的条件同Routh的条件在本质上是一致的。因此这一稳定性判据现在也被称为Routh-Hurwitz稳定性判据 1892年，俄罗斯伟大的数学力学家年，俄罗斯伟大的数学力学家 A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）发表）发表了其具有深远历史意义的博士论文了其具有深远历史意义的博士论文“运动稳运动稳定性的一般问题定性的一般问题”(The General Problem of the Stability of Motion,1892)在这一论文中，他

23、提出了为当今学术界广为在这一论文中，他提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的李亚普诺夫方法，也即李应用且影响巨大的李亚普诺夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法这亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法这一方法不仅可用于线性系统而且可用于非线一方法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计。已成为当今自动性时变系统的分析与设计。已成为当今自动控制理论课程讲授的主要内容之一。控制理论课程讲授的主要内容之一。和他的硕士论文一样，和他的硕士论文一样，Lyapunov的博士论文的博士论文被译成法文并在被译成法文并在Annales de lUniversitede Toulouse(

24、1907)上发表，上发表，1949年年Princeton University Press重印了法文版。重印了法文版。1992年在年在Lyapunov博士论文发表博士论文发表100周年之际，周年之际，INT.J.CONTROL以专集形式发表了以专集形式发表了Lyapunov论文的英译版，以纪念他控制理论论文的英译版，以纪念他控制理论领域的卓越贡献。领域的卓越贡献。2.2 负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立 在控制系统稳定性的代数理论建立之后，1928年1945年以美国AT&T公司Bell实验室(Bell Labs)的科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方法。1

25、928年年8月月2日，日，Harold Black(1898-1983)，在前往，在前往Manhattan西街西街(West Street)的上班的上班途中，在途中，在Hudson河的渡船河的渡船Lackawanna Ferry上灵光一闪，发上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时纸张，他将其发明记在了一份纽约时报（报（The New York Times）上，这）上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在AT&T的档案馆中。的档案馆

26、中。当时的当时的Black年仅年仅29岁，从岁，从Worcester Polytechnic Institute获获得电子工程学士毕业刚六年。是西部得电子工程学士毕业刚六年。是西部电子公司工程部（这个部后来成为电子公司工程部（这个部后来成为1925年成立的年成立的Bell Labs的核心）的的核心）的工程师，正在从事电子管放大器的失工程师，正在从事电子管放大器的失真和不稳定问题的研究。真和不稳定问题的研究。Black首先首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析。并对其进行了数学分析。

27、反馈放大器的振荡问题反馈放大器的振荡问题给其实用化带来了难以给其实用化带来了难以克服的麻烦。为此克服的麻烦。为此Harry Nyquist(1889-1976)和和其他一些其他一些AT&T的通讯工的通讯工程师介入了这一工作。程师介入了这一工作。Nyquist1917年在耶鲁大年在耶鲁大学学(Yale)获物理学博士学获物理学博士学位，有着极高的理论造位，有着极高的理论造诣。诣。1932年年Nyquist发表了包发表了包含著名的含著名的“乃奎斯特判乃奎斯特判据据”(Nyquist criterion)的论文，并在的论文，并在1934年加年加入了入了Bell Labs。Black关于的负反馈放大器的

28、关于的负反馈放大器的论文发表在论文发表在1934年，参年，参考了考了Nyquist的论文和他的论文和他的稳定性判据。的稳定性判据。这一时期，这一时期，Bell实验室的另实验室的另一位理论专家，一位理论专家，Hendrik Bode(1905-1982)也和一些也和一些数学家开始对负反馈放大器数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。的设计问题进行研究。Bode是一位应用数学家，是一位应用数学家，1926年年在俄荷俄州立大学在俄荷俄州立大学(Ohio State)获硕士；获硕士；1935年在哥年在哥伦比亚大学伦比亚大学(ColumbiaUniversity)获物获物理学博士学位。理学博士学位。

29、1940年，年，Bode引入了半对数坐标系，引入了半对数坐标系，使频率特性的绘制工作更加使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。适用于工程设计。1942年，年，H.Harris引入了传递函引入了传递函数的概念。用方框图、环节、输数的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。这样就把述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意义，可以了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理系统，如力学、电把对具体物理系统，如力学、电学、等的

30、描述，统一用传递函数、学、等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。频率响应等抽象的概念来研究。1925年英国电器工程师年英国电器工程师O.亥维赛亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上，提出了运算微积。络的问题上，提出了运算微积。不久拉普拉斯变换就被应用到分不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并取得析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。了显著成效。至至1945年，控制年，控制系统设计的频域方法，系统设计的频域方法，“波德波德图图”(Bode plots)方法，已基本方法，已基本建立了。建立了。在这同一时期，苏联科学家也在控制系统稳定

31、性的频域分在这同一时期，苏联科学家也在控制系统稳定性的频域分析方面取得了进展。析方面取得了进展。1938年和年和1939年，全苏电工研究所的米哈依洛夫以柯西年，全苏电工研究所的米哈依洛夫以柯西幅角原理为基础，发表论文给出了闭环控制系统稳定性的幅角原理为基础，发表论文给出了闭环控制系统稳定性的频域判别法。米哈依洛夫还提出了把自动调整系统环节按频域判别法。米哈依洛夫还提出了把自动调整系统环节按动态特性加以典型化来进行结构分析的问题。米哈依洛夫动态特性加以典型化来进行结构分析的问题。米哈依洛夫的方法现被称为的方法现被称为“米哈依洛夫稳定判据米哈依洛夫稳定判据”。客观地讲，在。客观地讲，在频域稳定性判

32、别研究中，乃奎斯特不仅在时间上领先，其频域稳定性判别研究中，乃奎斯特不仅在时间上领先，其工作也更完备。现在我们所使用的也主要是乃奎斯特的开工作也更完备。现在我们所使用的也主要是乃奎斯特的开环稳定判据。环稳定判据。除了偏差负反馈控制，扰动控制是另一种重要控制策略。除了偏差负反馈控制，扰动控制是另一种重要控制策略。第一个试图制造一个不反映被调量偏差，而反应扰动作用第一个试图制造一个不反映被调量偏差，而反应扰动作用的调节器的人是庞赛来（的调节器的人是庞赛来（）。他在）。他在1829年曾提年曾提出一种有关蒸汽机轴转速自动调节器的线路，利用的就是出一种有关蒸汽机轴转速自动调节器的线路，利用的就是扰动控制

33、的原理。可是由于当时蒸汽机本身不稳定，他的扰动控制的原理。可是由于当时蒸汽机本身不稳定，他的建议遭到了失败。建议遭到了失败。采用扰动调节原理且在实际上能够工作的第一个自动调节采用扰动调节原理且在实际上能够工作的第一个自动调节器是器是1869年由契可列夫所发明的弧光灯光度调节器。这年由契可列夫所发明的弧光灯光度调节器。这种调节器同庞赛来（种调节器同庞赛来（.）应用纯扰动的调节不）应用纯扰动的调节不同，它实际上建立了闭环，所以调节器在这里也影响系统同，它实际上建立了闭环，所以调节器在这里也影响系统的稳定（纯扰动补偿控制不影响系统稳定性）。的稳定（纯扰动补偿控制不影响系统稳定性）。2.3 根轨迹法的

34、建立根轨迹法的建立 在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位。它同时域法，频域法可称是三要的地位。它同时域法，频域法可称是三分天下。美国电信工程师分天下。美国电信工程师W.R.Evans在这在这里包打天下，他的两篇论文里包打天下，他的两篇论文“Graphical Analysis of Control System,AIEE Trans.Part II,67(1948),pp.547-551.”和和“Control System Synthesis by Root Locus Method,AIEE Trans.Part II,69(1950),pp.6

35、6-69”即已基本上建立起根即已基本上建立起根轨迹法的完整理论。轨迹法的完整理论。2.4 脉冲控制理论的建立与发展脉冲控制理论的建立与发展 随着计算机技术的诞生和发随着计算机技术的诞生和发展，脉冲控制理论也迅速发展，脉冲控制理论也迅速发展起来。在这方面首先作出展起来。在这方面首先作出重要贡献的是乃奎斯特和重要贡献的是乃奎斯特和香香农农(Shannon)。乃氏首先证。乃氏首先证明把正弦信号从它的采样值明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须复现出来，每周期至少必须进行两次采样。香农于进行两次采样。香农于1949年完全解决了这个问题。香年完全解决了这个问题。香农由此被成为信息论的创始农由此

36、被成为信息论的创始人。人。在变换理论的研究方面，在变换理论的研究方面，霍尔维兹霍尔维兹(W.Hurewicz)于于1947年迈出了第一步，他年迈出了第一步，他首先引进了一个变换用于首先引进了一个变换用于对离散序列的处理。在此对离散序列的处理。在此基础上，崔普金于基础上，崔普金于1949年，年，拉格兹尼和扎德拉格兹尼和扎德(J.R.Ragazzini 和和 L.A.Zadeh)于于1952年分别提年分别提出了和定义了出了和定义了Z变换方法，变换方法，大大简化了运算步骤，并大大简化了运算步骤，并在此基础上发展起脉冲控在此基础上发展起脉冲控制系统理论。制系统理论。2.5 历史上的三本重要著作历史上的

37、三本重要著作 在控制理论发展的历史上有在控制理论发展的历史上有三部著作三部著作特特别值得一提，即目前被作为信息论开端别值得一提，即目前被作为信息论开端的香农的香农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文：的论文：通讯的数学通讯的数学理论理论（A Mathematical Theory of Communication）1948年发表在年发表在贝尔贝尔系统技术杂志系统技术杂志第第27卷。卷。这篇论文同其这篇论文同其1949年发表的论文年发表的论文噪声噪声中的通讯中的通讯（Communication in Presence of Noise.Proc.IRE,37,10-2

38、1）奠定了信息论的基础奠定了信息论的基础 控制论创立者控制论创立者维纳维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著：）的经典论著：控制论，或关于在动物和机器中控制控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学和通讯的科学（Cybernetics or Control and Communication in the annimal and the machines.1948）钱学森钱学森(Tsien H S,1991-)的著作的著作工程控制论工程控制论（Engineering Cybernetics.1954）这三部著作对人类社会有着这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产

39、生了新型的巨大的影响，产生了新型的综合性基础理论：综合性基础理论：控制论，控制论，信息论和工程控制论。信息论和工程控制论。在中国，在中国，1954年出版了由年出版了由刘豹刘豹 编写的第一编写的第一本本自动控制原理自动控制原理专著（上海：中国科专著（上海：中国科学图书仪器公司学图书仪器公司.1954）。）。历史的思考历史的思考 回顾控制技术和控制理论几千年的发展历历史史，我们可以总结出科学发展的几个特点：1 1）社会发展的需要是科学发展的动力。）社会发展的需要是科学发展的动力。只有在工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产

40、生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。2 2）科学的进步是集体努力的结果，在这一点上往往显示出科）科学的进步是集体努力的结果，在这一点上往往显示出科学家的群体效应。学家的群体效应。同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明了这一点。3 3）科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基）科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础。础。Black虽然最早提出了负反馈放大器的思想，但由于他本人理论基础较差（学士学位，只有六、七年

41、的工作经验），频域理论却是在Nyquist博士和Bode博士等的努力下建立的。Black本人的论文也是在参考了Nyquist的论文之后才完成，他的专利申请也是在Nyquist等的工作完成后才被认可并获准的。同样，在控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如Maxwell、Lyapunov、Zadeh、July等无不在多个方面均有建树。4）没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展。控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水平上发展。1868年以来，随着控制理论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改

42、造自然的有力武器。自动控制与系统工程大事年表自动控制与系统工程大事年表 公元前公元前14前前11世纪世纪 中国埃及和巴比伦出现自动计时的漏壶公元前公元前8世纪世纪 中国使用烽火台通信公元前公元前6前前5世纪世纪 中国的孙武著孙子兵法 希腊德谟克利特的世界大系统中最早采用“系统”一词 中国史记中有体现系统和对策论思想的田忌赛马的记述 公元前公元前4世纪世纪 希腊柏拉图首先使用“控制论”一词 公元前公元前3世纪世纪 中国秦昭王(公元前305前251)时李冰主持修筑都江堰 希腊亚里士多德提出系统是由若干部分构成并大于它各部分的简单总和的思想 公元公元1世纪世纪 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等

43、自动装置 公元公元2世纪世纪 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 公元公元220280年年 中国出现记里鼓车 公元公元235年年 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 公元公元725年年 中国一行梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象公元公元10861092年年 中国苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节机构和自动报时机构的水运仪象台公元公元1135年年 中国宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子-阀门式机构自动调节漏壶的水位公元公元1637年年 中国明代的天工开物一书记载有程序控制思想萌芽的提花织机结构图公元公元1642年年 法国B.帕斯卡发明自动进位的加减法计算器公元公元16

44、57年年 荷兰C.惠更斯发表了钟摆理论公元公元1681年年 D.帕潘发明了带安全阀的压力釜实现压力自动控制公元公元1694年年 德国G.W.莱布尼茨发明能进行加减乘除的机械计算机 公元公元1736年年 E.欧拉解决柯尼斯堡七桥难题 公元公元1745年年 英国E.李发明带风向控制的风磨 公元公元1765年年 俄国波尔祖诺夫研制出浮子-阀门式水位调节器 公元公元1779年年 法国P.S.拉普拉斯提出拉普拉斯变换 公元公元1784年年 美国O.埃文斯建造利用传输带的自动面粉加工厂 公元公元1788年年 英国J.瓦特用离心式调速器控制蒸汽机的速度 公元公元1801年年 法国J.M.雅卡尔发明用穿孔卡控

45、制生产复杂图案的织机 公元公元1826年年 法国 J.-V.彭赛列研制出按扰动调节原理工作的蒸汽机转速调节器 公元公元1833年年 英国C.巴贝奇把程序控制引入计算机提出自动数字计算机的思想 公元公元1840年年 英国G.B.艾里发表关于离心式调速器引起的振动问题的论文 公元公元18471854年年 英国G.布尔发表逻辑学的数学分析和思维规律研究等著作创立布尔代数 俄国康斯坦丁诺夫发明电磁调速器 公元公元1866年年 美国敷设第一条大西洋海底电缆 公元公元1868年年 法国J.法尔科发明气动船舵位置自动控制装置(伺服机构)公元公元1869年年 英国J.C.麦克斯韦发表论调速器 公元公元1875

46、年年 英国E.J.劳思建立劳思判据 公元公元1876年年 英国R.怀特黑德研制出采用比例微分控制的自动式鱼雷 美国A.G.贝尔发明实用的电话机 俄国维什涅格拉茨基发表论调节器的一般原理 公元公元1879年年 美国D.康诺利发明自动电话交换机 公元公元1890年年 美国H.霍勒里思研制出第一台有实用价值的卡片程序控制计算机 公元公元1892年年 俄国 李雅普诺夫.发表论运动稳定性的一般问题 公元公元1895年年 德国A.胡尔维茨提出根据代数方程系数判别系统稳定性的准则 公元公元1906年年 美国L.德福雷斯特发明电子三极管 公元公元1910年年 美国E.C.莫利纳和丹麦A.K.埃尔朗建立电话系统

47、统计平衡模型 公元公元1911年年 美国泰勒F.W.的科学管理原理一书出版 公元公元1912年年 瑞典N.G.达伦发明自动太阳阀调节煤气灯光源获诺贝尔物理学奖金 公元公元1913年年 美国福特汽车公司建成最早的汽车装配流水线 公元公元19141916年年 英国兰彻斯特F.W.用数学方法描述两军对战过程提出兰彻斯特方程 公元公元1916年年 法国H.法约尔的工业管理和一般管理一书出版 公元公元1922年年 美国N.米诺尔斯基研制出用于船舶驾驶的伺服机构提出比例积分微分(PID)控制方法 公元公元1926年年 美国建成第一条自动生产线(加工汽车底盘)公元公元1927年年 德国W.克勒尔发表论调节问

48、题 美国H.S.布莱克提出改善放大器性能的负反馈方 公元公元1928年年 美国R.V.L.哈特利发表信息传输提出通信中的信息量概念公元公元1930年年 德国G.温斯提出压力和流量调节方法 德国柏林举行第三届世界动力学会议确立自动学为一门技术学科 公元公元1932年年 法国J.埃尔布朗奥地利K.哥德尔和美国S.C.克林建立递归函数理论 美籍瑞典人奈奎斯特H.提出根据频率响应判断反馈系统稳定性的准则 公元公元1934年年 美国H.L.黑曾发表关于伺服机构理论 苏联沃兹涅先斯基提出自动调整原理 公元公元1936年年 英国图灵A.M.提出图灵计算机的设想 德国D.克尼希出版第一本关于图论的书 美国列昂

49、捷夫W.提出投入产出法公元公元1937年年 苏联.克雷洛夫和博戈留博夫发表非线性力学概论提出解决非线性控制问题的渐近分析方法 公元公元1938年年 美国香农C.E.提出继电器逻辑自动机理论 苏联米哈伊洛夫提出用图解分析方法判断系统稳定性的准则公元公元1939年年 苏联建立自动学远动学研究所苏联建立自动学远动学研究所(现名控制问题研究所现名控制问题研究所)美国建立伺美国建立伺服机构实验室服机构实验室(现名信息与决策系统实验室现名信息与决策系统实验室)苏联苏联谢巴诺失提出不变性原理谢巴诺失提出不变性原理 英国英国P.M.S.布莱克特为解决复杂军事问题建立管理科学小组布莱克特为解决复杂军事问题建立管

50、理科学小组 苏联康托罗维奇苏联康托罗维奇.的的生产组织与计画中的数学生产组织与计画中的数学一书出版一书出版 公元公元1940年年 美国维纳美国维纳N.苏联苏联.柯尔莫戈罗夫柯尔莫戈罗夫(1914)研究随机过程的预研究随机过程的预测滤波理论及其在火炮自动控制中的应用首倡统计动力学测滤波理论及其在火炮自动控制中的应用首倡统计动力学公元公元1942年年 美国维纳美国维纳N.发表发表平稳时间序列的外推内插和平滑化平稳时间序列的外推内插和平滑化提提出维纳滤波理论出维纳滤波理论公元公元1943年年 美国美国W.S.麦卡洛克和麦卡洛克和W.皮茨提出神经元模型皮茨提出神经元模型 美国维纳美国维纳N.A.罗森布