從遠(yuǎn)古的漏壺計(jì)時(shí)，到公元前的水利樞紐工程；從中世紀(jì)的鐘擺、天文望遠(yuǎn)鏡，到工業(yè)革命的蒸汽機(jī)；從百年前的飛機(jī)、汽車(chē)和電話，到八十多年前的電子放大器、模擬計(jì)算機(jī)；從二戰(zhàn)期間的雷達(dá)、火炮防空網(wǎng)，到冷戰(zhàn)時(shí)代的衛(wèi)星、導(dǎo)彈和數(shù)字計(jì)算機(jī)；從六十年代的登月飛船，到現(xiàn)代的航天飛機(jī)、宇宙和星球探測(cè)器。這些著名的科技發(fā)明直接催生和發(fā)展了自動(dòng)控制技術(shù)

從遠(yuǎn)古的漏壺計(jì)時(shí)，到公元前的水利樞紐工程；從中世紀(jì)的鐘擺、天文望遠(yuǎn)鏡，到工業(yè)革命的蒸汽機(jī)；從百年前的飛機(jī)、汽車(chē)和電話，到八十多年前的電子放大器、模擬計(jì)算機(jī)；從二戰(zhàn)期間的雷達(dá)、火炮防空網(wǎng)，到冷戰(zhàn)時(shí)代的衛(wèi)星、導(dǎo)彈和數(shù)字計(jì)算機(jī)；從六十年代的登月飛船，到現(xiàn)代的航天飛機(jī)、宇宙和星球探測(cè)器。這些著名的科技發(fā)明直接催生和發(fā)展了自動(dòng)控制技術(shù)。源于實(shí)踐，服務(wù)于實(shí)踐，在實(shí)踐中升華，經(jīng)過(guò)千百年的提煉，尤其是近半個(gè)世紀(jì)工業(yè)實(shí)踐的普遍應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為人類(lèi)科技文明的重要組成部分，在日常生活中不可或缺。

本文將自動(dòng)控制技術(shù)的歷史分成早期控制、經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制三個(gè)階段，分別為你呈現(xiàn)各個(gè)時(shí)期誕生的偉大控制理論、控制方法、控制裝置與控制學(xué)家。

1、早期控制

早在古代，勞動(dòng)人民就憑借生產(chǎn)實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和對(duì)反饋的直觀認(rèn)識(shí)，發(fā)明了許多著閃爍控制理論智慧火花的杰作。如果要追溯自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展史，早在兩千年前人類(lèi)就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽。

1)公元前1400至公元前1100年，中國(guó)、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)了可自動(dòng)計(jì)時(shí)的漏壺。

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體現(xiàn)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的觀念，是自動(dòng)控制原理的典型實(shí)踐。

3)100年左右，亞歷山大的希羅發(fā)明了開(kāi)閉廟門(mén)和分發(fā)圣水的自動(dòng)裝置。

4)132年，東漢杰出天文學(xué)家張衡發(fā)明了水運(yùn)渾象儀，研制出了自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。

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“電”字的故事與電的歷史 你知道嗎？

5)235年，漢朝時(shí)期最負(fù)盛名的機(jī)械發(fā)明家馬鈞研制出了用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(chē)。

6)1637年，明末科學(xué)家宋應(yīng)星所著的《天工開(kāi)物》記載了有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

7)1788年：第一次工業(yè)革命的重要人物、英國(guó)發(fā)明家James Watt發(fā)明了飛球調(diào)節(jié)器，用來(lái)控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速。

8)1868年，英國(guó)物理學(xué)家James Clerk Maxwell (1831–1879)在Proceedings of Royal Society, vol. 16 (1867–1868)上發(fā)表了著名論文“On Governors”，通過(guò)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析，解釋了瓦特蒸汽機(jī)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問(wèn)題，提出了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，開(kāi)辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。

9)英國(guó)數(shù)學(xué)家Edward John Routh (1831—1907)與德國(guó)數(shù)學(xué)家Adolf Hurwitz (1859—1919)把Maxwell的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，分別在1877年和1895年各自提出了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和胡爾維茨判據(jù)，即著名的Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)。

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10)1892年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家Aleksandr Mikhailovich Lyapunov(1857—1918)完成了博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題”，提出了常微分方程運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論，隨后被引入了控制理論。

2、經(jīng)典控制

從20世紀(jì)初開(kāi)始，經(jīng)典控制理論使科技水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通及國(guó)防的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用了自動(dòng)化技術(shù)。二戰(zhàn)期間，反饋控制被廣泛用于飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技術(shù)。同時(shí)，還促進(jìn)了對(duì)非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機(jī)控制系統(tǒng)的研究?？梢哉f(shuō)工業(yè)革命和戰(zhàn)爭(zhēng)促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展。

1)1913年，美國(guó)福特汽車(chē)公司建成了世界上最早的汽車(chē)裝配流水線。

2)1922年，俄裔美國(guó)科學(xué)家Nicholas Minorsky (1885-1970)研制出了用于美軍船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，首次提出了經(jīng)典的PID控制方法。

3)1927年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的工程師Harold Stephen Black (1898—1983)提出了高性能的負(fù)反饋放大器(Negative Feedback Amplifier)，首次提出了負(fù)反饋控制這一重要思想。

4)1930年，信息時(shí)代的教父、美國(guó)MIT的科學(xué)家Vannevar Bush (1890—1974)研制出了世界上第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(Differential Analyzer)。他是二戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)最偉大的科學(xué)家和工程師之一。

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5)1932年，美籍瑞典物理學(xué)家Harry Nyquist (1889–1976)提出了在頻域內(nèi)研究系統(tǒng)特性的頻率響應(yīng)法，建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，為具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

6)1938年，美國(guó)科學(xué)家Hendrik Wade Bode (1905–1982)將頻率響應(yīng)法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。

7)1938年，美國(guó)數(shù)學(xué)家、電氣工程師Claude Elwood Shannon (1916—2001)提出了繼電器邏輯自動(dòng)化理論，1948年發(fā)表了著名的論文《通訊的數(shù)學(xué)原理》，奠定了信息論的基礎(chǔ)。

8)1942年，美國(guó)工程師John G. Ziegler (1909—1997)、Nathaniel B. Nichols (1914–1997)提出了著名的Ziegler–Nichols Method，是一種啟發(fā)式的PID參數(shù)最佳調(diào)整法，迄今為止依然是工業(yè)界調(diào)整PID參數(shù)的主流方法。

9)1942年，控制論奠基人、美國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)家Norbert Wiener(1894—1964)提出了Wiener濾波理論。1947年，Wiener教授完成了劃時(shí)代的著作《控制論》(Cybernetics)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。該書(shū)給出了控制論的定義：Feedback is a method of controlling a system by ing into it the result of its past performance。簡(jiǎn)單地說(shuō)：控制論就是研究動(dòng)物(包括人類(lèi))、自動(dòng)機(jī)器和有機(jī)體的控制和通訊的理論。

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10)1944年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家John von Neumann (1903—1957)創(chuàng)立了博弈論，并于1946年發(fā)明了世界首臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)。他是20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論、核武器和生化武器等諸多領(lǐng)域內(nèi)均有杰出建樹(shù)，是最偉大的科學(xué)全才之一，被后人稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父”。

11)1948年，美國(guó)科學(xué)家Walter Rid Evans (1920—1999)創(chuàng)立了根軌跡分析方法Root Locus Method，為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)中。建立在Nyquist頻率響應(yīng)法和Evans根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱(chēng)為經(jīng)典控制理論，為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的有效工具。

12)我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森院士將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并于1954年出版了著名的《工程控制論》。

13)隨后，多本經(jīng)典控制理論名著相繼出版，包括Smith的Automatic Control Engineering，Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier，MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms以及錢(qián)學(xué)森的《工程控制論》。

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3、現(xiàn)代控制

20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是空間技術(shù)的發(fā)展，迫切要求解決更復(fù)雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題(例如火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過(guò)程中的高精度、低消耗控制，到達(dá)目標(biāo)的控制時(shí)間最小等)。實(shí)踐的需求推動(dòng)了控制理論的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也從計(jì)算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件。適合描述航天器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又便于計(jì)算機(jī)求解的狀態(tài)空間模型成為主要的模型形式。因此，60年代產(chǎn)生的現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)變量概念為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)來(lái)分析、綜合復(fù)雜控制系統(tǒng)的新理論，適用于多輸入、多輸出、時(shí)變的、非線性系統(tǒng)。

1)1956年，著名的蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家Lev Semyonovich Pontryagin (1908—1988)發(fā)表了“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，并于1961年證明并發(fā)表了著名的極大值原理。極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問(wèn)題提供了理論工具。

2)1957年，著名的美國(guó)數(shù)學(xué)家Rid Ernest Bellman (1920—1984)在蘭德公司RAND Cooperation數(shù)學(xué)部的支持下，提出了離散多階段決策的最優(yōu)性原理，創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，發(fā)表了著名的Dynamic Programming，建立了最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ)。1979年，Bellman獲得了IEEE榮譽(yù)勛章(IEEE Medal of Honor)，獲獎(jiǎng)理由為：for contributions to decision processes and control system theory, particularly the creation and application of dynamic programming。

3)1957年，國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(International Federation of Automatic Control，IFAC)正式成立，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于1960年在莫斯科召開(kāi)。我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森院士為IFAC第一屆執(zhí)行委員會(huì)(Executive Council)委員。

4)1957年，蘇聯(lián)在拜科努爾航天基地成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik。該事件標(biāo)志著人類(lèi)航天時(shí)代的來(lái)臨，也直接導(dǎo)致了美國(guó)、蘇聯(lián)的航天技術(shù)競(jìng)賽。

5)1954年，美國(guó)發(fā)明家George Charles Devol, Jr. (1912—2011)研制出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī);兩年后，被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人之父的美國(guó)物理學(xué)家Joseph Frederick Engelberger (1925—2015)創(chuàng)立了全球第一家機(jī)器人公司Unimation。

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6)1958年，美籍伊拉克控制理論學(xué)家Eliahu Ibraham Jury發(fā)表了著名的論文“Sampled-Data Control System”，1964年提出了Z變換方法，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)。

7)1960年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家Rudolf (Rudi) Emil Kálmán (1930—2016)發(fā)表了“On the General Theory of Control Systems”等標(biāo)志性論文，引入了狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測(cè)性、最佳調(diào)節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。2009年，美國(guó)總統(tǒng)Barack Obama向Kálmán頒發(fā)了國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

8)1961年，蘇聯(lián)東方1號(hào)飛船載著世界上第一名航天員Gagarin (1934—1968)進(jìn)入了人造地球衛(wèi)星軌道，開(kāi)啟了人類(lèi)宇航時(shí)代。

9)1963年，美國(guó)著名數(shù)學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校教授Lotfi Aliasker Zadeh與Charles A. Desoer合作發(fā)表了著名的論文“Linear System Theory: The State Space Approach”。1965年，Zadeh教授提出了模糊集合的概念，建立了模糊控制理論。

10)1966年，蘇聯(lián)成功發(fā)射了“月球9號(hào)”探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器首次在月球表面成功軟著陸;1969年，“阿波羅11號(hào)”成功地把美國(guó)宇航員Neil Alden Armstrong (1930—2012)送上了月球，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次登陸月球，邁出了“人類(lèi)的一大步”。

11)1967年，瑞典隆德大學(xué)教授Karl Johan Astrom提出了最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題和定階方法，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立了自適應(yīng)控制的理論基礎(chǔ)，在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了杰出貢獻(xiàn)。Astrom于1993年獲得了IEEE榮譽(yù)勛章。獲獎(jiǎng)理由：For fundamental contributions to theory and applications of adaptive control technology。

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12)20世紀(jì)60年代，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授Howard Harry Rosenbrock (1920—2010)和謝菲爾德大學(xué)教授David H. Owens研究了應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)。1970年，Rosenbrock教授發(fā)表了經(jīng)典著作《State Space and Multivariable Theory》。1982年，他獲得了首屆IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For contributions to multivariable control theory and design methods。

13)1969年，現(xiàn)代最優(yōu)控制理論之父、斯坦福大學(xué)教授Arthur Earl Bryson, Jr.與美籍華裔科學(xué)家、哈佛大學(xué)教授何毓琦(Yu-Chi;Ho)合作發(fā)表了經(jīng)典著作《Applied optimal control: optimization, estimation and control》。1984年，他獲得了第2屆IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For pioneering contributions to optimal control and estimation and their applications。

14)1971年，美國(guó)國(guó)防部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成。

15)1974年，多倫多大學(xué)教授Walter Murray Wonham發(fā)表了經(jīng)典著作《Linear Multivariable Control: A Geometric Approach》，并于1987年獲得了IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For pioneering contributions to the theory of stochastic systems, linear multivariable control, and discrete event systems。

16)1976年，美國(guó)控制理論學(xué)家、哈佛大學(xué)教授Roger Ware Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)。并于1991年獲得了IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For pioneering and innovative contributions to nonlinear control, stability, robotics and control engineering education。

17)1976年，日本Fanuc公司研制出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元。

18)1981年，加拿大麥吉爾大學(xué)教授George Zames (1934—1997)提出了H-infinity Methods，開(kāi)辟了魯棒控制理論。1985年，他獲得了第3屆IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For contributions to feedback stability theory and linear multivariable control system design。

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19)1981年，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功。

20)1983年，美籍華裔科學(xué)家、哈佛大學(xué)教授何毓琦與其學(xué)生曹希仁教授共同提出了離散事件系統(tǒng)理論，并于1991年共同發(fā)表了專(zhuān)著《Discrete Event Dynamic Systems and Perturbation Analysis》。何毓琦教授于1989年獲得IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For contributions to differential games, multi-person decision making, and discrete event dynamic systems。

21)1985年，意大利羅馬大學(xué)教授Alberto Isidori出版了專(zhuān)著《Nonlinear Control Systems》。于2012年獲得了IEEE Control Systems Award，獲獎(jiǎng)理由：For pioneering contributions to nonlinear control theory。22)1986年，中國(guó)批準(zhǔn)了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題。

23)1996年，第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面成功軟著陸。

24)美國(guó)宇航局研制的旅行者Voyager 1號(hào)、2號(hào)開(kāi)始走出太陽(yáng)系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索。

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25)2001年，日本安川公司研制成功的機(jī)械狗

26)2002年，日本SONY公司開(kāi)發(fā)出了二足步行機(jī)械人SDR-4X。

27)2003年，中國(guó)神舟5號(hào)宇宙飛船成功發(fā)射，將楊利偉少將送入了太空，中國(guó)首次載人航天圓滿(mǎn)成功。標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)成為世界上獨(dú)立自主地完整掌握載人航天技術(shù)的國(guó)家之一。

現(xiàn)代控制理論主要利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段，適用于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)。它在本質(zhì)上是一種“時(shí)域法”，但并不是對(duì)經(jīng)典頻域法的從頻率域回到時(shí)間域的簡(jiǎn)單再回歸，而是立足于新的分析方法，有新目標(biāo)的新理論。

現(xiàn)代控制理論研究?jī)?nèi)容非常廣泛，主要包括三個(gè)基本內(nèi)容：多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計(jì)與系統(tǒng)辨識(shí)理論。從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀測(cè)性、穩(wěn)定性以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

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原標(biāo)題:自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展史