1 介绍 文章将控制工程的发展分为古代控制、近代控制和现代控制三个部分，以第一个反馈控制装置——库太西比奥思水钟为开端，主要按照时间顺序，用一些较为著名和典型的事例来描述控制工程技术的发展史。 在古代控制中，中国、古埃及、巴比伦等国家在控制工程领域的发明创造显得十分突出，如库太西比奥斯水钟，李冰主持修筑的都江堰水利工程以及张衡地动仪等；18世纪60年代初的工业革命时代，英国发明家詹姆斯·瓦特在1788年发明的用于控制蒸汽机转速的飞球调速器是欧洲现代十分重要的反馈控制装置之一。 在近代控制中，为解决控制中系统所存在的不稳定性及不准确性，一些经典的控制理论被提出。英国物理学家麦克斯韦于1868年所发表了论文《On Governors》，他通过建立并分析调速系统的线性常微分方程，描述了瓦特蒸汽调速器中所呈现出的剧烈振动的不稳定性难题，提出了二阶、三阶稳定代数判据，开拓了通过数学方法来探究控制系统的方法；后来，劳斯把麦克斯韦的想法拓展到n阶微分方程所描述的更繁琐的系统中，提出了直接依据代数方程的系数来判断系统稳定性的稳定性判据——劳斯判据。 到了20世纪初期，随着电的发明和电子产品的应用，美国人发明了反馈放大器。为了进一步修正反馈放大器的不稳定性，1927年，美国贝尔实验室的工程师布莱克经过多年的工作发明了负反馈放大器，这是负反馈概念首次被提出。一些用于分析稳定性的图解技术应运而生，例如，荷兰裔科学家波德于1940年提出了系统频域响应的一种图示法——波德图；1948年，沃尔特斯·埃文斯发现了另一种处理稳定分析的几何方法——根轨迹法。PID控制法于俄裔美国科学家诺斯基在1922年首次提出，之后由美国工程师齐格勒和尼古拉斯进一步研究和拓展，于1942年提出了一个启迪式的PID参数最佳调整法，直到现在仍然是工业界调整PID参数的主要方式。 20世纪50年代末到60年代初，控制工程技术进入到现代控制的阶段。由于技术发展的需要和科技的成熟，控制理论又进入了一个迅猛发展时期，控制工程也成为了一门独立的学科。这期间，许多著名的书籍被出版，例如诺伯特·维纳在1948年出版了里程碑名著《控制论》，象征了控制论学科的成立。同一时期，世界上也出现了许多惊人的科技成就，比如世界第一颗人造地球卫星的发射、“月球”9号探测器首次在月球表面软着陆成功等。在这一时期，愈加成熟的控制工程技术在农业机械上的应用效果也十分显著：其降低了生产成本、人力劳动，提高了机械设备的作业效率。 2 古代控制 控制工程的起源可从公元前约1400年说起，在古埃及出现的可自动定时的漏壶设备，如图1所示，这种时钟的一个很明显的缺点是会浪费大量的水，因此也在古希腊被称作为“水的小偷”。为了解决这一问题，在约公元前300年，古希腊人库太西比奥思发明了一种带有浮阀的水钟，如图2所示。在当代控制工程的术语中，漏壶是一个开环系统；据记载，库太西比奥思所发明的水钟则是第一个人类发明的反馈控制装置，并且在同一时期，库太西比奥思水钟与菲隆的油灯和赫伦的重量调节器被认为是最早的控制系统。 图1 古埃及的漏壶 图2 库太西比奥思水钟 中国战国时期的李冰父子于公元前256年主持修筑的都江堰水利工程是一个防洪、灌溉、航运综合水利工程，如图3所示，它将岷江一部分作为灌溉渠用水，旱则引水浇灌，雨则堵塞水阀。都江堰的工程设计有着良好的科学性和独创性，是自动控制原理的典型实践。东汉科学家张衡在132年发明了最原始的地动仪，称为候风地动仪，它能自动测知震中的大致方位。 图3 都江堰水利工程与李冰父子 3 近代控制 17世纪的物理学家德雷贝尔以各种手段提炼金子的时候，于1620年发明的恒温器是一个影响世界的反馈系统的范例。该装置应用了液体受热膨胀的原理，利用水银推动一根制动杆进而控制炉子风口的大小，从而反馈调节火量和温度。到了工业革命阶段，英国发明家瓦特于1788年发明的飞球调速器能用来调节蒸汽机的速度，如图4所示。蒸汽量根据期望速度和实际速度的偏差作出调整。在该控制系统中，当实际速度由于驱动力或者阻力的影响而超过期望值时，飞球调速器的离心力将会增大，近而造成蒸汽阀孔的缩小而减少蒸汽量，因而速度也将降低。如果速度低于期望值，离心力的减少会让蒸汽阀门敞开得更大而增大蒸汽量，直到速度增长达到期望值为止。 图4 瓦特发明的飞球调速器 在工业革命时期，据报道有75,000台控制器在这一时期被使用，然而控制系统由于振动和晃动所产生的不稳定性和不准确性让人们面临着难题。最早用数学方法研究控制器不稳定性的是在1840年，剑桥大学的乔治·比德尔·艾里教授试图用运动微分方程来理解控制器的不稳定性，但由于他不能解决非线性方程而失败了。 英国物理学家麦克斯韦出于想解决控制器稳定性的愿望而着手于研究控制器，并且于1868年发表论文《On Governors》，他通过建立并分析调速系统的线性常微分方程，线性化非线性问题，成功解决了瓦特蒸汽机调速器所呈现出的剧烈振动的不稳定性难题，总结了一个重要的在稳定性前提下的三阶线性方程： 然而麦克斯韦在论文中既没有证明也没有解释他的结果，只给出了一个结论“其中的一个根一定是一个负实数”，并且该论文没有配任何注释图，因此由于太难以理解而在当时没有被人们所重视；直到80年后，美国科学家诺伯特·维纳注意到这篇论文时人们才发现它的重要性，麦克斯韦也因此被称作“控制理论之父”，麦克斯韦的这一研究开辟了用数学方法研究控制系统的途径。 1876年，劳斯对麦克斯韦的思想进行了研究并将其扩展到了n阶线性微分方程中，提出并依据柯西-利普希茨定理证明了直接通过代数方程的系数来判断系统稳定性的著名稳定性判据——劳斯判据，即： 式中：所有的参数ia必须为正；所有在劳斯数列的第一列的元素必须为正。 20世纪初期，随着电的产生和电子产品的应用，美国人发明了电话和电子反馈放大器，然而它的产生又一次地带来了新的系统稳定性问题——放大器不可避免地是非线性的。因此，每一次信号在电信网络中被放大，在电路中可能发生几十次，会增加噪声和失真。1927年，美国贝尔实验室的工程师布莱克经过多年的工作发明了负反馈放大器，它使用负反馈来减少高增益，使其成为低增益、低噪声和失真的线性放大器。负反馈放大器允许贝尔系统降低线路过分拥挤，通过载波电话延长其远距离网络。这也是人们初次提出了负反馈控制这一关键思想。同时，为了进一步解决反馈控制系统的稳定性问题，一些用于分析稳定性的图解技术应运而生。例如，瑞典科学家奈奎斯特提出了在频域内探究系统特征的频率响应法（1932年），创设了以频率特性为根本的稳定性判据；荷兰裔科学家波德于1940年提出了系统频域响应的一种图示法——波德图，通过波德图能够发现在不同的频率下，系统增益及相位，也能观察到增益的大小及相位随频率而变化的趋向，还可以对系统稳定性进行判据；1948年，沃尔特斯·埃文斯发现了另一种处理稳定分析的几何途径——根轨迹法，依据系统的根轨迹可以解析结构和参数已给定的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可理解参数变化对系统机能的作用效果；麻省理工学院清晰地定义了传递函数、块状图以及伺服机构的概念并成功将其应用于系统的稳定分析之中，这一图像表示方法让反馈控制系统之中各个动态状态之间错综复杂地关系以一个更加清晰、简单地形式让人理解。 俄裔美国科学家诺斯基在1922研发出了应用在美军的船舶驾驶中的伺服结构，第一次提出了经典PID控制方式，进一步研究和解决了扰动角运动的问题。PID控制方法由美国工程师齐格勒和尼古拉斯进一步研究和拓展，于1942年提出了Ziegler-Nichlos定理，其作为一种开导式的PID参数最优调整法，到了现代依旧是工业界调整PID参数的主要方式。 4 现代控制 20世纪50年代末至60年代初，反馈控制被普及应用在飞机的自动驾驶仪、火炮的定向系统等等，这类系统的繁杂性和对迅速跟踪、准确控制的高性能需要以及电子计算机性能的成熟进一步推进了控制理论和实践的蓬勃发展，产生了现代控制理论；在这以后，控制工程也形成了一门自立性的科目。 在这一时期，控制论的创始人诺伯特·维纳提出了“控制论”提出了维纳滤波理论，并在1948年完成了划时代著作《控制论》，标志着控制论学科的诞生。该书给出了控制论的定义，即控制论是控制论是研究动物（包含人）、自动机械和有机物的控制和通讯的理论。1951年，美国数学家贝尔曼研究了一种多阶段决定问题的特点，提出了解答这种问题的基本原理，并于1957年出版《动态规划》一书。动态规划中“分而求之，逐级调整”的思想，在一些比较难以解决的复杂难题中已经呈现出卓异性。经过半个多世纪的发展，动态规划解决问题的方法已经广泛应用于经济、管理、军事、生物工程等诸多领域，并取得了良好效果。1960年，美籍匈牙利人卡尔曼《控制系统的一般理论》等文章，引进了状态空间法解析系统，提出卡尔曼滤波等观点，从而奠基了现代控制理论的根基。以上这些科学家对现代控制理论作出了杰出贡献。 同时，在现代控制理论的促进下，各地涌现了多个超凡的科技成果：1957年，苏联成功发射了洲际导弹火箭和世界首颗人造地球卫星；1958年，美国H.P.惠特克等人开发出第一个模型参考自适应控制系统；1962年，苏联所发射的两艘“东方”号飞船首次在太空完成编队飞行；1969年，中国中远程战略导弹发射成功。 如今，控制技术在农业机械上的应用效果显著而突出。控制技术所实现的实时控制可保证农业机械装置的实时安全防护；控制系统的可靠性高，其各模块所采用的屏蔽措施可消除恶劣工作环境下的外界干扰；高效的、高性能的传感器和处理系统能在部件出问题时第一时间实施自我故障诊断，使得技术人员能更轻易地进行故障检测；在经济上，因为控制技术大大提高了农业机械的应用范围、提高了作业效率、减少了人力劳动，所以也使售后成本降低。 5 结束语 控制工程技术经过千百年的发展，它的系统朝着愈加稳定、准确地方向发展着，研究其稳定性的各种数学方法也层出不穷。从最早期的库太西比奥思水钟开始，到进入工业革命时瓦特发明的蒸汽机调速器装置，及其所引发的科学家们对反馈控制系统稳定性问题的思索，提出了各种数学、几何方法来让系统达到一个最理想的、最优的工作状态。控制论的产生及完善，让工业控制技术这门学科达到了一个更成熟的层次。步入21世纪后，因为新科目和交叉科目的兴盛，新世纪的控制理论与工程又开始面对新的机会与疑问。如今的现代控制理论被广泛应用于空间技术、飞行控制系统设计、军事、工业生产、生物医学、环境生态等众多领域，极大地促进生产和科技的发展，而新技术的发展和社会发展需求又再不断地推动控制理论的发展，将控制工程技术推向一个更高的台阶。 1 介绍 文章将控制工程的发展分为古代控制、近代控制和现代控制三个部分，以第一个反馈控制装置——库太西比奥思水钟为开端，主要按照时间顺序，用一些较为著名和典型的事例来描述控制工程技术的发展史。 在古代控制中，中国、古埃及、巴比伦等国家在控制工程领域的发明创造显得十分突出，如库太西比奥斯水钟，李冰主持修筑的都江堰水利工程以及张衡地动仪等；18世纪60年代初的工业革命时代，英国发明家詹姆斯·瓦特在1788年发明的用于控制蒸汽机转速的飞球调速器是欧洲现代十分重要的反馈控制装置之一。 在近代控制中，为解决控制中系统所存在的不稳定性及不准确性，一些经典的控制理论被提出。英国物理学家麦克斯韦于1868年所发表了论文《On Governors》，他通过建立并分析调速系统的线性常微分方程，描述了瓦特蒸汽调速器中所呈现出的剧烈振动的不稳定性难题，提出了二阶、三阶稳定代数判据，开拓了通过数学方法来探究控制系统的方法；后来，劳斯把麦克斯韦的想法拓展到n阶微分方程所描述的更繁琐的系统中，提出了直接依据代数方程的系数来判断系统稳定性的稳定性判据——劳斯判据。 到了20世纪初期，随着电的发明和电子产品的应用，美国人发明了反馈放大器。为了进一步修正反馈放大器的不稳定性，1927年，美国贝尔实验室的工程师布莱克经过多年的工作发明了负反馈放大器，这是负反馈概念首次被提出。一些用于分析稳定性的图解技术应运而生，例如，荷兰裔科学家波德于1940年提出了系统频域响应的一种图示法——波德图；1948年，沃尔特斯·埃文斯发现了另一种处理稳定分析的几何方法——根轨迹法。PID控制法于俄裔美国科学家诺斯基在1922年首次提出，之后由美国工程师齐格勒和尼古拉斯进一步研究和拓展，于1942年提出了一个启迪式的PID参数最佳调整法，直到现在仍然是工业界调整PID参数的主要方式。 20世纪50年代末到60年代初，控制工程技术进入到现代控制的阶段。由于技术发展的需要和科技的成熟，控制理论又进入了一个迅猛发展时期，控制工程也成为了一门独立的学科。这期间，许多著名的书籍被出版，例如诺伯特·维纳在1948年出版了里程碑名著《控制论》，象征了控制论学科的成立。同一时期，世界上也出现了许多惊人的科技成就，比如世界第一颗人造地球卫星的发射、“月球”9号探测器首次在月球表面软着陆成功等。在这一时期，愈加成熟的控制工程技术在农业机械上的应用效果也十分显著：其降低了生产成本、人力劳动，提高了机械设备的作业效率。 2 古代控制 控制工程的起源可从公元前约1400年说起，在古埃及出现的可自动定时的漏壶设备，如图1所示，这种时钟的一个很明显的缺点是会浪费大量的水，因此也在古希腊被称作为“水的小偷”。为了解决这一问题，在约公元前300年，古希腊人库太西比奥思发明了一种带有浮阀的水钟，如图2所示。在当代控制工程的术语中，漏壶是一个开环系统；据记载，库太西比奥思所发明的水钟则是第一个人类发明的反馈控制装置，并且在同一时期，库太西比奥思水钟与菲隆的油灯和赫伦的重量调节器被认为是最早的控制系统。 图1 古埃及的漏壶 图2 库太西比奥思水钟 中国战国时期的李冰父子于公元前256年主持修筑的都江堰水利工程是一个防洪、灌溉、航运综合水利工程，如图3所示，它将岷江一部分作为灌溉渠用水，旱则引水浇灌，雨则堵塞水阀。都江堰的工程设计有着良好的科学性和独创性，是自动控制原理的典型实践。东汉科学家张衡在132年发明了最原始的地动仪，称为候风地动仪，它能自动测知震中的大致方位。 图3 都江堰水利工程与李冰父子 3 近代控制 17世纪的物理学家德雷贝尔以各种手段提炼金子的时候，于1620年发明的恒温器是一个影响世界的反馈系统的范例。该装置应用了液体受热膨胀的原理，利用水银推动一根制动杆进而控制炉子风口的大小，从而反馈调节火量和温度。到了工业革命阶段，英国发明家瓦特于1788年发明的飞球调速器能用来调节蒸汽机的速度，如图4所示。蒸汽量根据期望速度和实际速度的偏差作出调整。在该控制系统中，当实际速度由于驱动力或者阻力的影响而超过期望值时，飞球调速器的离心力将会增大，近而造成蒸汽阀孔的缩小而减少蒸汽量，因而速度也将降低。如果速度低于期望值，离心力的减少会让蒸汽阀门敞开得更大而增大蒸汽量，直到速度增长达到期望值为止。 图4 瓦特发明的飞球调速器 在工业革命时期，据报道有75,000台控制器在这一时期被使用，然而控制系统由于振动和晃动所产生的不稳定性和不准确性让人们面临着难题。最早用数学方法研究控制器不稳定性的是在1840年，剑桥大学的乔治·比德尔·艾里教授试图用运动微分方程来理解控制器的不稳定性，但由于他不能解决非线性方程而失败了。 英国物理学家麦克斯韦出于想解决控制器稳定性的愿望而着手于研究控制器，并且于1868年发表论文《On Governors》，他通过建立并分析调速系统的线性常微分方程，线性化非线性问题，成功解决了瓦特蒸汽机调速器所呈现出的剧烈振动的不稳定性难题，总结了一个重要的在稳定性前提下的三阶线性方程： 然而麦克斯韦在论文中既没有证明也没有解释他的结果，只给出了一个结论“其中的一个根一定是一个负实数”，并且该论文没有配任何注释图，因此由于太难以理解而在当时没有被人们所重视；直到80年后，美国科学家诺伯特·维纳注意到这篇论文时人们才发现它的重要性，麦克斯韦也因此被称作“控制理论之父”，麦克斯韦的这一研究开辟了用数学方法研究控制系统的途径。 1876年，劳斯对麦克斯韦的思想进行了研究并将其扩展到了n阶线性微分方程中，提出并依据柯西-利普希茨定理证明了直接通过代数方程的系数来判断系统稳定性的著名稳定性判据——劳斯判据，即： 式中：所有的参数ia必须为正；所有在劳斯数列的第一列的元素必须为正。 20世纪初期，随着电的产生和电子产品的应用，美国人发明了电话和电子反馈放大器，然而它的产生又一次地带来了新的系统稳定性问题——放大器不可避免地是非线性的。因此，每一次信号在电信网络中被放大，在电路中可能发生几十次，会增加噪声和失真。1927年，美国贝尔实验室的工程师布莱克经过多年的工作发明了负反馈放大器，它使用负反馈来减少高增益，使其成为低增益、低噪声和失真的线性放大器。负反馈放大器允许贝尔系统降低线路过分拥挤，通过载波电话延长其远距离网络。这也是人们初次提出了负反馈控制这一关键思想。同时，为了进一步解决反馈控制系统的稳定性问题，一些用于分析稳定性的图解技术应运而生。例如，瑞典科学家奈奎斯特提出了在频域内探究系统特征的频率响应法（1932年），创设了以频率特性为根本的稳定性判据；荷兰裔科学家波德于1940年提出了系统频域响应的一种图示法——波德图，通过波德图能够发现在不同的频率下，系统增益及相位，也能观察到增益的大小及相位随频率而变化的趋向，还可以对系统稳定性进行判据；1948年，沃尔特斯·埃文斯发现了另一种处理稳定分析的几何途径——根轨迹法，依据系统的根轨迹可以解析结构和参数已给定的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可理解参数变化对系统机能的作用效果；麻省理工学院清晰地定义了传递函数、块状图以及伺服机构的概念并成功将其应用于系统的稳定分析之中，这一图像表示方法让反馈控制系统之中各个动态状态之间错综复杂地关系以一个更加清晰、简单地形式让人理解。 俄裔美国科学家诺斯基在1922研发出了应用在美军的船舶驾驶中的伺服结构，第一次提出了经典PID控制方式，进一步研究和解决了扰动角运动的问题。PID控制方法由美国工程师齐格勒和尼古拉斯进一步研究和拓展，于1942年提出了Ziegler-Nichlos定理，其作为一种开导式的PID参数最优调整法，到了现代依旧是工业界调整PID参数的主要方式。 4 现代控制 20世纪50年代末至60年代初，反馈控制被普及应用在飞机的自动驾驶仪、火炮的定向系统等等，这类系统的繁杂性和对迅速跟踪、准确控制的高性能需要以及电子计算机性能的成熟进一步推进了控制理论和实践的蓬勃发展，产生了现代控制理论；在这以后，控制工程也形成了一门自立性的科目。 在这一时期，控制论的创始人诺伯特·维纳提出了“控制论”提出了维纳滤波理论，并在1948年完成了划时代著作《控制论》，标志着控制论学科的诞生。该书给出了控制论的定义，即控制论是控制论是研究动物（包含人）、自动机械和有机物的控制和通讯的理论。1951年，美国数学家贝尔曼研究了一种多阶段决定问题的特点，提出了解答这种问题的基本原理，并于1957年出版《动态规划》一书。动态规划中“分而求之，逐级调整”的思想，在一些比较难以解决的复杂难题中已经呈现出卓异性。经过半个多世纪的发展，动态规划解决问题的方法已经广泛应用于经济、管理、军事、生物工程等诸多领域，并取得了良好效果。1960年，美籍匈牙利人卡尔曼《控制系统的一般理论》等文章，引进了状态空间法解析系统，提出卡尔曼滤波等观点，从而奠基了现代控制理论的根基。以上这些科学家对现代控制理论作出了杰出贡献。 同时，在现代控制理论的促进下，各地涌现了多个超凡的科技成果：1957年，苏联成功发射了洲际导弹火箭和世界首颗人造地球卫星；1958年，美国H.P.惠特克等人开发出第一个模型参考自适应控制系统；1962年，苏联所发射的两艘“东方”号飞船首次在太空完成编队飞行；1969年，中国中远程战略导弹发射成功。 如今，控制技术在农业机械上的应用效果显著而突出。控制技术所实现的实时控制可保证农业机械装置的实时安全防护；控制系统的可靠性高，其各模块所采用的屏蔽措施可消除恶劣工作环境下的外界干扰；高效的、高性能的传感器和处理系统能在部件出问题时第一时间实施自我故障诊断，使得技术人员能更轻易地进行故障检测；在经济上，因为控制技术大大提高了农业机械的应用范围、提高了作业效率、减少了人力劳动，所以也使售后成本降低。 5 结束语 控制工程技术经过千百年的发展，它的系统朝着愈加稳定、准确地方向发展着，研究其稳定性的各种数学方法也层出不穷。从最早期的库太西比奥思水钟开始，到进入工业革命时瓦特发明的蒸汽机调速器装置，及其所引发的科学家们对反馈控制系统稳定性问题的思索，提出了各种数学、几何方法来让系统达到一个最理想的、最优的工作状态。控制论的产生及完善，让工业控制技术这门学科达到了一个更成熟的层次。步入21世纪后，因为新科目和交叉科目的兴盛，新世纪的控制理论与工程又开始面对新的机会与疑问。如今的现代控制理论被广泛应用于空间技术、飞行控制系统设计、军事、工业生产、生物医学、环境生态等众多领域，极大地促进生产和科技的发展，而新技术的发展和社会发展需求又再不断地推动控制理论的发展，将控制工程技术推向一个更高的台阶。

文章来源：《控制工程》 网址: http://www.kzgczzs.cn/qikandaodu/2021/0310/607.html

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