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1、序：自动控制技术与人类进步 Automatic Control&Human Civilization前言I.前期控制(Early ControlEarly Control)(1400B.C.-1900)II.经典控制前期(The Pre-classical The Pre-classical PeriodPeriod)(1900-1935)III.经典控制(Classical ControlClassical Control)(1935-1950)IV.现代控制(Modern Control)Modern Control)(1950-)自动控制技术与人类进步Automatic Control&
2、Human Civilization前言 自动控制是人类在认识世界和发明创新的自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。关键技术。自动化也即现代化。经典控制理论经典控制理论-萌芽
3、阶段和起步阶段萌芽阶段和起步阶段n早在古代早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识的丰富经验和对反馈概念的直观认识,发明发明了许多闪烁自动控制智慧火花的杰作。了许多闪烁自动控制智慧火花的杰作。n如果要追朔自动控制技术的发展历史如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在早在两千年前中国就有了自动控制技术的两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽萌芽。I.I.前期控制前期控制(Early Control)(Early Control)(1400B.C.-1900)(1400B.C.-1900)(0)中国，埃及和巴比伦出现中国，埃及和巴比伦出现自动计
4、自动计时漏壶时漏壶(1400B.C.1100B.C.)。孙武孙武著孙子兵法著孙子兵法(600B.C.)(1)秦昭王时，秦昭王时，李冰李冰主持修筑主持修筑都江堰都江堰体现的系统观念和实践体现的系统观念和实践(300B.C.)西汉漏壶西汉漏壶(3)中国中国张衡张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风候风地动仪地动仪(132年年)(2)亚历山大的亚历山大的希罗希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装发明开闭庙门和分发圣水等自动装置置(100年年)(4)中国中国马钧马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的研制出用齿轮传动的自动指示方向的指指南车南车(235年年)(5)中国明代
5、中国明代宋应星宋应星所著天工所著天工开物记载有程序控制思想开物记载有程序控制思想(CNC)的的提花织机提花织机结构图结构图(1637年年)小知识：小知识：指南车指南车 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平子向左
6、转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界
7、上最早的自动化差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。设备。指南车是我国古代伟大的发明之指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车话说，中国古代的指南车“可以说是可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一人类历史上迈向控制论机器的第一步步”，是人类，是人类“第一架体内稳定机第一架体内稳定机”。(6)英国英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年年)小知识：小知识：瓦特瓦特James Watt
8、（17361819）到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3 3倍多，而且配套齐全、性能优良、倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。英国发明家、工程师。英国发明家、工程师。17361736年年1 1月月1919日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1515岁学
9、完岁学完了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。17531753年在一家钟表店学手艺，跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力年在一家钟表店学手艺，跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。实践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。17561756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。17651765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发
10、明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。机的发展中起了关键性的作用。17681768年制成了一台单动作蒸汽机年制成了一台单动作蒸汽机 。17811781年，发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。年，发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。17821782年发明了大动力的年发明了大动力的“双动作蒸汽机双动作蒸汽机”并获得专利。并获得专利。17841784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。17881788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。年他发明了离心式调速器和节
11、气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。17901790年发明了蒸汽机配套用压力计。年发明了蒸汽机配套用压力计。荷兰科学家荷兰科学家C.Hugens(1629-1695)利用反利用反馈控制原理发馈控制原理发明了高性能的明了高性能的钟摆与天文望钟摆与天文望远镜。远镜。(7)英国英国 G.B.Airy（1801-1892)系统的研究了天文望远镜的速系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学
12、系统。究反馈控制动力学系统。(8)J.C.Maxwell(1831-1879),法国科学家，于法国科学家，于1868年发年发表文章表文章“On Governors（论调节器）（论调节器）,成功解决了二阶成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞与瑞典的典的Hurwitz解决了解决了多阶系统的稳定性判断多阶系统的稳定性判断(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年年)。032213asasas03222133xadtdxadtxdadtxd(9)俄国俄国A.M.Lyapunov博士论文博士论文
13、“论运论运动稳定性的一般问题动稳定性的一般问题”(1892年年)(10)英国英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸设计出第一艘全自动蒸汽轮船汽轮船“东方东方”号号(Great Eastern)(1866年年)(11)由由徐寿徐寿设计的中国第一设计的中国第一艘蒸汽轮船艘蒸汽轮船“黄鹄黄鹄”号号(L20m,25T,10km/hr)在安在安庆内军械所下水庆内军械所下水(1866)。次。次年，中国第一艘木质明轮年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船蒸汽舰船“恬古恬古”号在江号在江南造船厂下水。南造船厂下水。操江号(62mx10m),392匹马力，600T排水，备炮9门II.II.经典控制前期经典控制前期(T
14、he Pre-classical Period)(The Pre-classical Period)(1900-1935)(1900-1935)(1)美国福特美国福特(Ford Motor)汽汽车公司建成车公司建成最早的汽车装配流最早的汽车装配流水线水线(1913)(0)Wright Brothers 于于1903年年12月月17完成了人类历史上完成了人类历史上首首次动力飞行次动力飞行，开创了航空业的新篇章。，开创了航空业的新篇章。(2)E.Sperry(1860-1930),创立创立Sperry公司。由他们设计和制造的公司。由他们设计和制造的和各种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼
15、雷、火和各种控制装置被广泛的应用到二战时期的美军军舰、鱼雷、火炮、雷达和飞机上。炮、雷达和飞机上。L.Sperry(1892-1923),在在1914年的巴黎航展中，年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺仪全自动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做成功地演示了陀螺仪全自动机身平衡与稳定，为航空业的快速发展做出了重要的贡献。出了重要的贡献。(3)美国美国N.Minorsky研制出用研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提于船舶驾驶的伺服结构，提出出PID控制方法控制方法(1922)，并成，并成功应用于美国军舰控制。功应用于美国军舰控制。(4)美国美国MIT的的V.Bush研制成第一台大型模拟计算机研制成第一台
16、大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)美国现代工程之父，美国现代工程之父，1964年获美国总统科学奖（年获美国总统科学奖（National Medal of Science）。）。(5)美国美国H.S.Black发明了电子放大器发明了电子放大器负反馈方法负反馈方法(Negative Feedback Amplifier),为现代通讯技术奠定了基础。为现代通讯技术奠定了基础。(1927)1957年获年获IEEE Medal。“毫不夸张地说，没有毫不夸张地说，没有Black的的发明，就没有今天的长距离电话和电视网络发明，就没有今天的长距离电话和电视网络”H.S.Black（AT&T）贝尔实验室研究员(6)美国美国E.Sperry以及以及C.Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器，气压反馈控制器(1929)火炮随动控制火炮随动控制III.III.经典控制经典控制(Classical Control)(Classical Control)(1935-1950)(1935-1950)(1)美国贝尔实验室的美国贝尔实验室的H.Bod
