自动控制理论发展历史

自动控制理论发展史
自动控制理论的发展可以追溯到17世纪，那时法国的理论家和发明家巴斯德(Basil)首次提出了“称量”的概念，这有助于他设计出一种物体重量可以自动调整的测量仪器，他认为，可以在重力的作用下自动控制物体重量的概念。

18世纪初，英国的工程师威廉·劳伦斯（William Lawrence）将该理论应用于蒸汽机的负荷控制，他成功地设计出了一种蒸汽机燃料调节系统，可以根据蒸汽机转速变化自动调节燃料的流量，从而控制蒸汽的压力。

20世纪初，美国科学家威廉·马斯特森（William M. Mason）在理论和实践上发展了自动控制理论，以及它在一些领域的应用，他设计出了第一台自动飞行机器人，以自动调节飞机的高度、速度和航向，由此，自动控制技术被广泛应用于航空领域。

20世纪20年代，美国的科学家弗兰克·迪杰斯特拉普（Frank D.J.Stump）提出了“反馈控制”理论，他完成了大量的实验研究，确定了反馈控制系统的概念和原理。

20世纪30年代，埃利·施蒂利克（Erle S.Steele）开展了反馈控制系统的模拟实验。

自动控制理论发展1. 引言自动控制理论是现代工程学的重要分支之一，它涉及到机械、电子、计算机等多个学科的交叉和融合。

自动控制理论的发展可以追溯到19世纪末，随着科学技术的不断进步和应用领域的拓展，自动控制理论也得到了快速发展。

本文将从自动控制理论的起源，主要发展阶段以及当今的前沿研究领域等方面进行阐述。

2. 起源和发展自动控制理论的起源可追溯到19世纪末的工业革命时期。

当时，由于工业化的快速发展和机械化的需求，人们开始思考如何利用机械设备进行精确的控制。

这促使了自动控制理论的初步形成。

早期的自动控制系统主要基于机械装置，如自动调节阀、机械计算机等。

到了20世纪初，电气技术和电子技术的发展为自动控制理论的进一步发展提供了有力支持。

电气控制系统的出现和使用使得自动控制的范围得到了拓展，如电焊机、电力系统、电梯等。

同时，数学理论和控制理论的发展也为自动控制提供了重要的理论基础。

随着计算机技术的快速发展，自动控制理论进入了一个全新的阶段。

现代的自动控制系统主要基于数字计算机进行控制和计算，大大提高了控制系统的精确性和效率。

同时，人工智能和模糊控制等新兴技术的引入也为自动控制理论的应用带来了更多的可能性。

3. 主要发展阶段3.1 经典控制理论经典控制理论是自动控制理论的最早阶段，主要包括PID控制和频域分析等方法。

PID控制器是最简单且常见的控制器之一，它通过调节比例、积分和微分三个部分的参数来实现控制。

频域分析则是从频率的角度对控制系统进行分析和设计。

3.2 现代控制理论现代控制理论是在20世纪50年代至60年代逐渐发展起来的，它以状态空间方法为基础。

状态空间方法通过将系统的动态描述为一组状态方程，从而实现对系统的精确建模和分析。

这一阶段的代表性成果包括线性系统理论、最优控制理论等。

3.3 非线性控制理论非线性控制理论是自动控制理论的重要发展方向之一。

相比于线性系统，非线性系统的动态行为更加复杂，需要采用不同的建模和控制方法。

控制理论的分析自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为以微分方程、传递函数为基础的经典控制理论和以状态空间为基础的现代控制理论。

同时，随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的智能时代。

控制理论早在公元前就有体现，在1400BC-1100BC，中国、埃及和巴比伦就出现自动计时漏壶，而在100年，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等等。

而控制理论作为一门科学，它的产生可以追溯到18世纪中叶的第一次技术革命。

1788年瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机；后来，在1922年美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出PID控制方法，这是经典控制理论时期；1954年，美国George Devol研制出第一台工业机器人样机，这是现代控制理论时期。

现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。

在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。

现代控制理论能处理很多系统，线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统，所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。

所谓的自动控制，就是指应用自动化仪表或自动控制装置代替或者部分代替人的直接参与，自动地使运行设备或工业生产过程达到预期的状态或性能指标的一切技术手段，由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体。

自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。

它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。

自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用，广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域，尤其在一些恶劣环境下，比如高温高压有毒等的生产过程中，自动控制显得尤为重要。

自动控制理论发展概况前控制是自动控制理论的起源阶段，主要在19世纪末至20世纪初发展起来。

当时主要研究控制系统的开-闭锁问题，即如何实现不同位置之间的切换控制。

此时的控制系统主要采用开放系统结构，输入信号与输出信号之间没有反馈环路。

该阶段的主要理论包括勒贝格同位、双位同位和电气继电器方法。

随着现代化生产的需要，自动控制理论的研究逐渐转向反馈控制。

反馈控制是通过不断感知系统输出信号，与给定的目标输出信号之间的差异来调整输入信号。

这种控制方式可以使系统对外部扰动和参数变化具有较好的鲁棒性。

控制技术的快速发展促使了反馈控制的普及和应用。

20世纪30年代，现代自动控制理论框架初步建立，产生了控制系统的数学描述、线性系统的稳定性分析和根轨迹法等方法。

20世纪40年代至70年代，现代控制理论得到了迅速发展和广泛应用。

控制系统的数学理论不断深化，控制效果逐渐得到提高。

特别是在航空、导弹、火箭、军事、化工和能源等领域，自动控制理论的应用取得了巨大成功。

在这一时期，经典控制理论和现代控制理论逐渐发展完善，研究了最优控制、鲁棒控制、自适应控制和模糊控制等控制方法。

20世纪70年代以后，现代控制理论进入了第三个阶段，即多模型自适应控制系、模型预测控制、神经网络控制和模糊分级控制系统等理论成果的出现。

同时，计算机技术和信息技术的迅猛发展也为控制理论的研究和应用提供了良好的条件。

现代控制理论注重系统建模、系统特性分析和系统控制方法的研究，提高了控制系统的鲁棒性和优化性能。

此外，随着科学技术的进一步发展，自动控制理论还涌现出一些新的理论和方法，如非线性控制理论、科学计量管控理论、模块化控制理论、混杂动态系统建模与分析方法等。

综上所述，自动控制理论经历了前控制、反馈控制和现代控制三个阶段的发展。

从最早的开-闭锁问题研究到现代的控制系统建模与优化控制，自动控制理论在科学研究和工程实践中发挥着重要作用，并且不断创新和完善。

自动控制理论发展史从远古的漏壶计时，到公元前的水利枢纽工程；从中世纪的钟摆、天文望远镜，到工业革命的蒸汽机；从百年前的飞机、汽车和电话，到八十多年前的电子放大器、模拟计算机；从二战期间的雷达、火炮防空网，到冷战时代的卫星、导弹和数字计算机；从六十年代的登月飞船，到现代的航天飞机、宇宙和星球探测器。

这些著名的科技发明直接催生和发展了自动控制技术。

源于实践，服务于实践，在实践中升华，经过千百年的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，在日常生活中不可或缺。

自动控制技术本文将自动控制技术的历史分成早期控制、经典控制、现代控制三个阶段，分别为你呈现各个时期诞生的伟大控制理论、控制方法、控制装置与控制学家。

早期控制早在古代，劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈的直观认识，发明了许多着闪烁控制理论智慧火花的杰作。

如果要追溯自动控制技术的发展史，早在两千年前人类就有了自动控制技术的萌芽。

1)公元前1400至公元前1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现了可自动计时的漏壶。

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体现了自动控制系统的观念，是自动控制原理的典型实践。

3)100年左右，亚历山大的希罗发明了开闭庙门和分发圣水的自动装置。

4)132年，东汉杰出天文学家张衡发明了水运浑象仪，研制出了自动测量地震的候风地动仪。

5)235年，汉朝时期最负盛名的机械发明家马钧研制出了用齿轮传动的自动指示方向的指南车。

6)1637年，明末科学家宋应星所著的《天工开物》记载了有程序控制思想的提花织机结构图。

7)1788年：第一次工业革命的重要人物、英国发明家James Watt发明了飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。

8)1868年，英国物理学家James Clerk Maxwell (1831-1879)在Proceedings of Royal Society, vol. 16 (1867-1868)上发表了著名论文“On Governors”，通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析，解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了二阶、三阶系统的稳定性代数判据，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。

自动控制理论发展简史（经典部分）牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。

1687年，牛顿在他的《数学原理》中对围绕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中心距离的q 次方成正比。

牛顿发现，假设q>-3 ,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q≤-3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，或者将落在引力中心上。

在牛顿引力理论建立之后，天文学家曾不断努力以图证明太阳系的稳定性。

特别地，拉格朗日和拉普拉斯在这一问题上做了相当的努力。

1773年，24岁的拉普拉斯“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变的”。

并因此成为法国科学院副院士。

虽然他的论证今天看来并不严格，但他的工作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响。

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保守系统的稳定性问题。

James Clerk Maxwell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。

在他1868年的论文“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。

Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河。

Maxwell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(见其论文“A dynamical theory of the electromagnetic field”，1864)。

目前的研究表明，Maxwell事实上在1863年9月即已基本完成了其有关稳定性方面的研究工作。

约在1875年，Maxwell担任了剑桥Adams Prize的评奖委员。