從遠古的漏壺計時，到公元前的水利樞紐工程；從中世紀的鐘擺、天文望遠鏡，到工業(yè)革命的蒸汽機；從百年前的飛機、汽車和電話，到八十多年前的電子放大器、模擬計算機；從二戰(zhàn)期間的雷達、火炮防空網(wǎng)，到冷戰(zhàn)時代的衛(wèi)星、導彈和數(shù)字計算機；從六十年代的登月飛船，到現(xiàn)代的航天飛機、宇宙和星球探測器。這些著名的科技發(fā)明直接催生和發(fā)展了自動控制技術。源于實踐，服務于實踐，在實踐中升華，經(jīng)過千百年的提煉，尤其是近半個世紀工業(yè)實踐的普遍應用，自動控制技術已經(jīng)成為人類科技文明的重要組成部分，在日常生活中不可或缺。

本文將自動控制技術的歷史分成早期控制、經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制三個階段，分別為你呈現(xiàn)各個時期誕生的偉大控制理論、控制方法、控制裝置與控制學家。

1、早期控制

早在古代，勞動人民就憑借生產(chǎn)實踐中積累的豐富經(jīng)驗和對反饋的直觀認識，發(fā)明了許多著閃爍控制理論智慧火花的杰作。如果要追溯自動控制技術的發(fā)展史，早在兩千年前人類就有了自動控制技術的萌芽。

1)公元前1400至公元前1100年，中國、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)了可自動計時的漏壺。

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)了自動控制系統(tǒng)的觀念，是自動控制原理的典型實踐。

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

4)132年，東漢杰出天文學家張衡發(fā)明了水運渾象儀，研制出了自動測量地震的候風地動儀。

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5)235年，漢朝時期最負盛名的機械發(fā)明家馬鈞研制出了用齒輪傳動的自動指示方向的指南車。

6)1637年，明末科學家宋應星所著的《天工開物》記載了有程序控制思想的提花織機結構圖。

7)1788年：第一次工業(yè)革命的重要人物、英國發(fā)明家James Watt發(fā)明了飛球調節(jié)器，用來控制蒸汽機的轉速。

8)1868年，英國物理學家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”，通過對調速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析，解釋了瓦特蒸汽機速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，開辟了用數(shù)學方法研究控制系統(tǒng)的途徑。

9)英國數(shù)學家Edward John Routh (1831—1907)與德國數(shù)學家Adolf Hurwitz (1859—1919)把Maxwell的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統(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)定性的準則兩個著名的穩(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，俄國數(shù)學家Aleksandr Mikhailovich Lyapunov(1857—1918)完成了博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了常微分方程運動穩(wěn)定性理論，隨后被引入了控制理論。

2、經(jīng)典控制

從20世紀初開始，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)、交通及國防的各個領域都廣泛采用了自動化技術。二戰(zhàn)期間，反饋控制被廣泛用于飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓展已有的控制技術。同時，還促進了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機控制系統(tǒng)的研究?？梢哉f工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展。

1)1913年，美國福特汽車公司建成了世界上最早的汽車裝配流水線。

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

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

4)1930年，信息時代的教父、美國MIT的科學家Vannevar Bush (1890—1974)研制出了世界上第一臺大型模擬計算機(Differential Analyzer)。他是二戰(zhàn)時期美國最偉大的科學家和工程師之一。

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5)1932年，美籍瑞典物理學家Harry Nyquist (1889–1976)提出了在頻域內研究系統(tǒng)特性的頻率響應法，建立了以頻率特性為基礎的穩(wěn)定性判據(jù)，為具有高質量的動態(tài)品質和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

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

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

8)1942年，美國工程師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)最佳調整法，迄今為止依然是工業(yè)界調整PID參數(shù)的主流方法。

9)1942年，控制論奠基人、美國應用數(shù)學家Norbert Wiener(1894—1964)提出了Wiener濾波理論。1947年，Wiener教授完成了劃時代的著作《控制論》(Cybernetics)，標志著控制論學科的誕生。該書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。簡單地說：控制論就是研究動物(包括人類)、自動機器和有機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)明了世界首臺數(shù)字計算機。他是20世紀最重要的數(shù)學家之一，在現(xiàn)代計算機、博弈論、核武器和生化武器等諸多領域內均有杰出建樹，是最偉大的科學全才之一，被后人稱為“計算機之父”和“博弈論之父”。

11)1948年，美國科學家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，被廣泛應用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設計中。建立在Nyquist頻率響應法和Evans根軌跡法基礎上的理論，稱為經(jīng)典控制理論，為工程技術人員提供了一個設計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。

12)我國著名科學家錢學森院士將控制理論應用于工程實踐，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以及錢學森的《工程控制論》。

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3、現(xiàn)代控制

20世紀50年代中期，科學技術的發(fā)展，特別是空間技術的發(fā)展，迫切要求解決更復雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題(例如火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制，到達目標的控制時間最小等)。實踐的需求推動了控制理論的進步，計算機技術的發(fā)展也從計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動規(guī)律，又便于計算機求解的狀態(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，利用現(xiàn)代數(shù)學方法和計算機來分析、綜合復雜控制系統(tǒng)的新理論，適用于多輸入、多輸出、時變的、非線性系統(tǒng)。

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

2)1957年，著名的美國數(shù)學家Rid Ernest Bellman (1920—1984)在蘭德公司RAND Cooperation數(shù)學部的支持下，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。1979年，Bellman獲得了IEEE榮譽勛章(IEEE Medal of Honor)，獲獎理由為：for contributions to decision processes and control system theory, particularly the creation and application of dynamic programming。

3)1957年，國際自動控制聯(lián)合會(International Federation of Automatic Control，IFAC)正式成立，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術會議于1960年在莫斯科召開。我國著名科學家錢學森院士為IFAC第一屆執(zhí)行委員會(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。該事件標志著人類航天時代的來臨，也直接導致了美國、蘇聯(lián)的航天技術競賽。

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

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6)1958年，美籍伊拉克控制理論學家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)字信號處理的理論基礎。

7)1960年，美籍匈牙利數(shù)學家Rudolf (Rudi) Emil Kálmán (1930—2016)發(fā)表了“On the General Theory of Control Systems”等標志性論文，引入了狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測性、最佳調節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。2009年，美國總統(tǒng)Barack Obama向Kálmán頒發(fā)了國家科學獎章。

8)1961年，蘇聯(lián)東方1號飛船載著世界上第一名航天員Gagarin (1934—1968)進入了人造地球衛(wèi)星軌道，開啟了人類宇航時代。

9)1963年，美國著名數(shù)學家、加州大學伯克利分校教授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”探測器，實現(xiàn)了探測器首次在月球表面成功軟著陸;1969年，“阿波羅11號”成功地把美國宇航員Neil Alden Armstrong (1930—2012)送上了月球，實現(xiàn)了人類首次登陸月球，邁出了“人類的一大步”。

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

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12)20世紀60年代，英國曼徹斯特大學教授Howard Harry Rosenbrock (1920—2010)和謝菲爾德大學教授David H. Owens研究了應用于計算機輔助控制系統(tǒng)設計的現(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)方程之間的等價轉換關系，為建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎。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、斯坦福大學教授Arthur Earl Bryson, Jr.與美籍華裔科學家、哈佛大學教授何毓琦(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，獲獎理由：For pioneering contributions to optimal control and estimation and their applications。

14)1971年，美國國防部計算機網(wǎng)絡初步建成。

15)1974年，多倫多大學教授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，獲獎理由：For pioneering contributions to the theory of stochastic systems, linear multivariable control, and discrete event systems。

16)1976年，美國控制理論學家、哈佛大學教授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)機器人組成的柔性制造單元。

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

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19)1981年，美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功。

20)1983年，美籍華裔科學家、哈佛大學教授何毓琦與其學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)表了專著《Discrete Event Dynamic Systems and Perturbation Analysis》。何毓琦教授于1989年獲得IEEE Control Systems Award，獲獎理由：For contributions to differential games, multi-person decision making, and discrete event dynamic systems。

21)1985年，意大利羅馬大學教授Alberto Isidori出版了專著《Nonlinear Control Systems》。于2012年獲得了IEEE Control Systems Award，獲獎理由：For pioneering contributions to nonlinear control theory。22)1986年，中國批準了國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)，包括自動化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題。

23)1996年，第一臺火星探測器Sojourner在火星表面成功軟著陸。

24)美國宇航局研制的旅行者Voyager 1號、2號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索。

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25)2001年，日本安川公司研制成功的機械狗

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

27)2003年，中國神舟5號宇宙飛船成功發(fā)射，將楊利偉少將送入了太空，中國首次載人航天圓滿成功。標志著中國已經(jīng)成為世界上獨立自主地完整掌握載人航天技術的國家之一。

現(xiàn)代控制理論主要利用計算機作為系統(tǒng)建模、分析、設計乃至控制的手段，適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。它在本質上是一種“時域法”，但并不是對經(jīng)典頻域法的從頻率域回到時間域的簡單再回歸，而是立足于新的分析方法，有新目標的新理論。

現(xiàn)代控制理論研究內容非常廣泛，主要包括三個基本內容：多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論。從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀測性、穩(wěn)定性以及許多復雜系統(tǒng)的控制問題。

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原標題:自動控制技術發(fā)展史