1、作者：刘文江 来源：中国大百科全书 发表时间：2006-03-12 浏览次数：623 字号：大 中 小 【汉语拼音】kongzhilun 【中文词条】控制论【外文词条】cybernetics 【作 者】刘文江研究生命体机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。控制论的建立是 20 世纪最伟大的科学成就之一现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系。控制论的奠基人美国数学家维纳N.1948 年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学”。70 年代以来电子数字计算机得到广泛的应用控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统 控制论的定义也因之扩展。苏联和东欧各国学者认为控制
2、论是研究系统中共同的控制规律的科学把控制论的定义又作了进一步的扩展。英文 cybernetics(控制论)一词来源于希腊文原意为“掌舵人”转意是“管理人的艺术” 。1947 年维纳选用cybernetics 这个词来命名这门新兴的边缘科学有两个用意一方面想藉此纪念麦克斯韦 1868 年发表论调速器一文因为 governor(调速器) 一词是从希腊文“掌舵人”一词讹传而来的 另一方面船舶上的操舵机的确是早期反馈机构的一种通用的形式。控制论的诞生和发展 20 世纪 3040 年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认识一些著名科学家环绕信息和反馈进行了大量的研究工作。英国统计学家 R.A.费希尔从古典统
3、计理论的角度研究信息理论 提出单位信息量的问题。美国电信工程师香农C.E. 从通信工程的角度研究信息量的问题 提出信息熵的公式。美国数学家维纳则从控制的观点研究有噪声的信号处理问题建立了维纳滤波理论 并分析了信息的概念提出测定信息量的公式和信息的实质问题。他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题。这一时期人们逐渐深入了解反馈控制系统的工作原理。1932 年美国通信工程师奈奎斯特H.发现负反馈放大器的稳定性条件即著名的奈奎斯特稳定判据。1945 年维纳把反馈概念推广到一切控制系统 把反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入从而对再输出发生影响的过程。巴甫洛夫条件反射学说证明了生命
4、体中也存在着信息和反馈问题。维纳在改进防空武器时发现动物和机器中控制和通信的核心问题是信息信息传输和信息处理。维纳与墨西哥神经生理学家 A.罗森布卢埃特合作对这个课题进行了长达 10 多年(1934 1947)的研究。参加这一研究工作的还有数学家逻辑学家物理学家电信工程师控制工程师计算机设计师神经解剖学家神经生理学家心理学家医学家人类学家和社会学家。他们进行了生理学病理学和心理学方面的许多实验吸收来自火力控制系统远程通信网络和电子数字计算机的设计经验以及对预测和滤波理论等数学统计理论的研究终于找到了控制论的核心问题。1942 年 5 月梅西基金会举行的关于大脑抑制问题的科学讨论会提出通信工程和
5、控制工程领域内已经研究成熟的信息和反馈的概念和方法可能有助于神经生理学的研究。这时控制论的思想已经形成但还没有正式命名。 1943 年末到 1944 年初在普林斯顿召开了一次控制论思想的科学讨论会进一步确认了控制论思想 认为在不同领域的工作者之间存在着共同的思想基础 一个科学领域可以运用另一个科学领域发展得比较成熟的概念和方法。19461953 年间梅西基金会发起一系列关于反馈问题的科学讨论会对于控制论的发展产生很大的推动作用。1948 年维纳发表奠基性著作 控制论这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”控制论的名称因此而定。维纳抓住了一切通信和控制系统的共同特点即它们都包含着一个
6、信息传输和信息处理的过程。维纳指出一个通信系统总是根据人们的需要传输各种不同的思想内容的信息 一个自动控制系统必须根据周围环境的变化自己调整自己的运动 具有一定的灵活性和适应性。通信和控制系统接收的信息带有某种随机性质具有一定的统计分布 通信和控制系统本身的结构也必须适应这种统计性质 能对一类在统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作。维纳的控制论发表以后科学家们沿着两个不同的方向发展控制论。心理学家神经生理学家和医学家用控制论方法研究生命系统的调节和控制问题促进了对生命有机体的了解 建立了神经控制论生物控制论和医学控制论。维纳本人对生物控制论和神经控制论表现了极大的兴趣曾于 1946
7、年与罗森布卢埃特进行了一系列直接涉及反馈主题的神经生理学实验为生物控制论奠定了基础。控制理论家用控制论方法研究工程系统的调节和控制问题。中国科学家钱学森创立了工程控制论并于 1954 年在美国出版了工程控制论的专著。他提出工程控制论的对象是控制论这门学科能够直接应用于工程设计的那些部分。到了60 年代苏联和东欧各国出现了军事控制论 把控制论的思想和方法应用于军事指挥和武器控制。70 年代以后由于科学技术的高度发展 人类面临着复杂的社会经济问题同时由于微电子技术的发展 计算机得到广泛应用全球信息系统逐渐形成 为控制论的发展提供了条件。 1965 年在华沙出版了经济控制论导论一书。1975 年在布
8、加勒斯特召开的第三届国际控制论与系统大会上以控制论与经济系统作为主题确认了经济控制论这一新兴学科。与此同时在西欧和日本美国还出现了管理控制论。1978 年在荷兰阿姆斯特丹召开的第四届国际控制论与系统大会上以控制论与社会作为主题确认了社会控制论这一独立的分支学科。1979 年 中国控制论科学家宋健等人用控制论的思想和方法解决了人口发展趋势的中长期预报和最优控制等问题并在中国人口控制的社会实践中取得成功 从而创立了人口控制论。控制论的核心问题控制论的核心问题是信息包括信息提取信息传播信息处理信息存储和信息利用等一般问题。控制论与信息论的主要区别是控制论是在理论上用较抽象的方式来研究一切控制系统(包
9、括生命系统工程系统经济系统和社会系统)的信息传输和信息处理的特点和规律研究用不同的控制方式达到不同的控制目的不考虑具体信号的传输和处理问题 信息论研究信息的测度 并在此基础上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理有关的问题(如编码译码滤波信道容量和传输速率等) 。通信和控制之间存在着不可分割的关系。人控制机器或者 计算机控制机器 都是一种双向信息流的过程。研究动物和机器中的控制和通信的关系是控制论的基本出发点。控制论的对象是一切控制系统控制论著重研究系统中控制和信息这两个方面。有效的控制必然是一种双向信息流的过程这就是说有效的控制一定要有信息反馈。一切系统为了达到预定的目的必须经过有效的控制
10、。有效控制的全过程包括信息提取信息传输和信息处理。人们获取信息和利用信息的过程就是对外界环境中的种种偶然性进行调节并在这个环境中有效地生活的过程。所谓有效地生活就是在拥有足够的信息量的条件下生活。因此 信息和反馈是与适应有联系的。反馈具有能用过去的行为来调节未来行为的性能。反馈可以是像普通反射那样的反馈也可以是比较高级的反馈即过去的经验不仅用来调节特定的动作 而且用来调节行为的全盘策略。这种策略性质的反馈还具有学习的性质。因此信息和反馈是与学习有联系的。生命体在进化的过程中一方面表现有多向发展的自发趋势另一方面又有保持自己祖先的模式的趋势。这两种效应结合通过自然选择就淘汰掉那些不适应周围环境的
11、有机体。留下来的是能够适应周围环境的生命形式的剩余模式这种剩余模式就是广义的合目的性的表现。这就说明 信息和反馈是与进化有联系的。人们根据神经细胞的新陈代谢现象和神经细胞之间形成突触的随机性质认识了信息与系统结构的关系。可以认为记忆的生理条件以至于学习的生理条件 就是组织性的某种连续 即把来自外界的信息变成结构或机能方面比较经久的变化。控制论的数学理论控制论的数学理论基础就是用吉布斯统计力学来处理控制系统的数学模型。任何一个控制系统都有两组状态变量一组是可控的 一组是不可控的。控制论问题就是如何根据不可控变量从过去到现在的信息来适当地确定可控变量的最优值使系统达到最合适和最有利的状态(即预期的
12、目标)。控制论向人们提供解决这样一些问题的方法和途径。维纳为了解决这个数学问题在 1954 年建立了非线性随机理论后来又在此基础上建立了自组织理论和学习理论。控制论的数学问题可表述为对不可控变量的时间序列作出恰当的数学描述。维纳用样本函数与概率空间相对应的方法来构造随机变量这一过程被称为维纳过程 用以决定输入函数族。 设计一个将输入函数变换为输出函数的非线性算子。在设计算子时确定最优性判据。维纳方法属于统计方法的范畴因而产生无偏性 最小方差输入输出函数的自相关函数和相关分析等概念。用广义调和分析和遍历定理可从每个个别的样本函数获取所需信息。维纳就是用这种方法建立了时间序列的预测和滤波理论通常称
13、为维纳滤波。非线性算子可展开成正交算子的级数 对于处理自组织和自繁殖问题很有用处。非线性随机理论已在生物控制论和经济控制论方面得到广泛的应用。非线性随机理论不但是控制论的数学理论基础而且是处理一切大规模复杂系统的重要数学工具。控制论的基本方法控制论是从信息和控制这两个方面来研究系统。控制系统的作用就是以某种智能方式从外界提取必要的信息(称为输入 )按一定的法则进行处理产生新的信息(称为输出) 反作用于外界 以达到一定的目的。输入输出变量不仅可以表示行为也可以表示信息。系统的输入输出变量确定以后还要找出两种变量之间存在的函数关系 也就是建立该系统的数学模型。根据系统的输入输出变量来建立系统模型的
14、方法就是著名的黑箱方法。黑箱方法是一种重要的控制论方法可用来研究复杂的大系统和巨系统现在已经发展成为系统辨识分支学科。为了建立系统模型就要引入仅与该系统有关的状态变量 从而可能用两组方程来描述这一系统。一组称为转移方程(又称状态方程)用以描述系统的演变规律 一组称为作用方程(又称输出方程) 用以描述系统是怎样与外界发生作用的。设 x 是输入向量y 是状态向量 z 是输出向量t 为时间变量t 为时间增量 则系统的数学模型可以表达为y(t t)f(x(t)y(t)t) z(t t)g(x(t) y(t)t) 其中第一个方程是转移方程第二个方程是作用方程。经过这样抽象之后 便可对系统进行一般性的研究
15、确定系统的类别和特性。系统的特性是通过系统特定的结构产生的(如伺服系统存在反馈自适应系统要有一定容量的记忆)所以同一类系统往往有同一类结构。这样就可以进一步研究这种结构如何发挥作用。这种控制论推理方式使控制论适用于一切控制系统的领域 而对于研究大规模的复杂的控制系统 尤有独特的作用。上述建立控制系统数学模型的方法并不是惟一的。在自动机理论中还常常采用状态转移表或状态转移图的方式。自动机理论的研究成果充分证明了这种控制论方法有其独特的优点。控制论方法有助于人们对控制系统一般特性的研究。用控制论方法来研究大系统和巨系统时往往需要使用同态和同构的概念以及分解和协调的概念。控制论的跨学科性质控制论通过
16、信息和反馈建立了工程技术与生命科学和社会科学之间的联系因此控制论具有明显的跨学科性。这样一来不但可以把一个科学领域中已经发展得比较成熟的概念直接用于另一科学领域促进其发展避免不必要的重复的研究工作而且可以采用类比的方法特别是功能类比的方法(又称功能模拟法)得到许多新的启发产生新的设计思想和新的控制方法取得意想不到的成果。例如 生物控制论与人造系统控制论(包括工程控制论 经济控制论和社会控制论) 之间存在着类比关系。自动控制 自适应自学习这三种类型的系统均可与生物系统进行类比以了解其功能这就能向工程师提出某些实际问题的解决途径。参考书目维纳N.着 郝季仁译 控制论 科学出版社北京1963。(N.
17、WienerCyberneticsor Control and Communication in the Animal and the MachineMIT PressCambridgeMA.1948.)工程控制论 -作者：宋健 来源：中国大百科全书 发表时间：2006-03-12 浏览次数：312 字号：大 中 小 【汉语拼音】gongcheng kongzhilun 【中文词条】工程控制论【外文词条】engineering cybernetics 【作 者】宋健控制论的一个分支学科是关于受控工程系统的分析 设计和运行的理论。法国物理学家和数学家 A.M.安培于 1834 年用控制论这一名词
18、称呼管理国家的科学。第二次世界大战前后自动控制技术在军事装备和工业设备中开始应用实现了对某些机械系统和电气系统的自动化操纵。20 世纪 30 年代末美国日本和苏联的科学家们先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑自动机的理论并被迅速用于生产实践。在这一时期前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。在这些科学成就的推动下曾亲自参加过自动化防空系统研制工作的美国数学家维纳N.于 1948 年把这些概念和理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究并把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同机制的现象加以研究 建立了一门新的学科称为控制论(cybernetics)。这一名词随即为世界科学界所
19、袭用。1954 年钱学森所著工程控制论一书英文版问世第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论概念和方法。随着该书的迅速传播(俄文版 1956 年 德文版 1957 年 中文版 1958 年) 该书中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。工程控制论的目的是把工程实践中所经常运用的设计原则和试验方法加以整理和总结取其共性 提高成科学理论使科学技术人员获得更广阔的眼界用更系统的方法去观察技术问题去指导千差万别的工程实践。理论范畴工程控制论的研究对象和理论范畴在不断扩大。近 20 年来该学科的各个方面都有了很大的发展。到目前为止它所包含的主要理
20、论和方法有下列 6 个方面。系统辨识和信息处理由于工程控制论中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上为了实现对工程系统的控制精密地定量描述它的行为和结构就具有决定性的意义。找出能够完全描述系统状态的全体变量区分为输入量受控量和控制量等不同类别 把表现为机械的电的 光的声的各种物理信号形式的变量从各种随机因素和噪声中提取出来确定各变量在各种不同条件下的变化规律 这就是系统辨识理论的任务。用滤波预测相关处理逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息以及寻求各变量之间的相互关系这是属于信息处理理论和方法的范畴。近年来发展起来的模式识别理论和方法能够对已经提取出来的物理信号进行更精细的分析以便用
21、机器手段去理解它的含义 并用文字或图形显示出来 为管理和操作人员提供准确的信息这是信息处理理论的新成就。模型抽象为了精细地描述受控客体的静态和动态特性常用建立数学模型的方法。成功的数学模型能更深刻地集中地和准确地定量反映受控系统的本质特征。藉助于数学模型工程设计者能清楚地看到控制变量与系统状态之间的关系以及如何改变控制变量才能使系统的参数达到预期的状态 并且保持系统稳定可靠地运行。数学模型还能帮助人们与外界的有害干扰作斗争指出排除这种干扰所必须采取的措施。根据具体受控工程的特点可以用代数方程式 微分方程式积分方程式逻辑代数式概率论和模糊数学等数学工具去建立数学模型。对复杂的系统常要用到由几种数
22、学工具结合起来的混合模型去实现对工程系统的完全描述。这种根据实验数据用数学工具去抽象受控工程对象本质特征的原理和方法称为建模理论。最优控制欲使工程系统按希望的方式运行完成预定的任务 应该正确地选择控制方式。几乎所有的工程系统都有共同的特性为达到同一个目标 存在着许多控制策略。不同的控制策略所付出的代价也各异 例如能量消耗所费时间的长短材料人力和资金的消耗等均不相同。研究如何以最小的代价达到控制的目的的原理和方法称为最优控制理论。寻求以最短时间达到控制目的的理论称为最速控制理论。线性规划动态规划极大值原理最优化理论等都是经过实践证明具有严密结构的最优控制理论。为了解决最优控制的工程实现问题科学家
23、们又创造了很多适用于计算机程序的算法 称为最优化技术。最优控制理论和最优化技术的建立是工程控制论中最突出的成就。自我进化受控系统的工作环境任务和目标常发生变化。为了使工程系统能自动适应这些变化科学家们创立了一系列设计原理和方法赋予系统以自我进化的能力 即根据变化了的环境条件或工作任务 系统能够自动地改变自己的结构参数和获得新的功能。最早出现的是自稳定系统它能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变自己的结构始终保持稳定的工作状态而无需操作人员去干预。用自适应控制理论(见适应控制系统)设计的工程系统能自动地对外界条件变化作出反应改变自己的结构参数保持优良的性能和高精度。计算机用于工程系统后由于具有信息
24、存储能力 出现了自学习系统。经过有经验的操作人员示教以后 系统把一切操作细节都记忆下来从此就能准确地自动再现已学到的操作过程 完成指定的任务。只要存储容量足够大同一工程系统可记忆若干种操作过程 就成为多功能系统。把专家们在某一专门领域中的知识和经验存储起来工程系统就获得处理复杂问题的能力 这种系统称为专家系统。为完成不同的任务而能自动重组结构的系统称为自组织系统。工程控制论的研究工作还一直受着仿生学新成就的启发和鼓舞不断引进新的概念发明新的理论以求工程系统部分地模仿生物的技能。能够辨识人的声音 认识和翻译文字具有不断增长的逻辑判断和自动决策能力的智能系统已在工业生产领域和服务行业中采用这是具有
25、自我进化能力的工程控制论系统的最新成就。容错系统提高系统工作可靠性一直是工程控制论研究的中心课题之一。早期的研究集中在如何用不太可靠的元件组成可靠的系统。例如人的大脑中每天都有成千上万个脑细胞死亡 却仍能在数十年内可靠地工作而不出现故障。用设置备份的办法去提高可靠性称为冗余技术这是一项研究得最早至今仍在大量采用的技术。自诊断理论是关于自我功能检查发现故障的理论。按这种理论设计的工程系统能自动地定期诊断全系统和组成部分的功能及时发现故障 确定故障位置自动切换备份设备或器件从而恢复系统的正常功能。有的系统能在全部运行过程中连续地进行自我诊断。利用纠错编码理论(见编码理论) 可以自动地发现工程系统在
26、信息传输过程中可能发生的差错自动地纠正错误 使系统的功能不受损害。在不可能纠正时则剔除错误信息或让系统重复操作以排除随机差错。对不能简单排除的故障 则选用无需故障部件参与的其他相近的功能部件代替。自诊断理论检错纠错理论最优备份切换理论和功能自恢复理论总称为容错理论(见容错技术)。仿真技术在系统设计和制造过程中不能在尚未建成的工程系统上进行实验或者由于代价太高而不宜于进行这种实验。用简单的装置和不同的物理过程去模拟真实系统的受控运行过程称为仿真技术。早期曾以物理仿真为主即用不同性质但易于实现 易于观察的物理过程去模仿真实的过程。模拟计算机是专为仿真技术而发展起来的技术它利用电信号在电路中的变化规
27、律去模仿物理系统的运动规律。数字计算机出现以来又有混合计算机作为仿真工具。随着数字计算机运算速度和存储容量的提高 数字计算机已成为仿真技术的主要手段。只要编制相应的软件就可以模拟各种不同性质的物理过程。仿真技术是在工程控制论中发展起来的强有力的实验技术使设计师们能在极短时间内 用很小的代价在实验室内进行任何庞大工程系统的实验。应用领域的演变工程控制论发源于纯技术领域。转速温度压力等机械变量和物理变量的自动调节是最早期的工业应用而自动调节理论是对这一时期技术进步的理论总结。第二次世界大战前后出现的自动化防空系统和自寻目标的导弹系统促进了伺服机构和自动控制技术的广泛应用。自动调节理论经过发展和提高
28、以后上升为自动控制理论。随着第一台电子数字计算机的出现 技术界开始研制具有数字运算能力和逻辑分析功能的自动机自动控制系统随即获得了智能控制的功能。随着廉价的微型计算机大量进入市场自动化工程系统全面地进入了智能化阶段自动控制理论的全部含义遂得以真正展开。从此 工程控制论的概念理论和方法开始从纯技术领域溢出涌进了许多非技术部门 派生出社会控制论 经济控制论生物控制论军事控制论人口控制论等新的专门学科。这些新学科出世以后便与它们的先行者并驾齐驱 并且根据各自领域的特点又抽象出新的概念创造新的理论和方法产生新的内容。另一方面它们毕竟是孪生学科 有共同的渊源在前进过程中能彼此借鉴和相互补充。它们所共有的
29、那些原理理论和方法 作为广义控制论的基本内容又促进了另一门更广泛的学科 系统工程的诞生。工程控制论进入社会科学领域是当代重大科学技术成就之一。由于信息科学和信息技术的巨大进步“工程”一词的含义在不断扩展。继早期的纯技术工程( 机械电力化工水利 航空航天等)之后传统上属于社会科学范畴的问题已能用工程方法去处理而且比纯行政管理方法能作出更好的决策 对社会事务的具体部门进行状态分析政策评价态势预测和决策优化时常常得到意想不到的新发现 导致巨大的经济效益和社会效益。在社会工程中应用工程控制论所依靠的技术手段与在纯技术工程中完全不同。信息的采集要靠统计方法状态分析依靠以计算机为中心的数据通信网络。社会事
30、务的定量模型被存储在计算机的数据库中 成为所要研究或管理的那些社会领域的动态映像。在社会领域中进行新的政策性试验要费很长时间还常伴有一定的风险故数学仿真在这里起着非常重要的作用。状态分析 模型提取系统设计和政策优化等都能在试验室内于极短的时间内完成。政策变量的设置和实施只能用政令法令的形式和通过有关政府或事业管理机构来推行而不能像在纯技术工程中那样用机械的或其他物理信号去驱动。状态反馈也要在人的参预下经过信息网络实现。所以以计算机为中心的信息系统是社会工程的技术基础 也是工程控制论之所以能用到社会范畴的先决条件。此外在模型抽象和政策优化分析中 还要经常用到运筹学 对策论规划论排队论库存论等历史
31、上独立于工程控制论之外并行发展起来的数学理论以及有关的经济学和社会学理论。由于自然科学家和社会科学家的密切合作正在形成一门新的学科 决策科学。参考书目钱学森工程控制论科学出版社北京 1958修订版1982。维纳N.着 郝季仁译 控制论科学出版社北京1963。(N.WienerCyberntics or Control and Communication in the Animal and the MachineMIT PressCambridgeMA.1948.)自动控制理论的早期发展历史（经典控制理论部分） -作者：王庆林 来源：中国自动化学会社区 发表时间：2006-04-03 浏览次数：
32、973 字号：大 中 小 在 1868 年至今的短短一百年中，自动控制理论无论在深度和广度上都得到了令人吃惊的发展，对人类社会产生了巨大的影响。从瓦特的蒸气机、阿波罗登月到海弯战争，无处不现示着控制技术的威力。在哲学领域，反馈理论的建立与成功应用，也使“因果关系” 进一步发展为 “因果果因关系”，反馈的概念受到人们的重视。由于控制理论的发展日新月异，对自动控制的发展历史进行全面的论述是困难的。本文将仅对控制理论中经典部分（这也是大学自动控制理论课程的主要内容）的发展过程及背景进行简要的介绍，并对进行必要的讨论。1.自动控制技术的早期发展以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前公
33、认的第一篇理论论文, J.C.Maxwell 在1868 年发表的“论调节器 ”算起，至今不过一百多年。然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器 “水钟”( 在中国叫作“刻漏” ，也叫“ 漏壶” )。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前 1500 年以前便已有很长的水钟使用历史了。约在公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的斯提西比乌斯(Ctesibius)首
34、先在受水壶中使用了浮子(phellossive tympanum)。按迪尔斯(Diels)本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想 (尽管当时并不明确) 。1中国有着灿烂的古代文明。中国古代的科学家们对水钟十分得重视，并进行了长期的研究。据记载，约在公元前 500 年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在公元 120 年，著名的科学家张衡 (78-139,东汉 )又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏” 由铜匠杜子盛和洗运行建造
35、于公元 1316 年( 元代延祐三年)，并一直连续使用到 1900 年。现保存在广州市博物馆中，但仍能使用。23北宋时期，苏颂等于 1086 年-1090 年在开封建成“ 水运仪象台”。仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体的运行， “使它自动地保持在窥管的视场中 ”。这种仪象台的动力装置中就利用了 “从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器(天关、天锁 )加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特.胡克早六个世纪。4公元 235(三国时期)的马均及公元 477 年(刘宋时期) 祖冲之等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机52729。另外，我国在公
36、元前 350 年已经用在结构上与水轮相似的水臼来碾米；在公元前 50 年用水轮来引水灌溉；在公元前 31 年在锻冶场里使用水动风箱等。大大地减轻了人们的劳动29 。十八世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置也成为人们研究的重点。1750 年，安得鲁. 米克尔(1719-1811)为风车引入了“扇尾”传动装置，使风车自动地面向风。随后，威廉. 丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节器在 1807 年取的专利权。18 世纪的风车中还成功地使用了离心调速器。 托马斯.米德(1787 年)和斯蒂芬.胡泊(1789 年) 获得这种装置的专利权。629
37、和风车技术并行，十八世纪也是蒸气机取得突破发展的时期，并成为机械工程最瞩目的成就。托马斯.纽可门和约翰.卡利(又译为考力)是史学界公认的蒸气机之父。到十八世纪中叶，已有好几百台纽可门式蒸气机在英格兰北部和中部地区、康沃尔和其他国家服务，但由于其工作效率太低，难以推广。1765 年俄国的波尔祖诺夫（ .）发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）2123。1760 年1800 年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特的改良工作中，1788 年，他给蒸气机添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵，类似于磨房机工早
38、已用来控制风力面分机磨石松紧的装置。 “调节器”或“ 飞球调节器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。7瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析，后来 J.C.Maxwell 从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究。82. 自动控制基本理论（经典部分）的发展简史2.1 稳定性理论的早期发展人们很早就开始关注稳定性的问题。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
39、 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26。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 28。虽然他们的论证今天看来并不严格，但他们的工作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响26。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
40、定问题后，科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。Clerk Maxwell 是第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人26。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8 。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。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的 Thomson s governor,
41、Jenkin s governor 以及具有五阶微分方程的 Maxwell s governor 进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。Maxwell 的工作开创了控制理论研究的先河。910同一时期在俄国，1872 年 .维什聂格拉斯基（1831-1895）也对蒸汽机的稳定性问题进行了研究。.维什聂格拉斯基的论文“论调整器的一般原理 ”1876 年发表在法国科学院院报上。. 维什聂格拉斯基同样利用线性化方法简化问题，用线性微分方程描述由调整对象和调整器组成的系统。这使问题大大简化。1878 年 .维什聂格拉斯基还对非线性继电器型调整器进行了研究。. 维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基
42、人。23Maxwell 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。10Maxwell 在他的论文中还催促数学家们尽快地解决多项式的系数同多项式的根的关系的问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难。9约在 1875 年，Maxwell 担任了剑桥 Adams Prize 的评奖委员。这项两年一次
43、的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳论文。1877 年的 Adams Prize 的主题是“ 运动的稳定性 ”。E.J.Routh 在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠(Routh E J.A Treatise on the Stability of Motion.London,U.K.:Macmillan,1877)。Routh 的这一成果现在被称为劳斯判据。 Routh 工作的意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。26Edward John Routh 1831 年 1 月 20 日
44、出生在加拿大的魁北克。他父亲是一位在 Waterloo 服役的英国军官。Routh 11 岁那年回到英国，在 de Morgan 指导下学习数学。在剑桥学习的毕业考试中，他获得第一名。并得到了“Senior Wrangler”的荣誉称号。 （Clerk Maxwell 排在了第二位。尽管 Clerk Maxwell 当时被称为最聪明的人。 ）毕业后 Routh 开始从事私人数学教师的工作。从 1855 年到 1888 年 Routh 教了 600多名学生，其中有 27 位获得“SEnior Wrangler”称号。建立了无可匹敌的业绩。Routh 于 1907 年 6 月 7日去世，享年 76
45、 岁。25Routh 之后大约二十年，1895 年，瑞士数学家 A. Hurwitz 在不了解 Routh 工作的情况下，独立给出了跟据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一中方法(Hurwitz A. On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz 的条件同 Routh 的条件在本质上是一致的。9因此这一稳定性判据现在也被称为 Routh-Hurwitz稳定性判据1
46、。1892 年，俄罗斯伟大的数学力学家 A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）发表了其具有深远历史意义的博士论文“运动稳定性的一般问题 ”(The General Problem of the Stability of Motion,1892)。在这一论文中，他提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的李亚普诺夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法。这一方法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计。已成为当今自动控制理论课程讲授的主要内容之一。1112Lyapunov 在稳定性方面的研究受到 Routh 和 Poincare 等工作的影响。12
47、,14Lyapunov 是一位天才的数学家。他是一位天文学家的儿子。曾从师于大数学家 P.L.Chebyshev(车比晓夫)，和 A.A.Markov(马尔可夫) 是同校同学（李比马低两级） ，并同他们始终保持着良好的关系。他们共同在概率论方面做出过杰出的成绩。在概率论中我们可以看到关于矩的马尔可夫不等式、车比晓夫不等式和李亚普诺夫不等式。李还在相当一般的条件下证明了中心极限定理。1113和他的硕士论文一样，Lyapunov 的博士论文被译成法文并在 Annales de l Universite de Toulouse (1907)上发表，1949 年 Princeton University Press 重印了法文版。1992 年在 Lyapunov 博士论文发表 100 周年之际，INT.J.CONTROL 以专集形式发表了 Lyapunov 论文的英译版，以纪念他控制理论领域的卓越贡献。11142.2 负反馈放大器及频域理论的建立15在控制系统稳定性的代数理论建立之后，1928 年1945 年以美国 AT&T 公司 Bell 实验室(Bell Labs)的科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方
