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自动控制系统的发展历史

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)首先在受水壶中使用了浮子(phellossivetympanum)。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。据周礼记载，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。[2][3]

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[5][27][29]。

另外，我国在公元前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。[6][29]

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(И.И.Полэунов)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)[21][23]。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。[8]

自动控制基本理论(经典部分)的发展简史

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