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候风地动仪
都江堰水利工程

2、经典控制理论阶段?
???????公元18世纪,詹姆斯.瓦特(James Watt)为控制蒸汽机速度而设计了离心调节器(见下图),这是自动控制领域的第一项重大成果。1922年迈纳斯基研制出船舶操纵自动控制器,并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1932年奈奎斯特提出了一种相当简便的方法,根据对稳态正弦输入的开环响应,确定闭环系统的稳定性。

都江堰

中国东汉张衡发明水运浑象,研制出记里鼓车和自动测量地震的候风地动仪(132)1088年,北宋苏颂等把浑仪(天文观测仪器)、浑象(天文表现仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。

三国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235)

1637年,中国明代科学家宋应星(1587-1666)所着《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图。

North China Institute of Science and Technology?

社会需要是自动化技术发展的动力人类梦想省时省力生产出更多的东西来满足生活需要,通过发明工具使人类摆脱了大自然的束缚,从低等进入到高级的生物体系。

1、早期控制:自动控制技术的发展史,可追溯到远古时期的漏壶计时,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漏壶。

计时漏壶

南车

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。相传是在古代用来辨认行军方向的工具。指南车事实上是一种机械的装置,指南车在行进时,车上人的手始终指向同一方向。指南车是最早出现的自动控制设备。指南车的制作原理和指南针利用磁力指示方向不同。在战国的时候,才出现真正利用磁铁的磁力指示方向的仪器司南。

??? ?从自动控制原理来看,指南车是利用扰动补偿原理的开环定向自动调节系统。被控制量是木人的指向。车子转弯时,车轮带动齿轮系使木人沿着与车子转动方向相反的方向转动,恰好补偿了指南车的转角。
指南车
记里鼓车
记里鼓车
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记里鼓车是中国古代能自报行车里程的装置。据王振铎考证,记里鼓车是东汉以后出现的,由汉代鼓车改装而成,车中装具有减速作用的传动齿轮和凸轮杠杆等机构。车行一里,车上木人受凸轮牵动,由绳索拉起木人右臂击鼓一次,以表示行车的里程。
候风地动仪
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公元132年,东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器。它的工作原理不仅涉及反映信号的方向,而且还包含“小偏差内稳定,大偏差内不稳定”等自动控制原理。
提花织机结构图
?????? 1637年,明末科学家宋应星所着的《天工开物》记载了有程序控制思想的提花织机结构图。
浑天仪
提花织机
北京古观象台
北京古观象台

?????? 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。

??????? 20世纪40年代,频率响应法为工程技术人员设计满足性能要求的线性闭环控制系统提供了一种可行的方法。20世纪40年代末到50年代初,伊凡恩(Evans)提出并完善了根轨迹法。频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的,并且或多或少地满足一组独立的性能要求。一般来说,这些系统是令人满意的,但它不是某种意义上的最佳系统。从50年代末期开始,控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统,转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。
3、现代控制理论阶段
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大约从1960年开始,由于数字计算机的出现以及工业、军事特别是空间技术的需求,以时域方法为主的诸多分析设计方法得以迅猛发展,在原有经典控制理论的基础上,又形成了所谓的现代控制理论,这是人类在自动控制技术认识上的一次飞跃。为现代控制理论的状态空间法的建立做出开拓性贡献的有:1954年,贝尔曼(P.Bellman)的动态规划理论;1956年,庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理;1960年,卡尔曼(R.E.Kalman)的多变量最优控制和最优滤波理论。
4、智能控制理论阶段
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近年来,把传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合,充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制,逐渐形成了智能控制理论的雏形。智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法。内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。
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智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的,它的指导思想是,依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决目前那些需要人的智能才能解决的控制问题。被控对象的复杂性体现为模型的不确定性、高度非线性、分布式传感器和执行器、动态突变、多时间标度、复杂的信息模式、庞大的数据量以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。虽然智能控制体系形成的历史不长,理论还未完全成熟,但其已有的应用成果和理论发展说明了一点,智能控制正成为自动控制的前沿学科之一。