自动控制的发展历史
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东华大学信息科学与技术学院
3
I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)
(0) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400B.C. ~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》
(600B.统观念和实践(300B.C.)
(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引 入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测 性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了 现代控制理论的基础(1960)
东华大学信息科学与技术学院 R.E. Kalman
9
II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)
(1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司建 成最早的汽车装配流水线(1913) (2) 美国N. Minorsky研制出用于船 舶驾驶的伺服结构，提出PID控制 方法(1922) (3) 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机 (Differential Analyzer)(1928)
23
(8) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航 时代开始了(1961)
宇宙哥伦布-加加林
Capsule used in first manned orbit of earth
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
Lan J. Chu
(8) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 (9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的《工程控制论》 (Engineering Cybernetics) (1954)
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
闭环控制系统的结构框图：
东华大学信息科学与技术学院
12
(6) 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反 馈控制器(1929)
东华大学信息科学与技术学院
18
(1) 苏联L.S. Pontryagin发 表“最优过程数学理论”， 提出极大值原理
(Maximum Principle)(1956)
(2) 美国R. Bellman在 RAND Coporation数 学部的支持下，发表 著名的Dynamic Programming，建立 最优控制的基础(1957)
东华大学信息科学与技术学院
8
(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸 汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水 (1866)。次年，中国第一艘木质 明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南 造船厂下水。
操江号(62mx10m), 392匹马力， 600T排水，备炮9门
东华大学信息科学与技术学院
东华大学信息科学与技术学院
13
III. 经典控制(Classical Control)(1935-1950)
(1) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及 Nyquist(1940)提出频率响应法
(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)
20
(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)
1957. Laika. Sputnik 2
东华大学信息科学与技术学院 Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space
21
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first manmade satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
L.S. Pontryagin
(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一 届学术会议于莫斯科召开(1960)
东华大学信息科学与技术学院
19
(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)
东华大学信息科学与技术学院
K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.
东华大学信息科学与技术学院
22
(6) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两 年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机 器人公司，Unimation
东华大学信息科学与技术学院
17
现代控制(Modern Control) (1950- )
二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了 经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞 赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以 及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。
自动控制技术与人类进步
Automatic Control & Human Civilization
前言
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门 重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解 放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速， 应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新 的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。
西汉漏壶
东华大学信息科学与技术学院
4
(2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)
(3) 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(132年)
东华大学信息科学与技术学院
5
(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)
(5) 中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想(CNC)的提花织 机结构图(1637年)
东华大学信息科学与技术学院
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
C. E. Shannon
东华大学信息科学与技术学院
16
(7) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程 中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统 (Sampled Data System)
东华大学信息科学与技术学院
6
(6) 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年) (7) 英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年)
东华大学信息科学与技术学院
7
(8) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年) (9) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年) (10) 英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年)
N.B. Nichols
(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤 波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制 论学科的诞生。
N. Wiener 东华大学信息科学与技术学院
N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory
14
(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servomechanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939)
H. Hazen
东华大学信息科学与技术学院
15
(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937) (6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数学理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948)
东华大学信息科学与技术学院
2
自动控制（Automatic Control ）
定义
实现自动化的主要手段。目的是在没有人的直接参与下使生 产或其他过程或过程中某些物理量按照一定的工作程序或指定规 律进行。
分连续控制和断续（离散）控制两种。 电子计算机的利用促进了自动控制的发展，对技术工具的调 整，控制程序的组织和改变都可实现自动化。 自动控制也包括对远处对象的控制，例如对火箭和人造卫星 的遥远控制。
东华大学信息科学与技术学院
1
自动化（Automation）
定义
采用能自动启闭、调节、检查、加工和控制的机器、设备进 行各种作业，以代替人工直接操作的措施。是机械化的更高阶段。
部分采用自动装置，部分由人工操作的，称“半自动化”。 在一台独立设备上实现自动化的，称“单机自动化”。 整个生产过程从进料、加工、传送、检查，以至完成产品， 能自动按人们预定的程序和要求进行，而启动、调整、停车以及 排除故障等仍由人工操作的，称“综合自动化”。 如调整、停车、故障排除及其后的重新启动等操作也都能自 动实现的，则称“全盘自动化”。
V. B东ush 华大学信息科学与技术学院
10
(4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)
H. S. Black
东华大学信息科学与技术学院
11
(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为：
3
I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)
(0) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400B.C. ~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法》
(600B.统观念和实践(300B.C.)
(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引 入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测 性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了 现代控制理论的基础(1960)
东华大学信息科学与技术学院 R.E. Kalman
9
II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)
(1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司建 成最早的汽车装配流水线(1913) (2) 美国N. Minorsky研制出用于船 舶驾驶的伺服结构，提出PID控制 方法(1922) (3) 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机 (Differential Analyzer)(1928)
23
(8) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航 时代开始了(1961)
宇宙哥伦布-加加林
Capsule used in first manned orbit of earth
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
Lan J. Chu
(8) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 (9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的《工程控制论》 (Engineering Cybernetics) (1954)
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
闭环控制系统的结构框图：
东华大学信息科学与技术学院
12
(6) 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反 馈控制器(1929)
东华大学信息科学与技术学院
18
(1) 苏联L.S. Pontryagin发 表“最优过程数学理论”， 提出极大值原理
(Maximum Principle)(1956)
(2) 美国R. Bellman在 RAND Coporation数 学部的支持下，发表 著名的Dynamic Programming，建立 最优控制的基础(1957)
东华大学信息科学与技术学院
8
(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸 汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水 (1866)。次年，中国第一艘木质 明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南 造船厂下水。
操江号(62mx10m), 392匹马力， 600T排水，备炮9门
东华大学信息科学与技术学院
东华大学信息科学与技术学院
13
III. 经典控制(Classical Control)(1935-1950)
(1) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及 Nyquist(1940)提出频率响应法
(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)
20
(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)
1957. Laika. Sputnik 2
东华大学信息科学与技术学院 Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space
21
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first manmade satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
L.S. Pontryagin
(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一 届学术会议于莫斯科召开(1960)
东华大学信息科学与技术学院
19
(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)
东华大学信息科学与技术学院
K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.
东华大学信息科学与技术学院
22
(6) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两 年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机 器人公司，Unimation
东华大学信息科学与技术学院
17
现代控制(Modern Control) (1950- )
二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了 经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞 赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以 及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。
自动控制技术与人类进步
Automatic Control & Human Civilization
前言
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门 重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解 放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速， 应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新 的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。
西汉漏壶
东华大学信息科学与技术学院
4
(2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)
(3) 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(132年)
东华大学信息科学与技术学院
5
(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)
(5) 中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想(CNC)的提花织 机结构图(1637年)
东华大学信息科学与技术学院
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
C. E. Shannon
东华大学信息科学与技术学院
16
(7) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程 中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统 (Sampled Data System)
东华大学信息科学与技术学院
6
(6) 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年) (7) 英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年)
东华大学信息科学与技术学院
7
(8) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年) (9) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年) (10) 英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年)
N.B. Nichols
(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤 波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制 论学科的诞生。
N. Wiener 东华大学信息科学与技术学院
N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory
14
(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servomechanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939)
H. Hazen
东华大学信息科学与技术学院
15
(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937) (6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数学理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948)
东华大学信息科学与技术学院
2
自动控制（Automatic Control ）
定义
实现自动化的主要手段。目的是在没有人的直接参与下使生 产或其他过程或过程中某些物理量按照一定的工作程序或指定规 律进行。
分连续控制和断续（离散）控制两种。 电子计算机的利用促进了自动控制的发展，对技术工具的调 整，控制程序的组织和改变都可实现自动化。 自动控制也包括对远处对象的控制，例如对火箭和人造卫星 的遥远控制。
东华大学信息科学与技术学院
1
自动化（Automation）
定义
采用能自动启闭、调节、检查、加工和控制的机器、设备进 行各种作业，以代替人工直接操作的措施。是机械化的更高阶段。
部分采用自动装置，部分由人工操作的，称“半自动化”。 在一台独立设备上实现自动化的，称“单机自动化”。 整个生产过程从进料、加工、传送、检查，以至完成产品， 能自动按人们预定的程序和要求进行，而启动、调整、停车以及 排除故障等仍由人工操作的，称“综合自动化”。 如调整、停车、故障排除及其后的重新启动等操作也都能自 动实现的，则称“全盘自动化”。
V. B东ush 华大学信息科学与技术学院
10
(4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)
H. S. Black
东华大学信息科学与技术学院
11
(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为：