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    自動化技術發展史:可追溯到漢朝?

    添加時間:2012-08-23 16:06:42   瀏覽次數: 次    【 】   打印   關閉窗口

    本文摘自中國自動化網
    自動化的淵源,可以一直追溯到兩千多年以前。我國漢朝時期,就有了指南車。

    公認的自動化技術的起源,還是18世紀前后(大約在1788年)。隨著工業革命在英國的出現,對動力的需求大增;因此出現了蒸汽機。人們在使用蒸汽機的時候,就發現保持其轉速的穩定是一個大問題,為此發明了飛球轉速控制器(也叫離心調速器)。

    可是,光有飛球控制器有時還是不能解決問題。人們很快發現,有的蒸汽機的飛球調速器投入運行后,蒸汽機的轉速就產生周期性的大幅度波動,無法正常工作。用現在的話來說,就是系統不穩定。那個時候,人們還沒有系統的概念,也沒有反饋的概念,無法從理論上解釋這種不穩定現象;人們就反復地在蒸汽機的制造工藝上盲目地摸索,努力減小摩擦,調整彈簧等等。這種情況持續了大約一個世紀之久,直到19世紀末,自動控制理論誕生以后,自動控制技術才得以在科學理論的指導下發展和提高。

    蒸汽機轉速的不穩定問題引起了許多科學家的注意。1868年,建立了電磁波理論的英國物理學家麥克斯韋爾(J·C·Maxwell),把蒸汽機的調速過程變成了一個線性微分方程的問題。他指出,如果對應的微分方程特征值在復平面的左半平面,系統就是穩定的;反之,如果對應的微分方程特征值在復平面的右半平面,系統就是不穩定的,蒸汽機的轉速就會產生波動。

    1877年,麥克斯韋爾的學生勞斯(E·Routh)找到了根據微分方程的系數判別系統穩定性的方法,這就是自動控制理論中有名的勞斯判據。

    1876年,俄國的維斯聶格拉斯基(J·A·Vyschnegradsky)結合實際的蒸汽機研制,解決了如何選擇參數才能使其轉速穩定的問題。當時的研制者由于找不到問題所在,已經準備放棄了。

    1895年,德國的霍爾維茨(A·Hurwitz)在解決瑞士達沃斯電廠一個蒸汽機的調速系統的設計時,就使用了穩定性理論。他同時也獨立地提出了霍爾維茨判據,霍爾維茨當時是蘇黎世工業大學的數學教授,也做過愛因斯坦的數學老師。

    20世紀,通信技術、電子技術開始發展。同時戰爭、工業也成為了推動力,自動控制技術與自動控制理論開始快速發展。

    1927年美國貝爾實驗室的布萊克(H·Black)利用負反饋原理設計了電子管放大器,解決了電話長距離傳輸時信號畸變的問題。解決了信號畸變問題以后,又出現了放大器振蕩引起聲音尖叫的現象(即系統不穩定),由于微分方程的階次往往很高(通常高達50階),Routh判據變得不夠實用。

    而貝爾實驗室具有通信背景的工程師們往往很熟悉頻域方法。1932年出生在瑞典后來移民美國的奈奎斯特(H·Nyquist)發表論文,采用圖形的方法來判斷系統的穩定性。在其基礎上伯德(H·W·Bode)等人建立了一套在頻域范圍設計反饋放大器的方法。這套方法,后來也用于自動控制系統的分析與設計。

    與此同時,反饋控制原理開始應用于工業過程。1936年英國的考倫德(A·Callender)和斯蒂文森(A·Stevenson)等人給出了 PID控制器的方法。PID(P,Proportional,比例;I,Integrative,積分;D,Derivative,微分)控制是在自動控制技術中占有非常重要地位的控制方法。PID控制的含義是,將經過反饋后得到的誤差信號分別進行比例、積分和微分運算后再疊加得到控制器輸出信號。這種控制方式適合相當多的被控對象,目前仍然廣泛地運用于多數自動控制系統。
    1942年哈里斯(H·Harris)引入了傳遞函數的概念。1948年伊萬斯(W·R·Evans)在進行飛機導航和控制時,在應用頻域方法時遇到了困難,因此他又回到特征方程的思路上并提出了根軌跡法。

    1948年,數學家維納(N·Wiener)《控制論》(CYBERNETICS)一書的出版,標志著控制論的正式誕生。這本書的出版被認為是自動控制科學的一個里程碑。

    在這段時間,自動控制理論的主要數學工具是微分方程、復變函數和拉普拉斯氏變換。

    就這樣,在20世紀50年代前后,一種在系統分析設計時,運用頻率域方法(經典控制理論)、采用PID控制方法,運用模擬電子技術(主要是電子管和交磁放大機)構成控制器的自動控制技術已經基本形成。值得一提的是,戰爭(火炮控制、飛機飛行控制、雷達控制等)、通信、工業成為了自動控制技術的主要推動力。

    20世紀50年代到60年代,隨著第二次世界大戰的結束、冷戰的開始,東西方陣營開始在航天和航空領域進行競爭,提出了飛機、導彈和航天器的控制問題。在飛機或火箭具有有限的燃料的條件下,如何控制航天器、飛行器的運動軌跡,并做到節省燃料、縮短飛行時間等問題推動了最優控制理論的發展。

    在這個時期,眾多的數學家投入自動控制理論的研究。自動控制科學家從力學中引進了狀態空間的概念。蘇聯數學家龐特利亞金提出了極大值原理。美國數學家貝爾曼(R·Bellman)討論了應用動態規劃理論解決有約束的最優控制問題。匈牙利裔的美國數學家卡爾曼(R·E·Kalman)建立了基于線性二次型性能指標的最優控制問題并提出Kalman濾波理論。在這段時間,自動控制理論的主要數學工具是一次微分方程組、矩陣論、泛函分析、狀態空間法等等;主要方法是變分法、極大值原理、動態規劃理論等;重點是最優控制、隨機控制和自適應控制。在技術上還是以電子管構成的電路為主;但是電子計算機開始出現,晶體管開始進入實用階段。人們普遍認為,自動控制理論開始進入“現代控制理論”的階段。

    20世紀70年代到90年代中期,由于民用工業發展的推動,自動控制技術在進一步發展。工作機床(車床、銑床、刨床、磨床)、軋鋼機等設備的傳動控制(位置、轉速);煉油過程、化工過程、動力(鍋爐)、制藥、食品等工業對自動控制技術提出了新的要求。由于大規模的工業過程往往存在非線性、大滯后、多變量、時變、不確定性等問題,人們發現,將狀態空間理論運用在復雜工業控制中,效果卻遠遠比不上在航空、航天控制中。之所以這樣,是因為地面工業的被控制對象往往十分復雜,其準確的數學模型是很難得到的。

    這樣,根據被控對象輸入、輸出數據構造模型的方法得到了發展,這也稱為系統辨識。同時,自動控制科學家也在研究各種新型控制方法(也叫控制算法);自適應控制、自校正控制、魯棒控制、變結構控制、非線性系統控制、預測控制、智能控制、模糊控制、多變量控制、解耦控制等方法紛紛出現。

    在應用上,主要還是將被控制對象考慮成線性的、單變量的,采用PID控制為主(但是在石油、化工行業開始采用預測控制)。主要使用運算放大器(一種半導體器件)來構成模擬的控制器。電子計算機開始在一些發達國家的大型企業應用。
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