自動化技術(shù)的形成標(biāo)志著工業(yè)控制論的誕生

自動化作為一個現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域，是從本世紀(jì)四十年代中期開始形成的。其實，要探索自動機(jī)械的歷史，可以追溯到古代。早在三千多年前，我國就發(fā)明了“銅壺誠漏”的自動計時裝置。大約在兩千年前，發(fā)明了自動記錄行程的“記里鼓車”和自動指示方向的“指南車”。東漢張衡利用銅壺滴漏裝置制成了水力天文儀，北宋蘇頌又在此基礎(chǔ)上增加了一個相當(dāng)于自動調(diào)節(jié)器的天衡裝置，該裝置對銅壺滴漏中的受水壺作了改進(jìn)，使得36個均勻分布的受水壺所盛之水均保持一定重量，從而使天衡裝置內(nèi)的機(jī)構(gòu)盡可能保持恒定的轉(zhuǎn)速，以提高水力天文儀的精度。

用今天目動化的觀點來看，銅壺滴漏裝置屬于自動檢測或參數(shù)恒定系統(tǒng)，指南車是自動定向系統(tǒng)，天衡裝置則是個自動調(diào)節(jié)器，而張衡利用齒輪系、桿、凸輪傳動機(jī)構(gòu)，完成一系列的順序動作，來自動表示水力天文儀上的每個月的日期，則屬于程序控制的范疇。十八世紀(jì)中葉蒸汽機(jī)問世后，蒸汽機(jī)的控制問題成為其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。1784年英國瓦特采用了能自動調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器，才使蒸汽機(jī)成為安全實用的動力裝置，得到了廣泛的應(yīng)用，1829年法國數(shù)學(xué)家蓬斯萊制造了一種按擾動調(diào)節(jié)原理工作的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

1874年俄國工程師契柯列夫提出并在實際上應(yīng)用了作為現(xiàn)代電機(jī)自動調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的調(diào)整方法，開始應(yīng)用了按調(diào)節(jié)量偏差和按擾動進(jìn)行調(diào)節(jié)的原理。與此同時，麥克斯韋在離心式調(diào)速器應(yīng)用了幾十年的基礎(chǔ)上，總結(jié)出調(diào)速器的一些理論。由于對蒸汽機(jī)控制的實踐，1877年英國的勞斯和德國的赫爾維茨提出了至今還在用的系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。他們方法的優(yōu)點是，只需根據(jù)系統(tǒng)的特征方程式的系數(shù)，應(yīng)用代數(shù)方法就能判別自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必求出其特征根。

至此，自動裝置隨著生產(chǎn)的需要，初步積累了一些設(shè)計、應(yīng)用的經(jīng)驗，也逐步建立了一些自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，孕育著控制技術(shù)的迅速發(fā)展。二十世紀(jì)自動控制技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并開始形成為一個現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。通常，設(shè)計控制系統(tǒng)的首要要求就是穩(wěn)定性，要求系統(tǒng)在各種不利因素的影響下能保持預(yù)定的工作狀態(tài)。繼勞斯和赫爾維茨提出了穩(wěn)定性判據(jù)之后，李雅普諾夫在力學(xué)中廣泛研究了運動的穩(wěn)定性問題，所提出的理論和方法，在自動控制理論中得到了廣泛應(yīng)用，至今仍未失其作用。

在上述理論與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，1923年英國希維賽德為了簡化控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，提出了算子法。瑞典的尼魁斯特于1932年研制了電子管振蕩器，提出以傳遞函數(shù)為依據(jù)的穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則。由于組成控制系統(tǒng)的各個部件的頻率特性的數(shù)據(jù)通?？捎脤嶒灧椒▉泶_定，因而形成尼氏法的一大優(yōu)點。蘇聯(lián)的米哈依洛夫第一個應(yīng)用頻率法來研究調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，提供了以應(yīng)用柯西幅角原理為基礎(chǔ)的線性目動調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)，把自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)環(huán)節(jié)按動態(tài)特性加以典型化作為進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。

四十年代中，美國的伊文思提出了一種找特征方程的根的簡單圖解方法，即所謂“根軌跡法”，這是一個研究特征方程的根與系統(tǒng)中某一參數(shù)關(guān)系的圖解方法，彌補了上述尼氏法不能確定系統(tǒng)可以穩(wěn)定到何種程度的缺點，特別適用于迅速獲知系統(tǒng)的響應(yīng)，并可使設(shè)計者能夠了解滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)可以達(dá)到何種程度的近似結(jié)果。1945年美國伯德總結(jié)了負(fù)反饋放大器原理，出版了《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計》一書，利用對數(shù)頻率特性，形成了尼魁斯特—伯德法。

戰(zhàn)后陸續(xù)公開了這些理論并推廣應(yīng)用于一般工業(yè)生產(chǎn)。如，由美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家詹姆斯、工程師尼克爾斯和數(shù)學(xué)家非利浦于1947年出版的《伺服機(jī)構(gòu)原理》一書，系統(tǒng)總結(jié)了戰(zhàn)時共同研究的成果，從而促進(jìn)了向民用工業(yè)的移植。在實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的進(jìn)程中，除需要了解被控對象的特性外，往往也需要了解人在控制生產(chǎn)過程中的作用，以便有所借鑒，研制出具有相應(yīng)作用的自動檢測儀表、自動調(diào)節(jié)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而模仿或代替人的視覺、思維判斷以及手和腳的若干功能，以自動控制取代人工控制。

此外，由于一些自動化系統(tǒng)還需要人參與操縱、調(diào)度、管理，對于這種人一機(jī)系統(tǒng)，既要研究人，又要研究機(jī)器，特別是要研究人和機(jī)器的信息交換和控制過程，而且要研究自動機(jī)器與生勃機(jī)體之間存在著的共同規(guī)律，因而一門以數(shù)學(xué)為紐帶，把研究自動控制、通訊、計算技術(shù)等工程技術(shù)與生物科學(xué)中神經(jīng)系統(tǒng)的生理和病理等學(xué)科共同關(guān)心的共性問題，提煉出來而形成的邊緣學(xué)科—控制論誕生了。其標(biāo)志是1949年出版的維納的《控制論》，該書揭示了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律。

與此同時，美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家，當(dāng)時在貝爾實驗室工作的申農(nóng)發(fā)表了《通訊的數(shù)學(xué)理論》，宣告了信息論的誕生。這也主要是由于第二次世界大戰(zhàn)后，一部分?jǐn)?shù)學(xué)工作者和電子學(xué)工作者，總結(jié)了多年來通訊系統(tǒng)的豐富實踐和二次大戰(zhàn)中得到迅速發(fā)展的雷達(dá)系統(tǒng)的實踐，加以提高而創(chuàng)立的一門研究各種信息傳輸系統(tǒng)共同規(guī)律的學(xué)科，它的高度概括性和聯(lián)系多種學(xué)科的廣泛性，對自動控制理論的形成，起了有力的促進(jìn)作用。在上述成果和其他有關(guān)理論基礎(chǔ)上，經(jīng)典控制理論漸趨成熟，它大大促進(jìn)了自動化技術(shù)的發(fā)展，至此，逐漸形成了自動化學(xué)科。