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自动化技术发展史:可追溯到汉朝-_9

2019-06-17 14:08编辑:admin人气:


  自动化的渊源,可以一直追溯到两千多年以前。我国汉朝时期,就有了指南车。

  公认的自动化技术的起源,还是18世纪前后(大约在1788年)。随着工业革命在英国的出现,对动力的需求大增;因此出现了蒸汽机。人们在使用蒸汽机的时候,就发现保持其转速的稳定是一个大问题,为此发明了飞球转速控制器(也叫离心调速器)。

  可是,光有飞球控制器有时还是不能解决问题。人们很快发现,有的蒸汽机的飞球调速器投入运行后,蒸汽机的转速就产生周期性的大幅度波动,无法正常工作。用现在的话来说,就是系统不稳定。那个时候,人们还没有系统的概念,也没有反馈的概念,无法从理论上解释这种不稳定现象;人们就反复地在蒸汽机的制造工艺上盲目地摸索,努力减小摩擦,调整弹簧等等。这种情况持续了大约一个世纪之久,直到19世纪末,自动控制理论诞生以后,自动控制技术才得以在科学理论的指导下发展和提高。

  蒸汽机转速的不稳定问题引起了许多科学家的注意。1868年,建立了电磁波理论的英国物理学家麦克斯韦尔(JCMaxwell),把蒸汽机的调速过程变成了一个线性微分方程的问题。他指出,如果对应的微分方程特征值在复平面的左半平面,系统就是稳定的;反之,如果对应的微分方程特征值在复平面的右半平面,系统就是不稳定的,蒸汽机的转速就会产生波动。

  1877年,麦克斯韦尔的学生劳斯(ERouth)找到了根据微分方程的系数判别系统稳定性的方法,这就是自动控制理论中有名的劳斯判据。

  1876年,俄国的维斯聂格拉斯基(JAVyschnegradsky)结合实际的蒸汽机研制,解决了如何选择参数才能使其转速稳定的问题。当时的研制者由于找不到问题所在,已经准备放弃了。

  1895年,德国的霍尔维茨(AHurwitz)在解决瑞士达沃斯电厂一个蒸汽机的调速系统的设计时,就使用了稳定性理论。他同时也独立地提出了霍尔维茨判据,霍尔维茨当时是苏黎世工业大学的数学教授,也做过爱因斯坦的数学老师。

  20世纪,通信技术、电子技术开始发展。同时战争、工业也成为了推动力,自动控制技术与自动控制理论开始快速发展。

  1927年美国贝尔实验室的布莱克(HBlack)利用负反馈原理设计了电子管放大器,解决了电话长距离传输时信号畸变的问题。解决了信号畸变问题以后,又出现了放大器振荡引起声音尖叫的现象(即系统不稳定),由于微分方程的阶次往往很高(通常高达50阶),Routh判据变得不够实用。

  而贝尔实验室具有通信背景的工程师们往往很熟悉频域方法。1932年出生在瑞典后来移民美国的奈奎斯特(HNyquist)发表论文,采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上伯德(HWBode)等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法,后来也用于自动控制系统的分析与设计。

  与此同时,反馈控制原理开始应用于工业过程。1936年英国的考伦德(ACallender)和斯蒂文森(AStevenson)等人给出了 PID控制器的方法。PID(P,Proportional,比例;I,Integrative,积分;D,Derivative,微分)控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。PID控制的含义是,将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再叠加得到控制器输出信号。这种控制方式适合相当多的被控对象,目前仍然广泛地运用于多数自动控制系统。

  1942年哈里斯(HHarris)引入了传递函数的概念。1948年伊万斯(WREvans)在进行飞机导航和控制时,在应用频域方法时遇到了困难,因此他又回到特征方程的思路上并提出了根轨迹法。

  1948年,数学家维纳(NWiener)《控制论》(CYBERNETICS)一书的出版,标志着控制论的正式诞生。这本书的出版被认为是自动控制科学的一个里程碑。

  在这段时间,自动控制理论的主要数学工具是微分方程、复变函数和拉普拉斯氏变换。

  就这样,在20世纪50年代前后,一种在系统分析设计时,运用频率域方法(经典控制理论)、采用PID控制方法,运用模拟电子技术(主要是电子管和交磁放大机)构成控制器的自动控制技术已经基本形成。值得一提的是,战争(火炮控制、飞机飞行控制、雷达控制等)、通信、工业成为了自动控制技术的主要推动力。

  20世纪50年代到60年代,随着第二次世界大战的结束、冷战的开始,东西方阵营开始在航天和航空领域进行竞争,提出了飞机、导弹和航天器的控制问题。在飞机或火箭具有有限的燃料的条件下,如何控制航天器、飞行器的运动轨迹,并做到节省燃料、缩短飞行时间等问题推动了最优控制理论的发展。

  在这个时期,众多的数学家投入自动控制理论的研究。自动控制科学家从力学中引进了状态空间的概念。苏联数学家庞特利亚金提出了极大值原理。美国数学家贝尔曼(RBellman)讨论了应用动态规划理论解决有约束的最优控制问题。匈牙利裔的美国数学家卡尔曼(REKalman)建立了基于线性二次型性能指标的最优控制问题并提出Kalman滤波理论。在这段时间,自动控制理论的主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、泛函分析、状态空间法等等;主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等;重点是最优控制、随机控制和自适应控制。在技术上还是以电子管构成的电路为主;但是电子计算机开始出现,晶体管开始进入实用阶段。人们普遍认为,自动控制理论开始进入现代控制理论的阶段。

  20世纪70年代到90年代中期,由于民用工业发展的推动,自动控制技术在进一步发展。工作机床(车床、铣床、刨床、磨床)、轧钢机等设备的传动控制(位置、转速);炼油过程、化工过程、动力(锅炉)、制药、食品等工业对自动控制技术提出了新的要求。由于大规模的工业过程往往存在非线性、大滞后、多变量、时变、不确定性等问题,人们发现,将状态空间理论运用在复杂工业控制中,效果却远远比不上在航空、航天控制中。之所以这样,是因为地面工业的被控制对象往往十分复杂,其准确的数学模型是很难得到的。

  这样,根据被控对象输入、输出数据构造模型的方法得到了发展,这也称为系统辨识。同时,自动控制科学家也在研究各种新型控制方法(也叫控制算法);自适应控制、自校正控制、鲁棒控制、变结构控制、非线性系统控制、预测控制、智能控制、模糊控制、多变量控制、解耦控制等方法纷纷出现。

  在应用上,主要还是将被控制对象考虑成线性的、单变量的,采用PID控制为主(但是在石油、化工行业开始采用预测控制)。主要使用运算放大器(一种半导体器件)来构成模拟的控制器。电子计算机开始在一些发达国家的大型企业应用。

(来源:未知)

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