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自動化技術史

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廣義的自動化,是指在人類的生產、生活和管理的一切過程中,通過採用一定的技術裝置和策略,使得僅用較少的人工干預甚至做到沒有人工干預,就能使系統達到預期目的的過程,從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動,提高了工作效率、效益和效果。由此可見,自動化涉及到人類活動的幾乎所有領域,因此,自動化是人類自古以來永無止境的夢想和追求目標。

1 自動化技術史 -自動化技術史

 

2 自動化技術史 -正文

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引言
自動裝置的出現和應用(18世紀以前)
  古代自動裝置
  近代自動裝置
自動化技術形成時期(18世紀末~20世紀30年代)
  自動調節器的廣泛應用
 自動調節器的穩定性問題
 反饋控制和頻率法
 程序控制和自動機
 經典控制理論的誕生
局部自動化時期(20世紀40~50年代)
  經典控制理論的形成和發展
 局部自動化的廣泛應用
 電子數字計算機的發明
綜合自動化時期(20世紀50年代末起至今)
  現代控制理論的形成和發展
 系統辨識、建模與模擬
 自適應控制和自校正調節器 
  遙測、遙控和遙感
 綜合自動化
 大系統理論的誕生
 人工智慧和模式識別
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     引 言


  自古以來,人類就有創造自動裝置以減輕或代替人勞動的想法。自動化技術的產生和發展經歷了漫長的歷史過程。古代中國的銅壺滴漏(簡稱漏壺)、指南車以及17世紀歐洲出現的鐘錶和風磨控制裝置,雖然都是毫無聯繫的發明,但對自動化技術的形成卻起到了先導作用。
  自動化技術的發展歷史,大致可以劃分為自動化技術形成、局部自動化和綜合自動化三個時期。
  社會的需要是自動化技術發展的動力。自動化技術是緊密圍繞著生產、軍事設備的控制以及航空航天工業的需要而形成和發展起來的。1788年,J.瓦特為了解決工業生產中提出的蒸汽機的速度控制問題,把離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來,構成蒸汽機轉速調節系統,使蒸汽機變為既安全又實用的動力裝置。瓦特的這項發明開創了自動調節裝置的研究和應用。在解決隨之出現的自動調節裝置的穩定性的過程中,數學家提出了判定系統穩定性的判據,積累了設計和使用自動調節器的經驗。
  20世紀40年代是自動化技術和理論形成的關鍵時期,一批科學家為了解決軍事上提出的火炮控制、魚雷導航、飛機導航等技術問題,逐步形成了以分析和設計單變數控制系統為主要內容的經典控制理論與方法。機械、電氣和電子技術的發展為生產自動化提供了技術手段。1946年,美國福特公司的機械工程師D.S.哈德首先提出用自動化一詞來描述生產過程的自動操作。1947年建立第一個生產自動化研究部門。1952年J.迪博爾德第一本以自動化命名的《自動化》一書出版,他認為「自動化是分析、組織和控制生產過程的手段「。實際上,自動化是將自動控制用於生產過程的結果。50年代以後,自動控制作為提高生產率的一種重要手段開始推廣應用。它在機械製造中的應用形成了機械製造自動化;在石油、化工、冶金等連續生產過程中應用,對大規模的生產設備進行控制和管理,形成了過程自動化。電子計算機的推廣和應用,使自動控制與信息處理相結合,出現了業務管理自動化。
  50年代末到60年代初,大量的工程實踐,尤其是航天技術的發展,涉及大量的多輸入多輸出系統的最優控制問題,用經典的控制理論已難於解決,於是產生了以極大值原理、動態規劃和狀態空間法等為核心的現代控制理論。現代控制理論提供了滿足發射第一顆人造衛星的控制手段,保證了其後的若干空間計劃(如導彈的制導、航天器的控制)的實施。控制工作者從過去那種只依據傳遞函數來考慮控制系統的輸入輸出關係,過渡到用狀態空間法來考慮系統內部結構,是控制工作者對控制系統規律認識的一個飛躍。
  60年代中期以後,現代控制理論在自動化中的應用,特別是在航空航天領域的應用。產生一些新的控制方法和結構,如自適應和隨機控制、系統辨識、微分對策、分佈參數系統等。與此同時,模式識別和人工智慧也發展起來,出現了智能機器人和專家系統。現代控制理論和電子計算機在工業生產中的應用,使生產過程式控制制和管理向綜合最優化發展。
  70年代中期,自動化的應用開始面向大規模、複雜的系統,如大型電力系統、交通運輸系統、鋼鐵聯合企業、國民經濟系統等,它不僅要求對現有系統進行最優控制和管理,而且還要對未來系統進行最優籌劃和設計,運用現代控制理論方法已不能取得應有的成效,於是出現了大系統理論與方法。80年代初,隨著計算機網路的迅速發展,管理自動化取得較大進步,出現了管理信息系統、辦公自動化、決策支持系統。與此同時,人類開始綜合利用感測技術、通信技術、計算機、系統控制和人工智慧等新技術和新方法來解決所面臨的工廠自動化、辦公自動化、醫療自動化、農業自動化以及各種複雜的社會經濟問題。研製出柔性製造系統、決策支持系統、智能機器人和專家系統等高級自動化系統。
  自動化技術的發展歷史是一部人類以自己的聰明才智延伸和擴展器官功能的歷史,自動化是現代科學技術和現代工業的結晶,它的發展充分體現了科學技術的綜合作用。
      

自動裝置的出現和應用


     

   (18世紀以前)


  古代人類在長期生產和生活中,為了減輕自己的勞動,逐漸產生利用自然界動力代替人力畜力,以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動的願望,經過漫長歲月的探索,他們互不相關地造出一些原始的自動裝置。
  古代自動裝置  公元前14~前11世紀,中國、埃及和巴比倫出現了自動計時裝置──漏壺,為人類研製和使用自動裝置之始。中國的漏壺最初使用泄水型漏壺,後來採用受水型漏壺,經過不斷改進,又發展成三級漏壺。1135年,中國的燕肅在一種名叫蓮化漏的三級漏壺中採用了自動裝置調節液位。在中國的三國時期,使用了自動指向的指南車,據分析這是利用開環或閉環原理製成的自動裝置。
  公元 1世紀古埃及和希臘的發明家也創造了一些機器人或機器動物來適應當時宗教活動的需要。如教堂廟門自動開啟、銅祭司自動灑聖水、投幣式聖水箱和教堂門口自動鳴叫的青銅小鳥等自動裝置。
  中國天文學家張衡(公元 78~139)曾經發明了對天體運行情況自動模擬的漏水轉渾天儀和自動檢測地震徵兆的候風地動儀。1086~1092年中國蘇頌等人把渾儀(天文觀測儀器)、渾象(天文表演儀器)和自動計時裝置結合在一起建成了水運儀象台。
  近代自動裝置  17世紀以來,隨著生產的發展,在歐洲的一些國家相繼出現了多種自動裝置,其中比較典型的有:法國物理學家B.帕斯卡在1642年發明能自動進位的加法器;荷蘭機械師C.惠更斯於1657年發明鐘錶,提出鐘擺理論,利用錐形擺作調速器;英國機械師E.李1745年發明帶有風向控制的風磨,利用尾翼來使主翼對準風向;俄國機械師И.И.波爾祖諾夫1765年發明浮子閥門式水位調節器,用於蒸汽鍋爐水位的自動控制。
    

   自動化技術形成時期

     (18世紀末~20世紀30年代)


  自動化技術史1788年英國機械師J.瓦特發明離心式調速器(又稱飛球調速器),並把它與蒸汽機的閥門連接起來,構成蒸汽機轉速的閉環自動控制系統(見圖)。瓦特的這項發明開創了近代自動調節裝置應用的新紀元,對第一次工業革命及後來控制理論的發展有重要影響。
  自動調節器的廣泛應用  在這一時期中,由於第一次工業革命的需要,人們開始採用自動調節裝置,來對付工業生產中提出的控制問題。這些調節器都是一些跟蹤給定值的裝置,使一些物理量保持在給定值附近。自動調節器應用標誌著自動化技術進入新的歷史時期。
  1854年俄國機械學家和電工學家К.И.康斯坦丁諾夫發明電磁調速器。1868年法國工程師J.法爾科發明反饋調節器,並把它與蒸汽閥連接起來,操縱蒸汽船的舵。他把這種自動控制的氣動船舵稱為伺服機構。到了20世紀20~30年代,美國開始採用 PID調節器。PID調節器是一種模擬式調節器,現在還有許多工廠採用這種調節器。
  自動調節器的穩定性問題  由於瓦特發明的離心式調速器有時會造成系統的不穩定,使蒸汽機產生劇烈的振蕩。到了19世紀又發現船舶上自動操舵機的穩定性問題。這就迫使一些數學家用微分方程來描述和分析系統的穩定性問題。1868年英國物理學家J.C.麥克斯韋發表《論調速器》的文章,總結了無靜差調速器的理論。1876年俄國機械學家И.А.維什涅格拉茨基在法國科學院院報上發表《論調節器的一般理論》的文章,進一步總結了調節器的理論。維什涅格拉茨基用攝動理論使調節問題大為簡化。他用線性微分方程來描述整個系統(調節器與被調對象組成的系統),把問題變成只要研究齊次方程的通解所決定的運動情況,使調節系統的動態特性僅決定於兩個參量。由此推得系統的穩定條件,把參量平面劃分成穩定域和不穩定域(后稱維什涅格拉茨基圖)。1877年英國數學家E.J.勞思提出代數穩定判據,即著名的勞思穩定判據。1895年德國數學家A.胡爾維茨提出代數穩定判據的另一種形式,即著名的胡爾維茨穩定判據。勞思-胡爾維茨穩定判據是當時能事先判定調節器穩定性的重要判據。1892年俄國數學家А.М.李雅普諾夫發表《論運動穩定性的一般問題》的專著,從數學方面給運動穩定性的概念下了嚴格的定義,並研究出解決穩定性問題的兩種方法。李雅普諾夫第一法又稱一次近似法,明確了用線性微分方程分析穩定性的確切適用範圍。李雅普諾夫第二法又稱直接法,不僅可以用來研究無窮小偏移時的穩定性(小範圍內的穩定性),而且可以用來研究一定限度偏移下的穩定性(大範圍內的穩定性)。李雅普諾夫穩定性理論至今仍是分析系統穩定性的重要方法。
  反饋控制和頻率法  進入20世紀以後,工業生產中廣泛應用各種自動調節裝置,促進了對調節系統進行分析和綜合的研究工作。這一時期雖然在自動調節器中已廣泛應用反饋控制的結構,但從理論上研究反饋控制的原理則是從20世紀20年代開始的。1927年美國貝爾電話實驗室的電氣工程師H.S.布萊克在解決電子管放大器失真問題時首先引入反饋的概念。
  1925年英國電氣工程師O.亥維賽把拉普拉斯變換應用到求解電網路的問題上,提出了運算微積。不久拉普拉斯變換就被應用到分析自動調節系統的問題上,並取得了顯著成效。傳遞函數就是在拉普拉斯變換的基礎上引入的描述線性定常系統或線性元件的輸入輸出關係的函數,是分析自動調節系統的重要工具。在傳遞函數基礎上發展起來的頻率響應的方法即頻率法已成為經典控制理論中分析和綜合自動調節系統的重要方法。1932年美國電信工程師H.奈奎斯特提出著名的奈奎斯特穩定判據,可以直接根據系統的傳遞函數來判定反饋系統的穩定性。1938年蘇聯電氣工程師A.B.米哈伊洛夫應用頻率法來研究自動調節系統的穩定性,提出著名的米哈伊洛夫穩定判據。
  程序控制和自動機  1833年英國數學家C.巴貝奇在設計分析機時首先提出程序控制的原理。他想用法國發明家J.M.雅卡爾設計的編織地毯花樣用的穿孔卡方法來實現分析機的程序控制。1936年英國數學家A.M.圖靈提出著名的圖靈機,用來定義可計算函數類,建立了演算法理論和自動機理論。1938年美國電氣工程師C.E.香農和日本數學家中島,以及1941年蘇聯科學家В.И.舍斯塔科夫,分別獨立地建立了邏輯自動機理論,用僅有兩種工作狀態的繼電器組成了邏輯自動機,實現了邏輯控制。
  經典控制理論的誕生   1922年 N.米諾爾斯基發表《關於船舶自動操舵的穩定性》,1934年美國科學家H.L.黑曾發表《關於伺服機構理論》,1934年蘇聯科學家И.Н.沃茲涅先斯基提出《自動調節理論》,1938年蘇聯電氣工程師A.B.米哈伊洛夫提出《頻率法》。這些論文標誌著經典控制理論的誕生。1939年蘇聯科學院成立自動學和遠動學研究所(1969年改名為控制問題研究所)。同年美國麻省理工學院建立伺服機構實驗室。這是世界上第一批系統與控制的專業研究機構,為20世紀40年代形成經典控制理論和發展局部自動化作了理論上和組織上的準備。
         

局部自動化時期


   

     (20世紀40~50年代)


  第二次世界大戰時期形成的經典控制理論對戰後發展局部自動化起了重要的促進作用。在第二次世界大戰期間,德國的空軍優勢和英國的防禦地位,迫使美國、英國和西歐各國科學家集中精力解決了防空火力控制系統和飛機自動導航系統等軍事技術問題。在解決這些問題的過程中形成了經典控制理論,設計出各種精密的自動調節裝置,開創了系統和控制這一新的科學領域。
  經典控制理論的形成和發展  這一新的學科當時在美國稱為伺服機構理論,在蘇聯稱為自動調整理論,主要是解決單變數的控制問題。經典控制理論這個名稱是1960年在第一屆全美聯合自動控制會議上提出來的。在這次會議上把系統與控制領域中研究單變數控制問題的學科稱為經典控制理論,研究多變數控制問題的學科稱為現代控制理論。當時在分析和設計反饋伺服系統時廣泛採用傳遞函數和頻率響應的概念。最常用的方法是奈奎斯特法(1932)、波德法(1945)和埃文斯法(1948)。埃文斯法又稱根軌跡法,是美國電信工程師W.R.埃文斯於1948年提出來的。在20世紀30~40年代為適應單變數調節和隨動系統的設計而發展起來的頻率法奠定了經典控制理論的基礎,後來頻率法成為分析和設計線性自動控制系統的主要方法。這種方法不僅能定性地判明設計方向,而且它本身就是近似計算的簡便工具。因此,對於在很大程度上仍然需要依靠經驗和嘗試的控制系統的工程設計問題來說,這種方法是特別有效和特別受歡迎的。
  1945年後由於戰時出版禁令的解除,出現了系統闡述經典控制理論的著作。1945年美國電信工程師H.W.波德發表專著《網路分析和反饋放大器設計》。同年,美國電信工程師L.A.麥科爾發表第一本關於經典控制理論的專著《伺服機構的基本理論》。1947年美國麻省理工學院的物理學家H.M.詹姆斯、電信工程師N.B.尼科爾斯和數學家R.S.菲利普斯三人合著的第一本經典控制理論的教材《伺服機構理論》正式出版。從20世紀40年代末開始在美國和西歐的一些大學里給工科專業的大學生和研究生開設伺服機構理論的課程,在蘇聯的工業大學里則開設自動調節理論的課程。到了50年代在一些大學的電氣工程系裡設有自動化方面的專業,專門培養系統與控制方面的人才。
  1945年美國數學家N.維納把反饋的概念推廣到一切控制系統。1946年由美國生理學家W.S.麥卡洛克倡議在紐約召開關於反饋作用的跨學科科學討論會。1948年維納發表《控制論》一書,為控制論奠定了基礎。同年,美國電信工程師C.E.香農發表《通信的數學理論》,為資訊理論奠定了基礎。維納和香農從控制和信息這兩個側面來研究系統的運動,維納還從信息的觀點來研究反饋控制的本質。從此人們對反饋和信息有了較深刻的理解。1954年中國系統科學家錢學森全面地總結了經典控制理論,並進一步把它提高到更高的理論高度上,在美國出版《工程式控制制論》一書。工程式控制制論的目的是研究控制論這門科學中能夠直接用在工程上設計受控系統的那些部分。工程式控制制論使我們有可能有更廣闊的眼界用更系統的方法來觀察有關的問題,因而往往可以得到解決舊問題的更有效的新方法,還可能揭示新的以前沒有看到過的前景。
  50年代以後,經典控制理論有了許多新的發展。1951年蘇聯科學家Я.З.齊普金提出了脈衝系統(一種離散時間系統)的分析和設計方法。1952年美國哥倫比亞大學教授J.R.拉加齊尼領導的一個小組詳細研究了採樣系統(一種離散時間系統)的分析和設計方法。與此同時,一些歷史上早已提出的問題又得到了新的研究。如1938年C.E.香農等人提出的邏輯控制,1943年И.Н.沃茲涅先斯基提出的協調控制,1941年蘇聯數學家A.H.柯爾莫戈羅夫和美國數學家N.維納分別獨立研究出來的最優線性濾波器,1951年美籍中國科學家李耀滋等人提出的自尋最優控制,1952年美籍匈牙利數學家J.von諾伊曼提出的冗餘技術,以及1952年英國精神病醫生W.R.阿什比提出的自鎮定和自適應等概念,逐漸滲入到控制理論的研究中來。高速飛行、核反應堆、大電力網和大化工廠提出的新的控制問題,促使一些科學家對非線性系統、繼電系統、時滯系統、時變系統、分佈參數系統和有隨機輸入的系統的控制問題進行了深入的研究。經典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰中軍事技術上的需要和戰後工業發展上的需要。但是到了50年代末就發現把經典控制理論的方法推廣到多變數系統時會得出錯誤的結論。經典控制理論的方法有其局限性。
  局部自動化的廣泛應用  戰後在工業控制上已廣泛應用PID調節器,並用模擬電子計算機來研究和實現這種調節器的功能。與此同時,工業控制中開始應用由繼電器構成的邏輯控制器,出現了程序控制。局部自動化(即單個過程或單個機器的自動化)得到了迅速的發展。在工廠中可以看到各種各樣的自動調節裝置或自動控制裝置。這種裝置一般都可以分裝兩個機櫃。一個機櫃裝各種PID調節器,另一個機櫃則裝許多繼電器和接觸器,作起動、停止、聯鎖和保護之用。當時大部分PID調節器是電動的或機電的,也有氣動的和液壓的(直到1958年才引入第一代電子控制系統),因而在結構上顯得相當複雜,控制速度和控制精度都有一定的局限性,可靠性也不是很理想的。現在在許多工廠中還可以看到這種模擬式調節器。
  生產自動化的發展促進了自動化儀錶的進步,出現了測量生產過程的溫度、壓力、流量、物位、機械量等參數的測量儀錶。最初的儀錶大多屬於機械式的測量儀錶,一般只作為主機的附屬部件被採用,結構簡單,功能單一。20世紀30年代末至40年代初,出現了氣動儀錶,統一了壓力信號,研製出氣動單元組合儀錶。50年代出現了電動式的動圈式毫伏計、電子電位差計和電子測量儀錶,電動式和電子式的單元組合式儀錶。
  電子數字計算機的發明  20世紀40年代中發明的電子數字計算機開創了數字程序控制的新紀元,雖然當時還局限於自動計算方面,但為60~70年代自動化技術的飛速發展奠定了基礎。 1925年美國麻省理工學院的 V.布希領導的一個研究小組設計製造第一台大型模擬計算機──微分分析器,可以用來解常微分方程。第一代樣機是純機械式的。第二代樣機是機電式的,於1942年完成,在第二次世界大戰期間被廣泛用於計算炮擊表。布希的微分分析器開創了機器計算的新時代。1939~1944年間美國哈佛大學的物理學家H.艾肯在美國商業機器公司 (IBM)的支持下用普通的電話繼電器研製成功世界上第一台程序控制的通用數字計算機,稱為自動順序控制計算器「馬克Ⅰ「。這台機電式的通用數字計算機於1944年在哈佛投入運行,可以自動按照程序員編製的一系列指令進行運算。指令由穿孔紙帶送入計算機,在執行指令時參加運算的數放在寄存器內。「馬克Ⅰ「開創了程序控制的新紀元。1943~1946年美國賓夕法尼亞大學莫爾電工學院的電氣工程師J.P.埃克脫和物理學家J.W.莫奇利為美國陸軍軍械部研製世界上第一台電子數字計算機──電子數字積分和自動計算器(ENIAC)。ENIAC於1945年11月製成,1946年2月正式公開表演。它用了18000個電子管,重30噸,佔地1500平方英尺。裝在美國馬里蘭州亞伯丁武器試驗場的彈道實驗室。參加ENIAC研究工作的普林斯頓高級研究所的美籍匈牙利數學家 J.von諾伊曼和賓夕法尼亞大學的戈德斯坦合寫過一份總結報告,標題是《關於電子計算機的邏輯設計的初步討論》,在這份報告中提出了存儲程序的設想。這份報告於1946年6月28日由美國陸軍軍械部出版。1950年賓夕法尼亞大學莫爾小組研製成功第二台存儲程序式電子數字計算機──離散變數電子自動計算機 (EDVAC)。這台計算機也裝備在亞伯丁武器試驗場的彈道實驗室。ENIAC和EDVAC的製造成功,開創了電子數字程序控制的新紀元。電子數字計算機的發明為60~70年代在控制系統中廣泛應用程序控制和邏輯控制以及廣泛應用電子數字計算機直接控制生產過程奠定了基礎。
        

綜合自動化時期


  

    (20世紀50年代末起至今)


  20世紀50年代末空間技術迅速發展,迫切需要解決多變數系統的最優控制問題。許多學者試圖把經典控制理論推廣到多變數系統的控制,都遭到了失敗。需要尋求新的理論和方法,於是誕生了現代控制理論。現代控制理論的形成和發展為綜合自動化奠定了理論基礎。在這一時期,微電子技術有了新的突破。1958年出現晶體管計算機,1965年出現集成電路計算機,1971年出現單片微處理機。微處理機的出現對控制技術產生了重大影響,控制工程師可以很方便地利用微處理機來實現各種複雜的控制,使綜合自動化成為現實。
  1957年 9月12日國際自動控制聯合會(IFAC)在巴黎召開成立大會。有18個國家的代表團出席了這次大會。中國是發起國之一。會上通過了大會的章程和細則,選舉美國自動控制專家H.切斯特納為IFAC第一屆主席。從1960年起每三年召開一次國際自動控制學術大會,並出版《自動學》、《IFAC通訊》等期刊,IFAC的成立標誌著自動控制這一學科已經成熟,通過國際合作來推動系統和控制領域的新發展。
  現代控制理論的形成和發展  1956年蘇聯數學家Л.С.龐特里亞金提出極大值原理。同年,美國數學家R.貝爾曼創立動態規劃。極大值原理和動態規劃為最優控制提供了理論工具。動態規劃還包含了決策最優化的基本原理,並發現了維數災難問題。1959年美國數學家R.E.卡爾曼提出著名的卡爾曼濾波器。卡爾曼濾波器是一種遞推濾波器,可直接從信號模型出發,用遞推的方法求最優線性濾波器的結構和最優增益,得到動態跟綜系統。卡爾曼濾波器適合於用電子計算機來實現,可用來解決隨機最優控制問題。1960年卡爾曼提出能控性和能觀測性兩個結構概念,揭示了線性系統許多屬性間的內在聯繫。卡爾曼還引入狀態空間法,提出具有二次型性能指標的線性狀態反饋律,給出最優調節器的概念。這些新概念和新方法的出現標誌著現代控制理論的誕生。控制的主要目標是解決多變數系統的最優控制問題,它主要是建立在狀態空間法(時域法)的基礎上。在1960年召開的第一屆全美聯合自動控制會議上確認了現代控制理論這一學科。
  20世紀60~70年代,現代控制理論得到很大的發展,確立了許多與狀態空間相聯繫的新概念,並引入許多新的數學方法,形成各種新的學派。60年代時域法在空間技術上獲得卓有成效的應用,但用到工業過程式控制制上卻遇到了障礙。其主要原因是難以得到受控對象的精確的數學模型,性能指標不能以明確的形式表達出來,直接採用最優控制和最優濾波的綜合方法所得到的控制器往往結構過於複雜,甚至無法實現。於是恢復了對頻域法的興趣。60年代中期卡爾曼就提出用頻域法描述最優控制問題。1969年英國曼徹斯特大學教授H.H.羅森布羅克發表著名論文《用逆奈奎斯特陣列法設計多變數控制系統》,開創了現代頻域法的新紀元。逆奈奎斯特陣列法(INA)的基本思想是:先在受控對象前面或後面加一個預補償器,來削弱各迴路間的關聯作用,使系統的開環傳遞函數矩陣成為對角優勢矩陣,因而系統的設計可簡化為若干單迴路系統的補償設計問題。1973年英國曼徹斯特大學教授D.Q.梅恩根據羅森布羅克的設計思想,結合波德的回差概念,提出序列回差法(SRD)。序列回差設計方法的特點是順序地每次閉合一個迴路,用經典頻域法計算反饋對整個閉環傳遞函數的影響,根據回差概念,順序迭代進行,逐步完成整個系統的設計。它不要求加預補償器,進行對角優勢處理,因而簡便直觀。1973年英國學者D.H.歐文斯把經典控制理論和狀態空間法結合起來提出並矢展開法,並用這種方法成功地分析了核反應堆模型。並矢展開法是用控制器直接補償受控對象的特徵傳遞函數,因而控制器結構簡單,易於實現。但此法有一定的局限性。1975年英國曼徹斯特大學教授A.G.J.麥克法蘭把經典控制理論中的波德-奈奎斯特法和狀態空間法結合起來提出特徵軌跡法。這種方法是通過變換求出特徵傳遞函數和特徵方向,用經典控制理論中的奈奎斯特穩定判據,由開環的特徵軌跡判定閉環系統的穩定性和整體特性,由特徵方向判定系統的關聯程度。因此這是一種比較完整的分析設計法,也是一種試湊法,設計者的經驗非常重要。現代頻域法已成功地用於石油、化工、造紙、原子反應堆、飛機發動機和自動駕駛儀等設備中多變數系統的分析和設計上,取得了令人滿意的結果。在控制系統計算機輔助設計程序包中現代頻域法也佔有重要地位。
  現代控制理論的迅速發展,使控制理論與數學緊密地聯繫在一起,成為應用數學的一個分支。1969年卡爾曼等人用模論創立了代數系統理論。1974年加拿大數學家W.M.旺納姆引入不變子空間的概念,創立了幾何系統理論。赫爾斯特朗等人提出的量子力學系統理論則具有完全不同的形式,很可能應用到激光那樣的系統中。現代控制理論變得相當複雜,使它的應用一度受到限制。因而從60年代末到70年代初開始出現控制系統計算機輔助設計(CADCS)。控制工程師可以利用CADCS軟體包藉助於電子計算機在短時間內設計出優良的控制系統。
  系統辨識、建模與模擬  現代控制理論中最優控制器的設計、觀察器的設計和零極點配置等都是在已知系統的動態方程或狀態方程的前提下進行的。這些系統綜合方法往往選擇一種使用方便的描述形式,而不考慮如何獲得這些數學模型。在實際應用中系統的模型往往是未知的。對於複雜系統用已知的物理規律來建立模型常常遇到難以克服的困難。於是根據系統的輸入輸出數據來建立數學模型的方法便發展起來,逐步形成了系統辨識的理論和方法。1962年美國數學家L.A.扎德首先提出系統辨識的概念,把系統辨識定義為在輸入輸出的基礎上從一類系統中確定一個與所測系統等價的系統。1967年瑞典自動控制專家K.J.阿斯特勒姆提出最小二乘辨識,解決了線性定常系統參數估計問題和定階方法,證明了白雜訊下線性二乘估計的一致性。1971年阿斯特勒姆和P.艾克霍夫發表系統辨識綜述的文章,提出著名的論斷:「多變數系統的本質困難是找出系統的一個適當表示形式,一旦確定了這種表示形式,辨識方法方面與單變數系統相比並沒有多大困難。」把系統辨識歸結為用一個系統模型來表示客觀系統(或要構造的系統)本質特徵的演算,並用這個模型把對客觀系統的理解表示為有用的形式。1978年瑞典自動控制專家L.楊把系統辨識重新定義為按照一個準則在模型類中選擇一個與數據擬合得最好的模型。1967年在捷克斯洛伐克首都布拉格召開第一屆IFAC系統辨識學術討論會,此後每三年召開一次,促進了系統辨識的迅速發展。系統辨識的應用也日益廣泛。在工程技術界主要用來建立動態模型,以便進行各種控制;在生物醫學界主要是用數據建立模型來了解系統的機理,從外部可測數據來探測內部生理參數的變化;在社會經濟界主要用來建立預測模型,對未來的發展作出合理的推測。
  在分析、綜合和設計自動控制系統的過程中除了應用理論進行計算以外,常常要對系統的特性進行實驗研究。顯然,在系統未建立前是不可能對系統進行試驗的。對於已有的系統,如果系統十分複雜,在實際系統上進行試驗,不論出於經濟還是安全的考慮,都是不能允許的,有時甚至是不可能的。為此,有必要在模擬設備上試驗系統,包括建立、修改、復現系統的模型,通常把這種試驗過程稱為系統模擬。20世紀40年代製成的第一台電子模擬計算機就是用電子設備來複現各種不同物理本質的動態系統的運動狀態。它是50~60年代主要模擬設備。電子數字計算機誕生以後,很快被用於系統模擬,並逐步取代模擬機而成為主要的模擬設備。50年代末由於空間技術的需要開始出現混合模擬。到了70年代幾乎所有的發達國家都建立了混合模擬實驗基地。70年代中期出現微型機陣列組成的全數字并行模擬系統。系統模擬還被用來構成一種以訓練為目的的自動控制系統──訓練模擬器。1976年正式成立國際模擬數學與模擬計算機學會(IMCAS;其前身是1955年成立的國際模擬計算機學會)。每三年舉行一次國際學術會議,推動著模擬技術的迅速發展。現在系統辨識、建模和模擬已成為系統和控制領域中十分活躍的重要學科。
  自適應控制和自校正調節器  50年代初為了設計飛機的自動導航系統,使其能在較寬的速度和高度範圍內飛行,開始重視自適應控制的研究。60年代控制理論的發展加深了對自適應過程的理解。自適應控制可用隨機遞推過程來描述。到了70年代由於微電子學有了新的突破,可用簡單而經濟的方法來實現自適應控制。目前對於參數自適應控制已研究出3種方法,即增益調整法、模型參考法和自校正調節器。自校正調節器的思想是1970年V.彼得卡首先提出來的。1973年阿斯特勒姆證明了在一定條件下自校正調節器收斂於最小方差控制器,從而建立了自校正調節器的理論基礎。自校正調節器結構簡單,適應性強,易用微處理機實現,已成功地用于飛機及導彈的自動導航裝置,超級油輪的自動導航,以及造紙廠、水泥廠、化工廠和鈦氧化爐等自適應控制。
  遙測、遙控和遙感  19世紀末已出現了遠距離測量和控制的嘗試。20世紀20年代遙測和遙控開始達到實用階段,用於鐵路上信號和道岔的控制。1930年發送了世界上第一個無線電高空探測儀,用以測量大氣層的氣象數據。這是第一台比較完善的無線電遙測設備。到了40年代,大電力系統,石油、天然氣管道輸送系統和城市公用事業系統都需要通過遙測、遙信、遙控、遙調來對地理上分散的對象進行集中監控,促進了遙測遙控系統的發展。蘇聯和東歐各國把這類系統稱為遠動系統。
  遙測就是對被測對象的某些參數進行遠距離測量。一般是由感測器測出被測對象的某些參數並轉變成電信號,然後應用多路通信和數據傳輸技術,將這些電信號傳送到遠處的遙測終端,進行處理、顯示及記錄。遙信則是對遠距離被測對象的工作極限狀態(是否工作或工作是否正常)進行測量。遙控就是對被控對象進行遠距離控制。遙控技術綜合應用自動控制技術和通信技術,來實現遠距離控制,並對遠距離被控對象進行監測。其中對遠距離被控對象的工作狀態的調整稱為遙調。對按一定導引規律運動的被控對象進行遠距離控制則稱為制導,即控制和導引,在航天、航空和航海上有廣泛的應用。
  最初的遙測遙控系統採用有線通道,利用電信號的基本特徵(如交流電的頻率、幅度、相位等)進行遙測和遙控,稱為直接式遙測遙控系統。為了適應多路傳輸,40~50年代發展了同步選擇式遙測遙控系統。60年代研製成循環式遙測遙控系統。70年代又出現可編程序遙測遙控系統,自適應遙測遙控系統和分集式遙測遙控系統。
  無線電遙測遙控系統是在第二次世界大戰期間發展起來的,50年代以來由於空間技術的需要而得到迅速的發展。例如:太空梭中航天員的工作情況可由飛機中電視攝像機攝取后通過無線電通道送至地面監控站,航天員可與監控站直接通話,接受指揮人員的指令。航天員的生理情況由感測器測量后通過遙測通道傳至地面監控站。人造衛星和太空梭利用遙感技術攝取的有關環境、資源、氣象等照片,也可通過同樣途徑傳至地面監控站。監控站也可對飛船中的設備進行操縱或控制。
  60年代以後遙感技術得到了迅速的發展。遙感就是裝載在飛機或人造衛星等運載工具上的感測器,收集由地面目標物反射或發射來的電磁波,利用這些數據來獲得關於目標物的信息。以飛機為主要運載工具的航空遙感發展到以地球衛星和太空梭為主要運載工具的航天遙感以後,使人們能從宇宙空間的高度上大範圍地周期性地快速地觀測地球上的各種現象及其變化,從而使人類對地球資源的探測和對地球上一些自然現象的研究進入了一個新的階段。現已應用在農業、林業、地質、地理、海洋、水文、氣象、環境保護和軍事偵察等領域。
  60年代出現的遙操器是一種由人手操縱的機械、機電或機械液壓設備,可使人在現場以外的地方進行操縱。已廣泛用於核工程、海洋工程、石油鑽探和空間技術等部門。遙操器上常裝有觸覺和視覺感測器。例如:太空梭上航天員可操縱遙操器來捕捉待修理的人造衛星,修復后再用遙操器重置於軌道上。
  綜合自動化  50年代末到60年代初開始出現電子數字計算機控制的化工廠,60年代末在製造工業中出現了許多自動生產線,工業生產開始由局部自動化向綜合自動化方向發展。70年代以來微電子技術、計算機技術和機器人技術的重大突破,促進了綜合自動化的迅速發展。過程式控制制方面,1975年開始出現集散型控制系統,使過程自動化達到很高的水平。製造工業方面,在採用成組技術、數控機床、加工中心和群控的基礎上發展起來的柔性製造系統(FMS)及計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助製造 (CAM)系統成為工廠自動化的基礎。70年代開發出來的一批工業機器人、感應式無人搬運台車、自動化倉庫和無人叉車成為綜合自動化的強有力的工具。柔性製造系統是從60年代開始研製的,1972年美國第一套柔性製造系統正式投入生產。70年代末到80年代初柔性製造系統得到迅速的發展,普遍採用搬運機器人和裝配機器人。1982年10月在英國的普賴頓召開第一屆柔性製造系統國際會議。據與會代表統計當時已有20個柔性製造系統投入生產。
  70年代出現用專用機床組成的無人工廠,80年代初才出現用柔性製造系統組成的無人工廠。例如:日本富士通公司的一個無人工廠每月生產機械手50台,線切割機床100台,數控機床100台,全廠共83人。白班有19名工人在加工車間,63名工人在裝配車間,夜班只有1人在中央控制室內監視所有工位的工作情況,實現了加工車間夜班無人化的目標。目前正致力於裝配自動化的研究,使整個工廠成為無人工廠。
  柔性製造系統是在生產對象有一定限制的條件下有靈活應變能力的系統,其著眼點主要是放在具體的硬設備上。為了進一步實現生產的飛躍,自動機械上用的軟體就成為突出的問題。最終的目標就是要使整個生產過程軟體化,這就要研究計算機集成製造系統(CIMS)。它是指在生產中應用自動化可編程序,把加工、處理、搬運、裝配和倉庫管理等真正結合成一個整體,只要變換一下程序,就可以適用於不同產品的全部加工過程。
  大系統理論的誕生  系統和控制理論的應用從60年代中期開始逐漸從工業方面滲透到農業、商業和服務行業,以及生物醫學、環境保護和社會經濟各個方面。由於現代社會科學技術的高度發展出現了許多需要綜合治理的大系統,現代控制理論又無法解決這樣複雜的問題,系統和控制理論急待有新的突破。在計算機技術方面,60年代初開始發展資料庫技術,1970年提出關係資料庫,到80年代資料庫技術已經達到相當的水平。60年代末計算機技術和通信技術相結合產生了數據通信。1969年美國國防部高級研究局的阿帕網(ARPA)的第一期工程投入使用取得成功,開創了計算機網路的新紀元。資料庫技術和計算機網路為80年代實現管理自動化創造了良好的條件。管理自動化的一個核心問題是辦公室自動化,這是從70年代開始發展起來的一門綜合性技術,到80年代已初步成熟。辦公室自動化為管理自動化奠定了良好的基礎。
  60年代末生產過程自動化開始由局部自動化向綜合自動化方向發展。出現許多諸如化工聯合企業、鋼鐵聯合企業、大電力系統、交通管制系統、環境保護系統、社會經濟系統等大系統。對於這類大系統的建模與模擬,優化和控制,分析和綜合,以及穩定性、能控性、能觀測性和魯棒性等的研究,統稱為大系統理論。早在1965年I.萊夫科維茨就提出大系統多層結構的概念,即可以根據控制(管理)的功能將大系統分解為若干層次。1965~1970年M.梅薩羅維茨等人提出大系統多級結構的概念,可把大系統分解成若干子系統,把總目標分解成許多子目標。1968年提出大系統的分散控制方法,可用一組只有局部信息的控制器來分別控制大系統的各個子系統,實現大系統的次優控制,以減少信息傳輸方面的困難和費用。國際自動控制聯合會(IFAC)於1976年在義大利的烏第納召開了第一屆大系統學術會議,於1980年在法國的圖魯茲召開第二屆大系統學術會議。美國電氣與電子工程師學會(IEEE)於1982年10月在美國弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘舉行了一次國際大系統專題討論會。1980年在荷蘭正式出版國際性期刊《大系統──理論與應用》。這些活動標誌著大系統理論的誕生。
  大系統理論的一個重要應用是管理自動化。例如:水資源系統的分級管理,大城市交通管制,以及聯合企業的管理自動化等。一般可用計算機收集和處理各種信息,建立計算機管理信息系統,根據數學模型進行優化計算,以便合理地利用生產能力、勞力和資金,減少庫存,壓縮新產品投產的準備時間,提高產品的質量和數量,降低成本。80年代以來管理的作用正在急劇增加,在保證國民經濟和社會發展方面已成為一個決定性因素。自動化管理系統包括工藝過程管理系統和組織管理系統。建立並完善管理信息系統是管理自動化的基礎。生產綜合自動化與組織管理自動化相結合,將使人類的經濟活動產生一個新的飛躍,人類社會的生活方式也將發生新的變化。
  人工智慧和模式識別  用機器來模擬人的智能,雖然是人類很早以前就有的願望,但其實現還是從有了電子計算機以後才開始的。1936年,A.M.圖靈提出了用機器進行邏輯推理的想法。50年代以來,人工智慧的研究是基於使計算機更有用而展開的。
  早期的人工智慧研究是從探索人的解題策略開始,即從智力難題、弈棋、難度不大的定理證明入手,總結人類解決問題時的心理活動規律,然後用計算機模擬,讓計算機表現出某種智能。
  1948年美國數學家N.維納在《控制論》一書的附註中首先提出製造弈棋機的問題。1954年美國國際商業機器公司(IBM)的工程師 A.L.塞繆爾應用啟髮式程序編成跳棋程序,存儲在電子數字計算機內,製成能積累下棋經驗的弈棋機。1959年該弈棋機擊敗了它的設計者。1956年A.紐厄爾、H.A.西蒙和J.C.肖研製了一個稱為邏輯理論家的程序,用電子數字計算機證明了懷特海和羅素的名著《數學原理》第二章52條定理中的33條定理。1956年M.L.明斯基,J.麥卡錫,紐厄爾和H.A.西蒙等10位科學家發起在達特茅斯大學召開人工智慧學術討論會,標誌人工智慧這一學科正式誕生。1960年人工智慧的 4位奠基人,即美國斯坦福大學的麥卡錫,麻省理工學院的明斯基,卡內基-梅隆大學的紐厄爾和西蒙組成了第一個人工智慧研究小組,有力地推動了人工智慧的發展。從1967年開始出版不定期刊物《機器智能》,共出版了9集。從1970年開始出版期刊《人工智慧》。從1969年開始每二年舉行一次人工智慧國際會議 (IJCAI)。這些活動進一步促進了人工智慧的發展。70年代以來微電子技術和微處理機的迅速發展,使人工智慧和計算機技術結合起來。一方面在設計高級計算機時廣泛應用人工智慧的成果,另一方面又利用超級微處理機實現人工智慧,大大地加速了人工智慧的研究和應用。人工智慧的基礎是知識獲取、表示技術和推理技術,常用的人工智慧語言則是LISP語言和PROLOG語言,人工智慧的研究領域涉及自然語言理解、自然語言生成、機器視覺、機器定理證明、自動程序設計、專家系統和智能機器人等方面。人工智慧已發展成為系統和控制研究的前沿領域。
  1977年E.A.費根鮑姆在第五屆國際人工智慧會議上提出了知識工程問題。知識工程是人工智慧的一個分支,它的中心課題就是構造專家系統。1973~1975年費根鮑姆領導斯坦福大學的一個研究小組研製成功一個用於診治血液傳染病和腦膜炎的醫療專家系統MYCIN,能學習專家醫生的知識,模仿醫生的思維和診斷推理,給出可靠的診治建議。1978年費根鮑姆等人研製成功水平很高的化學專家系統 DENDRAL。1982年美國學者W.R.納爾遜研製成功診斷和處理核反應堆事故的專家系統 REACTOR。中國也已經研製成功中醫專家系統和蠶育種專家系統。現在專家系統已應用在醫學、機器故障診斷、飛行器設計、地質勘探、分子結構和信號處理等方面。
  為了擴大計算機的應用,使計算機能直接接受和處理各種自然的模式信息,即語言、文字、圖像、景物等,模式識別研究受到人們的重視。1956年,O.塞爾弗里奇等人研製出第一個字元識別程序,隨後出現了字元識別系統和圖像識別系統,並形成了以統計法和結構法為核心的模式識別理論,語音識別和自然語言理解的研究也取得了較大進展,為人和計算機的直接通信提供了新的介面。
  60年代末到70年代初美國麻省理工學院、斯坦福大學和英國愛丁堡大學對機器人學進行了許多理論研究,注意到把人工智慧的所有技術綜合在一起,研製出智能機器人,如麻省理工學院和斯坦福大學的手眼裝置、日立公司有視覺和觸覺的機器人等。由於機器人在提高生產率,把人從危險、惡劣等工作條件下替換出來,擴大人類的活動範圍等方面顯示出極大的優越性,所以受到人們的重視,機器人技術發展很快,並得到越來越廣泛的應用,並在工業生產、核電站設備檢查、維修、海洋調查、水下石油開採、宇宙探測等方面大顯身手,正在研究中的軍用機器人也具有較大的潛在應用價值,關於機器人的設計、製造和應用的技術形成了機器人學。
  總結人工智慧研究的經驗和教訓,人們認識到,讓機器求解問題必須使機器具有人類專家解決問題的那些和識,人工智慧的實質應是如何把人的知識轉移給機器的問題。1977年,費根鮑姆首倡專家系統和知識工程,於是以知識的獲取、表示和運用為核心的知識工程發展起來。自70年代以來,人工智慧學者已研製出用於醫療診斷、地質勘探、化學數據解釋和結構解釋、口語和圖像理解、金融決策、軍事指揮、大規模集成電路設計等各種專家系統。智能計算機、新型感測器、大規模集成電路的發展為高級自動化提供了新的控制方法和工具。
  50年代以來,在探討生物及人類的感覺和思維機制,並用機器進行模擬方面,取得一些進展,如自組織系統、神經元模型、神經元網路腦模型等,對自動化技術的發展有所啟迪。
  同一時期發展起來的一般系統論、耗散結構理論、協同學和超循環理論等對自動化技術的發展提供了新理論和新方法。

 

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