2005年，中國科學(xué)院系統(tǒng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給室里研究生們開了一次“控制理論基礎(chǔ)”的課程，由張紀(jì)峰、方海濤和筆者聯(lián)合上課，每人講4次，每次4小時(shí)。分配筆者講“線性系統(tǒng)的頻域響應(yīng)方法”部分，主要考慮到控制室的學(xué)生本科大多是學(xué)數(shù)學(xué)的，對經(jīng)典控制理論了解不多，希望給大家補(bǔ)上這部分內(nèi)容。張紀(jì)峰還慷慨地給了筆者一堆資料，其中一本1996年IEEE Control Systems雜志第3期控制歷史專輯(special issue on the history of control)讓筆者如獲至寶，至今仍霸為己有。當(dāng)時(shí)看得如饑似渴，不斷有“原來是這樣”的收獲，邊看邊想，如果學(xué)生們在學(xué)習(xí)第一門控制課程時(shí)就了解這些過往，控制課程就不再只是一條條定義一堆堆定理，還知道它們是為了解決什么問題而提出和建立的，解決了哪些問題，不足又在哪里。于是，就特別想在課上與學(xué)生們分享一下控制歷史，但又感到歷控制史太龐博，能講出來的只是自己被吸引有所感觸的部分，難免掛一漏萬，因而加上“走馬觀花”的前綴。
圖1 1996年IEEE Control Systems控制歷史專輯
2007年給控制室研究生講“線性系統(tǒng)”課程的補(bǔ)充部分，2011年、2016年2次給國科大研究生上“系統(tǒng)穩(wěn)定性理論”課程都會興致勃勃地把這部分內(nèi)容端出來與學(xué)生們分享，而且這期間不斷順藤摸瓜，看見有關(guān)的素材會格外關(guān)注一下，加以補(bǔ)充。那時(shí)，查找資料還不像現(xiàn)在這么方便，高志強(qiáng)、姜鐘平都從國外幫筆者查過資料買過書。
2018年，收到《系統(tǒng)與控制縱橫》的約稿，筆者頗有些猶豫，主要還是擔(dān)心內(nèi)容上只是隨自己興趣而來，信馬由韁。2019年給國科大本科生上“控制論”課程，又策馬溜了一遍。終于，著手整理出來，并非完整的控制發(fā)展歷史介紹，更像是一份教案。
本文以Stuart Bennett的文章為主線，以1996年專輯中President's Message里的一席話開場："控制系統(tǒng)的歷史悠久，沒有人能確切知道第一個控制系統(tǒng)是什么時(shí)候發(fā)明的，但我們可以肯定地說，那時(shí)它一定沒有被認(rèn)為是一個"控制系統(tǒng)"。因?yàn)榭刂铺匀涣耍瑥某橄笠饬x上說，任何一個可以被另一個對象或過程改變的對象或過程都可稱之為控制。我們無法確定人類是何時(shí)開始有目的地改變(控制)他所生存的環(huán)境"。
圖2 走馬觀花線路圖
一般認(rèn)為，最早的控制系統(tǒng)是公元前300年~公元前1年古希臘人和阿拉伯人發(fā)明的水鐘中的浮球調(diào)節(jié)裝置。
圖3 希臘人Ktesibios發(fā)明的水鐘
圖4為水鐘中的浮球調(diào)節(jié)裝置示意圖，水從漏壺中以恒定的流量注入受水壺，浮在受水壺水面上的漏箭隨水面上升指示時(shí)間。為了獲得恒定的流量，必須使漏壺的水位保持恒定。當(dāng)漏壺水位下降時(shí)，浮球隨之下降，水自動注入漏壺，漏壺水位上升到設(shè)定高度時(shí)，浮球自動堵住入水口，漏壺水位保持在設(shè)定高度。
圖4 水鐘中的浮球調(diào)節(jié)裝置示意圖
現(xiàn)在我們通常把閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)分為傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象等幾個基本組成部分，在浮球調(diào)節(jié)裝置這個設(shè)計(jì)巧妙的控制系統(tǒng)中，傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一體的。
浮球調(diào)節(jié)裝置現(xiàn)在還在我們的日常生活中廣泛使用，就是抽水馬桶。筆者自己學(xué)習(xí)控制的第一堂課上，老師給我們舉的控制系統(tǒng)例子就是抽水馬桶，當(dāng)時(shí)還覺得怎么學(xué)了個不太“高雅”的專業(yè)。
在筆者的課程中一直希望能讓學(xué)生們將課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際聯(lián)系起來，都會給學(xué)生們留一個大作業(yè)，每人選取一個自己感興趣的控制系統(tǒng)結(jié)合課程內(nèi)容進(jìn)行分析介紹，學(xué)生們在這個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)往往一改平時(shí)上課的沉悶，一個個熠熠生輝，每每讓筆者心花怒放，驚嘆不已。還記得A同學(xué)一開始交上來的選題是“抽水馬桶系統(tǒng)”，筆者給改了個“好聽”一點(diǎn)的題目“浮球液位控制系統(tǒng)”，結(jié)果A同學(xué)上臺后的開場白是：“老師改的題目有點(diǎn)小了，我今天要講的是抽水馬桶系統(tǒng)中的控制問題”，立刻讓筆者對這個看上去文文靜靜的小姑娘所表現(xiàn)出的執(zhí)著的科學(xué)精神肅然起敬。
中國古代計(jì)時(shí)器則有刻漏、水運(yùn)渾天儀、水運(yùn)儀象臺等，中國古代著名的控制系統(tǒng)還有指南車、都江堰水利工程等。
圖5 北宋蘇頌、韓公廉等人所制水運(yùn)儀象臺
Mayr的書中提到了中國古代的水運(yùn)儀象臺和指南車，但對其控制原理還有疑問。
都江堰水利工程(約公元前256-前251)則被許多人認(rèn)為是一個杰出的控制系統(tǒng)，二千多年了，至今依然在造福成都平原。都江堰主體工程包括魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道和寶瓶口進(jìn)水口，被控量為進(jìn)入成都的水量，枯水期不能少，豐水期不能多，是個多環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)，而且充滿各種擾動、不確定性和時(shí)變性。
圖6 都江堰水利工程(圖中的三個紅圈分別為魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道和寶瓶口進(jìn)水口)
2015年第6屆中瑞控制會議在成都召開，有先到達(dá)的瑞典參會人員迫不及待地去了都江堰，回來后就在自己報(bào)告的第一頁打出都江堰的照片，贊嘆這一控制系統(tǒng)。
近代歐洲最早發(fā)明的反饋控制系統(tǒng)是荷蘭人Cornelis Drebbel(1572-1633)發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器。
圖7 荷蘭人Drebbel發(fā)明的恒溫箱
Drebbel是荷蘭發(fā)明家，他發(fā)明了一個孵化小雞的培育箱，通過控制爐溫來給培育箱加熱。
圖8 培育箱溫度控制裝置示意圖
圖8為培育箱溫度控制裝置示意圖，培育箱是雙層的，中間有水，把熱量均勻地傳遞給內(nèi)層，溫度傳感器是一個內(nèi)部裝有酒精和水銀的容器。當(dāng)溫度過高時(shí)，溫度傳感器的水銀柱上升，閥門關(guān)閉，減少進(jìn)氣，降低溫度；反之則水銀柱下降，閥門打開，增加進(jìn)氣，提高溫度。
人們普遍認(rèn)為最早應(yīng)用于工業(yè)過程的控制器是瓦特(James Watt，1736-1819)1788年應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器。飛球式調(diào)速器(Fly-ball governor)，也稱為離心式調(diào)速器(centrifugal governor)。
圖9 飛球式調(diào)速器示意圖
圖9展示了其工作原理：假定發(fā)動機(jī)運(yùn)行在平衡狀態(tài)，兩個重球在與中心軸成某一給定角度的錐面上圍繞軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載增大時(shí)，它的速度減慢，兩個重球下跌到更小的錐面上旋轉(zhuǎn)，引起杠桿運(yùn)動打開蒸汽室主閥(執(zhí)行機(jī)構(gòu))，從而增加進(jìn)入的蒸汽量，以恢復(fù)減小的速度。因此，球與中心軸的角度是用來傳感輸出速度的。
飛球式調(diào)速器被認(rèn)為是控制發(fā)展史上的一個里程碑，Mayr書的封面就是一個飛球式調(diào)速器的圖片，筆者曾在倫敦街頭見到一尊雕塑，以飛球式調(diào)速器代表科學(xué)。
圖10 倫敦街頭代表科學(xué)的雕塑
關(guān)于飛球式調(diào)速器，有個誤傳流傳較廣，說是瓦特發(fā)明的。
飛球式調(diào)速器并不是瓦特發(fā)明的。關(guān)于應(yīng)用離心力控制速度的研究，科學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens，1629-1695)和胡克(Robert Hooke，1635-1703)都曾鉆研過這個問題，并設(shè)計(jì)了利用離心力控制速度的裝置。
圖11 惠更斯和胡克都曾鉆研過利用離心力控制速度的問題，并設(shè)計(jì)了有關(guān)裝置
到18世紀(jì)，在蒸汽機(jī)之前，離心力調(diào)速器已經(jīng)在風(fēng)車上被大量應(yīng)用。風(fēng)車技術(shù)人員開發(fā)了許多新裝置，不過他們大多是工程師不是科學(xué)家，因此除了簡略的專利，留下的文獻(xiàn)紀(jì)錄很少。圖12中是Thomas Mead1787年申請的控制風(fēng)車速度的調(diào)節(jié)器專利中的一張圖，可以看到采用了一個雙球的離心力調(diào)節(jié)器。
圖12 1787年Thomas Mead申請了一個控制風(fēng)車速度的調(diào)節(jié)器專利
然后是瓦特蒸汽機(jī)登場，瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)始于1763年，當(dāng)時(shí)他在格拉斯哥大學(xué)(University of Glasgow)幾位教授的幫助下，在大學(xué)里開設(shè)了一間小修理店，這年，他修理了學(xué)校的一臺紐科門蒸汽機(jī)(Newcomen steam engine)，但當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率很低。此后，瓦特對蒸汽機(jī)進(jìn)行了一系列重大改進(jìn)：如將冷凝器與汽缸分離、采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的曲柄傳動系統(tǒng)、發(fā)明了雙向氣缸、平行運(yùn)動連桿機(jī)構(gòu)等。1788年瓦特從其合伙人博爾頓(Matthew Boulton)處了解到已經(jīng)在風(fēng)車中采用的飛球調(diào)速器，意識到可以改進(jìn)后用到蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，以保證蒸汽機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，于是發(fā)明了采用飛球調(diào)速器的蒸汽機(jī)。
蒸汽機(jī)的出現(xiàn)開辟了人類利用能源的新時(shí)代，使人類實(shí)現(xiàn)了機(jī)器大生產(chǎn)。后人為了紀(jì)念瓦特這位偉大的發(fā)明家，把功率的單位定為“瓦特”。
到1868年，約有75000臺Watt governor在英國使用。最初的Watt governor存在的主要問題是：只能在一個運(yùn)行條件上實(shí)現(xiàn)精確控制，即只能在小(負(fù)載變化)范圍運(yùn)行。用現(xiàn)在的話說，就是當(dāng)負(fù)載(外擾)變化較大時(shí)，控制存在穩(wěn)態(tài)偏差。
瓦特調(diào)速器只采用了比例控制，我們采用如下的一個簡化模型描述其工作過程：
其中：P為驅(qū)動力矩，R為負(fù)載力矩，V為設(shè)定轉(zhuǎn)速，實(shí)際轉(zhuǎn)速為dx/dt，F(xiàn)為反饋增益系數(shù)，t為時(shí)間，穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度為：
可見，系統(tǒng)存在與負(fù)載R(未知外擾)有關(guān)的穩(wěn)態(tài)偏差。
19世紀(jì)最初的70年，大量的工作圍繞改進(jìn)調(diào)速器展開，很多科學(xué)家需要采用性能更好的調(diào)速器來開展各自領(lǐng)域的研究工作，世界各地出現(xiàn)了大量調(diào)速器方面的專利。比如圖18的Fleeming Jenkin設(shè)計(jì)的調(diào)速器，在這個設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)平衡點(diǎn)不再受負(fù)載外擾R的影響，但卻遇到了穩(wěn)定性問題。19世紀(jì)早期出現(xiàn)了關(guān)于調(diào)速器“hunting(來回?cái)[動，即不穩(wěn)定)”行為的報(bào)告，人們開始努力分析調(diào)速器動態(tài)特性，尋找穩(wěn)定(non-hunting)的條件。
圖13 Fleeming Jenkin設(shè)計(jì)的調(diào)速器
瓦特是企業(yè)家，并沒有從事調(diào)速器的理論分析。
從1673年Christian Huygens，Robert Hooke直到1868年James Clerk Maxwell 一段時(shí)期控制理論的早期發(fā)展，其中對G.B.Airy(1801–1892，劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)及天文學(xué)教授)在調(diào)速器的穩(wěn)定性分析方面所做的貢獻(xiàn)給予了特別的評價(jià)。
Airy關(guān)注調(diào)速器的速度控制問題，是因?yàn)樗枰捎谜{(diào)速器控制望遠(yuǎn)鏡以與地球旋轉(zhuǎn)方向相反做補(bǔ)償?shù)厮俚倪\(yùn)動，以便長時(shí)間觀察某一星座。他使用調(diào)速器時(shí)發(fā)現(xiàn)其可能有的不穩(wěn)定運(yùn)動：“The machine(If I may so express myself)became perfectly wild ”(Fuller引用Airy 1840 年論文所述)，并采用微分方程的工具對此進(jìn)行分析。Fuller認(rèn)為 Airy的研究對控制理論的貢獻(xiàn)在于引起對控制系統(tǒng)中不穩(wěn)定現(xiàn)象的關(guān)注、提示不穩(wěn)定問題可以通過系統(tǒng)的微分方程模型來說明，是動態(tài)控制系統(tǒng)研究的開端。但由于他的論文寫得非常簡略，不能判斷他當(dāng)時(shí)是否得到了穩(wěn)定性條件。
人們對宇宙的探索對控制理論的發(fā)展起過很大的推動作用，甚至早于牛頓運(yùn)動定律發(fā)表之前，天文學(xué)家是第一批著手解決動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的人，因?yàn)樗麄冃枰_控制大型望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動而且他們熟悉太陽系中天體運(yùn)動的穩(wěn)定性問題。1893年，俄羅斯數(shù)學(xué)家A.M.Lyapunov發(fā)表了他著名的關(guān)于動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的博士論文，建立了非線性時(shí)變系統(tǒng)常微分方程理論，這個研究的出發(fā)點(diǎn)也是為了研究行星運(yùn)動的穩(wěn)定性問題。現(xiàn)代航天工程的發(fā)展更是極大地推動了控制理論的發(fā)展。
圖14 相機(jī)對準(zhǔn)天空固定不動長時(shí)間不斷拍攝的照片疊加出星軌圖片
圖14可以說明為什么如果想長時(shí)間觀察某一星座，需要控制望遠(yuǎn)鏡與地球旋轉(zhuǎn)方向相反做補(bǔ)償?shù)厮俚倪\(yùn)動。圖14為將相機(jī)對準(zhǔn)天空固定不動長時(shí)間不斷拍攝獲得的照片疊加出的星軌圖片，可以感受地球運(yùn)動對觀星的影響；用赤道儀精確控制相機(jī)以與地球轉(zhuǎn)動方向相反以地速轉(zhuǎn)動并長時(shí)間不斷拍攝，然后將照片進(jìn)行疊加，則可呈現(xiàn)出肉眼很難看到的美麗的仙女座大星系。
赤道儀精確控制相機(jī)以與地球轉(zhuǎn)動方向相反以地速轉(zhuǎn)動并長時(shí)間不斷拍攝，然后將照片進(jìn)行疊加，則可呈現(xiàn)出肉眼很難看到的仙女座大星系
1868年，J.C.Maxwell的論文"On Governor"系統(tǒng)地分析了幾類調(diào)速器并給出了穩(wěn)定性條件，被認(rèn)為是第一個系統(tǒng)地分析反饋控制系統(tǒng)的理論研究。
1868年，J.C.Maxwell(James Clerk Maxwell ，1831-1879)發(fā)表論文"On Governor"，系統(tǒng)地分析了幾類調(diào)速器并給出了穩(wěn)定性條件。
上面通過方程分析Watt governor存在穩(wěn)態(tài)偏差的討論就來自Maxwell的論文，并進(jìn)而對Fleeming Jenkin調(diào)速器的動態(tài)進(jìn)行了如下建模：
其中P，V，R，F(xiàn)，dx/dt的定義同(1)，G，Y，亦為反饋增益系數(shù)，W為重物產(chǎn)生的力矩，y為重物的運(yùn)動。穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)速器的速度為：
說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值與負(fù)載R(未知外擾)無關(guān)。但系統(tǒng)的穩(wěn)定是有條件的，只有當(dāng)
的根都具有負(fù)實(shí)部時(shí)，系統(tǒng)才能到達(dá)穩(wěn)態(tài)。
Fuller認(rèn)為麥克斯韋這篇論文的主要貢獻(xiàn)是:
1、是系統(tǒng)地研究動態(tài)控制系統(tǒng)的第一篇論文；
2、采用了線性化技術(shù)研究運(yùn)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而通過特征方程判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 得到了三階系統(tǒng)特征方程穩(wěn)定的判據(jù)；
3、文中例子說明可以設(shè)計(jì)控制器即消除偏差又不致引起不穩(wěn)定；
4、提出了尋找高階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)的問題。
1948年維納(Norbert Wiener，1894-1964)為他的學(xué)說取名Cybernetics就是為了向Maxwell的On Governor論文致敬，因?yàn)镃ybernetics和Governor的希臘文和拉丁文是同一個含義。
圖15 1948年維納為他的學(xué)說取名Cybernetics就是為了向Maxwell的On Governor 論文致敬
當(dāng)年筆者第一次讀到第一篇系統(tǒng)地分析反饋控制系統(tǒng)的論文作者是Maxwell時(shí)有點(diǎn)被驚到了，這個麥克斯韋是那個提出著名的電磁Maxwell方程的大物理學(xué)家麥克斯韋嗎？進(jìn)而好奇他怎么會跑來研究控制問題的？好像是來跨界打醬油的，還竟然就一下做出個開創(chuàng)性的工作，弄了個第一。
根據(jù)Mayr介紹，在蒸汽機(jī)時(shí)代，調(diào)速器的精度和穩(wěn)定性問題是一個時(shí)髦的問題，困惱了當(dāng)時(shí)的很多科學(xué)家和發(fā)明家，好像麥克斯韋做這個研究只是追逐了一下熱點(diǎn)。
但筆者覺得另外幾個原因更順理成章：1863年，作為英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會(British Association for the Advancement of Science committee on electrical standards)的成員，Maxwell和H.C.Fleeming Jenkin一起進(jìn)行了確定電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)驗(yàn)中需要控制其中的一個圓形線圈以勻速轉(zhuǎn)動，就用到了Fleeming Jenkin設(shè)計(jì)的調(diào)速器，Maxwell對此印象深刻。另一方面，更早的時(shí)候，1857年， Maxwell曾以"On the stability of the motion of Saturn's Rings" 獲得過Adams Prize，他通過把土星環(huán)的微分方程線性化，得到一個4階特征方程，從而可以分析其穩(wěn)定性。所以他對穩(wěn)定性問題既有知識儲備和積累，又對調(diào)速器有直接的了解。
Maxwell沒有進(jìn)一步得到更高階特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部的充要條件，他更大的興趣還是在電磁學(xué)方面，F(xiàn)uller甚至認(rèn)為Maxwell寫"On Governor"這篇論文就是為了可以讓自己從控制問題中脫身，從而專心于電磁學(xué)的工作。
但他把確定高階特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部的充要條件這一問題明確地提了出來，希望得到數(shù)學(xué)家的關(guān)注。在科學(xué)的發(fā)展中，準(zhǔn)確地提出問題和解決問題同樣重要。
麥克斯韋提出的問題被他劍橋大學(xué)三一學(xué)院校友勞斯(E.J.Routh， 1831-1907， English mathematician)解決(1854年，勞斯與麥克斯韋以第一和第二的成績畢業(yè)于劍橋)。
1877年，E.J.Routh得到特征方程所有根都有負(fù)實(shí)部的多項(xiàng)式系數(shù)條件，Adolf Hurwitz(1859-1919， German(Swiss)mathematician)1895年也獨(dú)立地推出了這個判據(jù)，因而并稱Routh-Hurwitz判據(jù)。
1877年Adams Prize(麥克斯韋為評獎委員會委員)的主題是the criterion of dynamical stability，勞斯獲得了此獎，他解決了Maxwell提出的判斷所有根都有負(fù)實(shí)部的多項(xiàng)式系數(shù)條件。
當(dāng)時(shí)解決這個問題的代數(shù)工具已經(jīng)被Augustin-Louis Cauchy，Charles Sturm和C. Hermite等人建立起來，Routh綜合運(yùn)用這些結(jié)果得到了動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論。
雖然麥克斯韋和勞斯對調(diào)速器穩(wěn)定性分析的結(jié)果可能并沒有對具體改進(jìn)離心力調(diào)速器的設(shè)計(jì)起到直接作用，但對控制科學(xué)有很大貢獻(xiàn)，線性化技術(shù)與特征方程分析至今仍是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的一個重要手段。
19世紀(jì)后半葉-20世紀(jì)初， 反饋控制器被大量應(yīng)用，1911年，Elmer Sperry發(fā)明帶有PID控制的船的自動駕駛儀，1922年，Nicholas Minorsky通過分析船的自動駕駛問題，推導(dǎo)出了我們現(xiàn)在稱為的三項(xiàng)控制器-PID(Position-Integral-Derivative)控制器形式。
19世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)初， 反饋控制器被大量應(yīng)用，包括電壓、電流與頻率的調(diào)節(jié)、蒸汽發(fā)電中的鍋爐控制、電機(jī)的速度控制、船與飛行器的駕駛與鎮(zhèn)定、過程工業(yè)中的溫度、壓力與流量控制等。
隨著控制系統(tǒng)用于許多不同的工程領(lǐng)域，特別是一些復(fù)雜的機(jī)械裝置，如船的自動轉(zhuǎn)向裝置和鍋爐控制(涉及液面、汽壓等多變量控制問題)，控制設(shè)計(jì)問題變得突出起來，這時(shí)存在的主要問題有：缺乏通用語言來從理論上理解動態(tài)系統(tǒng)的控制問題，缺乏簡單的、容易運(yùn)用的分析與設(shè)計(jì)方法。
唯一可用的分析工具似乎只是微分方程和當(dāng)時(shí)還不太廣為人知的Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)，但應(yīng)用這個判據(jù)需要獲取系統(tǒng)參數(shù)值，而且難以具體指導(dǎo)如何設(shè)計(jì)出使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器。
一些聰明的工程師如Elmer Sperry(1860-1930，American inventor and entrepreneur)敏銳地注意到人進(jìn)行控制調(diào)整時(shí)不是簡單地采用開關(guān)控制(on-off approach)，而是綜合運(yùn)用了預(yù)測、當(dāng)被控量接近目標(biāo)值時(shí)撤出控制、以及當(dāng)存在持續(xù)的偏差時(shí)進(jìn)行小量的慢慢調(diào)節(jié)等方法，于1911年設(shè)計(jì)出了采用較為復(fù)雜控制律-PID控制結(jié)合自動增益調(diào)整的船的自動駕駛儀，被認(rèn)為是最早發(fā)明的PID控制器。
1922年，Nicholas Minorsky(1885-1970，Russian American engineer and applied scientist)從理論上清晰地分析了船的自動駕駛問題，推導(dǎo)出了我們現(xiàn)在稱為的三項(xiàng)控制器-PID控制器形式。
PID是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，目前95%以上的過程控制迴路和90%以上航空航天控制迴路還都是基于PID控制。2017年國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)的工業(yè)委員會對工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，在十幾種控制方法中， PID以百分之百好評(零差評)的絕對優(yōu)勢居于榜首。
其實(shí)PID控制器的結(jié)構(gòu)非常簡單，就是系統(tǒng)偏差的”比例-積分-微分”三項(xiàng)線性反饋結(jié)構(gòu)之和。實(shí)際系統(tǒng)幾乎都是非線性的，而且不確定性普遍存在于實(shí)際系統(tǒng)的建模與運(yùn)行之中，那么簡單的線性結(jié)構(gòu)的PID控制為什么能在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于非線性不確定系統(tǒng)，它的理論基礎(chǔ)是什么？再就是雖然PID只有三個參數(shù)，但至今PID調(diào)參方法已有上千種，都是經(jīng)驗(yàn)公式，而工程界依然認(rèn)為實(shí)際中的大部分PID控制回路并沒有調(diào)整在好的工作狀態(tài)，那么如何調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)滿意的效果？
圖16 PID 控制器：系統(tǒng)偏差的”比例-積分-微分”線性反饋結(jié)構(gòu)
這些可以說是控制理論中最基本的問題，一百多年來一直沒能從理論上給以很好回答。這一問題近年獲得一些突破性進(jìn)展，對PID控制的廣泛性給出了理論回答，而通過研究某種自抗擾控制(ADRC*注1)的具體形式與PID控制的內(nèi)在聯(lián)系，一種可使PID具有自抗擾能力的新的定量調(diào)參方法被進(jìn)一步提出來，新的PID調(diào)參方法是由ADRC啟發(fā)而來，并不是直觀容易想到的，但其物理功能卻比原PID的三個參數(shù)更明確而易于整定。
圖17 自抗擾控制(ADRC)啟發(fā)PID調(diào)參新方法
*注1：自抗擾控制(ADRC)由中國科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員于上世紀(jì)80-90年代提出，正式發(fā)表于1998年，作為在PID控制基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，其強(qiáng)大的魯棒性和突出的瞬態(tài)響應(yīng)性能，吸引著越來越多的關(guān)注，已發(fā)展為一種可解決具有大范圍及復(fù)雜結(jié)構(gòu)不確定系統(tǒng)控制問題的有效方法。
作者：黃一(中國科學(xué)院)
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