在1868年至今的短短一百年中，自動(dòng)控制理論無(wú)論在深度和廣度上都得到了令人吃驚的發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。從瓦特的蒸氣機(jī)、阿波羅登月到海彎戰(zhàn)爭(zhēng)，無(wú)處不現(xiàn)示著控制技術(shù)的威力。在哲學(xué)領(lǐng)域，反饋理論的建立與成功應(yīng)用，也使“因果關(guān)系”進(jìn)一步發(fā)展為“因果－果因關(guān)系”，反饋的概念受到人們的重視。 　　由于控制理論的發(fā)展日新月異，對(duì)自動(dòng)控制的發(fā)展歷史進(jìn)行全面的論述是困難的。本文將僅對(duì)控制理論中經(jīng)典部分（這也是大學(xué)自動(dòng)控制理論課程的主要內(nèi)容）的發(fā)展過(guò)程及背景進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，并對(duì)進(jìn)行必要的討論。 1.自動(dòng)控制技術(shù)的早期發(fā)展 　　以反饋控制為其主要研究?jī)?nèi)容的自動(dòng)控制理論的歷史，若從目前公認(rèn)的第一篇理論論文, J.C.Maxwell 在1868年發(fā)表的“論調(diào)節(jié)器”算起，至今不過(guò)一百多年。然而控制思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史了?！翱刂啤边@一概念本身即反映了人們對(duì)征服自然與外在的渴望，控制理論與技術(shù)也自然而然地在人們認(rèn)識(shí)自然與改造自然的歷史中發(fā)展起來(lái)。 　　具有反饋控制原理的控制裝置在古代就有了。這方面最有代表性的例子當(dāng)屬古代的計(jì)時(shí)器 “水鐘”（ 在中國(guó)叫作“刻漏”，也叫“漏壺”）。據(jù)古代鍥形文字記載和從埃及古墓出土的實(shí)物可以看到，巴比倫和埃及在公元前1500年以前便已有很長(zhǎng)的水鐘使用歷史了。 　　約在公元前三世紀(jì)中葉，亞歷山大里亞城的斯提西比烏斯（Ctesibius）首先在受水壺中使用了浮子（phellossive tympanum）。按迪爾斯（Diels）本世紀(jì)初復(fù)原的樣品，注入的水是由圓錐形的浮子節(jié)制的。而這種節(jié)制方式即已含有負(fù)反饋的思想 （盡管當(dāng)時(shí)并不明確）。[1] 　　中國(guó)有著燦爛的古代文明。中國(guó)古代的科學(xué)家們對(duì)水鐘十分得重視，并進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。據(jù)<<周禮>>記載，約在公元前 500年，中國(guó)的軍隊(duì)中即已用漏壺作為計(jì)時(shí)的裝置。約在公元120年，著名的科學(xué)家張衡 （78-139,東漢）又提出了用補(bǔ)償壺解決隨水頭降低計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確問(wèn)題的巧妙方法。在他的“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”中，不僅有浮子，漏箭，還有虹吸管和至少一個(gè)補(bǔ)償壺。最有名的中國(guó)水鐘“銅壺滴漏”由銅匠杜子盛和洗運(yùn)行建造于公元1316年（元代延祐三年），并一直連續(xù)使用到1900年?，F(xiàn)保存在廣州市博物館中，但仍能使用。[2][3] 　　北宋時(shí)期，蘇頌等于1086年-1090年在開(kāi)封建成“水運(yùn)儀象臺(tái)”。儀象臺(tái)上的渾儀附有窺管，能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地跟蹤天體的運(yùn)行，“使它自動(dòng)地保持在窺管的視場(chǎng)中”。這種儀象臺(tái)的動(dòng)力裝置中就利用了“從定水位漏壺中流出的水，并由擒縱器（天關(guān)、天鎖）加以控制”。蘇頌把時(shí)鐘機(jī)械和觀測(cè)用渾儀結(jié)合起來(lái)，這比西方羅伯特.胡克早六個(gè)世紀(jì)。[4] 　　公元235（三國(guó)時(shí)期）的馬均及公元477年（劉宋時(shí)期）祖沖之等還曾制造過(guò)具有開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)的指南車。并發(fā)明了齒輪及差動(dòng)齒輪機(jī)[5][27][29]。 　　另外，我國(guó)在公元前350年已經(jīng)用在結(jié)構(gòu)上與水輪相似的水臼來(lái)碾米；在公元前50年用水輪來(lái)引水灌溉；在公元前31年在鍛冶場(chǎng)里使用水動(dòng)風(fēng)箱等。大大地減輕了人們的勞動(dòng)[29]。 　　十八世紀(jì)，隨著人們對(duì)動(dòng)力的需求，各種動(dòng)力裝置也成為人們研究的重點(diǎn)。1750年，安得魯. 米克爾（1719-1811）為風(fēng)車引入了“扇尾”傳動(dòng)裝置，使風(fēng)車自動(dòng)地面向風(fēng)。隨后，威廉. 丘比特對(duì)自動(dòng)開(kāi)合的百葉窗式翼板進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠自動(dòng)地調(diào)整風(fēng)車的傳動(dòng)速度。這種可調(diào)整的調(diào)節(jié)器在1807年取的專利權(quán)。18世紀(jì)的風(fēng)車中還成功地使用了離心調(diào)速器。 托馬斯.米德（1787年）和斯蒂芬.胡泊（1789年）獲得這種裝置的專利權(quán)。[6][29] 　　和風(fēng)車技術(shù)并行，十八世紀(jì)也是蒸氣機(jī)取得突破發(fā)展的時(shí)期，并成為機(jī)械工程最矚目的成就。托馬斯.紐可門(mén)和約翰.卡利（又譯為考力）是史學(xué)界公認(rèn)的蒸氣機(jī)之父。到十八世紀(jì)中葉，已有好幾百臺(tái)紐可門(mén)式蒸氣機(jī)在英格蘭北部和中部地區(qū)、康沃爾和其他國(guó)家服務(wù)，但由于其工作效率太低，難以推廣。 　　1765年俄國(guó)的波爾祖諾夫（И.И.Полэунов）發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)器（這在俄國(guó)被認(rèn)為是世界上的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器）[21][23]。1760年－1800年，詹姆斯.瓦特對(duì)蒸氣機(jī)進(jìn)行了徹底得改造，終于使其得到廣泛的應(yīng)用。在瓦特的改良工作中，1788年，他給蒸氣機(jī)添加了一個(gè)“節(jié)流”控制器即節(jié)流閥，它由一個(gè)離心“調(diào)節(jié)器”操縱，類似于磨房機(jī)工早已用來(lái)控制風(fēng)力面分機(jī)磨石松緊的裝置?！罢{(diào)節(jié)器”或“飛球調(diào)節(jié)器”用于調(diào)節(jié)蒸氣流，以便確保引擎工作時(shí)速度大致均勻。這是當(dāng)時(shí)反饋調(diào)節(jié)器最成功的應(yīng)用。[7] 　　瓦特是一位實(shí)干家，他沒(méi)有對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行理論分析，后來(lái)J.C.Maxwell從微分方程角度討論了調(diào)節(jié)器系統(tǒng)可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而開(kāi)始了對(duì)反饋控制動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的理論研究。[8] 2. 自動(dòng)控制基本理論（經(jīng)典部分）的發(fā)展簡(jiǎn)史 2.1 穩(wěn)定性理論的早期發(fā)展 　　人們很早就開(kāi)始關(guān)注穩(wěn)定性的問(wèn)題。牛頓可能是第一個(gè)關(guān)注動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的人。1687年，牛頓在他的《數(shù)學(xué)原理》中對(duì)圍繞引力中心做圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了研究。他假設(shè)引力與質(zhì)點(diǎn)到中心距離的 q 次方成正比。牛頓發(fā)現(xiàn)，假設(shè)q>-3 ,則在小的擾動(dòng)后，質(zhì)點(diǎn)仍將保留在原來(lái)的圓周軌道附近運(yùn)動(dòng)。而當(dāng) q≤-3時(shí)，質(zhì)點(diǎn)將會(huì)偏離初始的軌道，或者按螺旋狀的軌道離開(kāi)中心趨向無(wú)窮遠(yuǎn)，或者將落在引力中心上[26]。 　　在牛頓引力理論建立之后，天文學(xué)家曾不斷努力以圖證明太陽(yáng)系的穩(wěn)定性。特別地，拉格朗日和拉普拉斯在這一問(wèn)題上做了相當(dāng)?shù)呐Α?773年，24歲的拉普拉斯“證明了行星到太陽(yáng)的距離在一些微小的周期變化之內(nèi)是不變的”。并因此成為法國(guó)科學(xué)院副院士[28]。雖然他們的論證今天看來(lái)并不嚴(yán)格，但他們的工作對(duì)后來(lái)李亞普諾夫的穩(wěn)定性理論有很大的影響[26]。 　　直到十九世紀(jì)中期，穩(wěn)定性理論仍集中在對(duì)保守系統(tǒng)研究上。主要是天文學(xué)的問(wèn)題。在出現(xiàn)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題后，科學(xué)家們開(kāi)始考慮非保守系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。Clerk Maxwell是第一位利用特征方程的系數(shù)來(lái)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的人[26]。 　　James Clerk Maxwell是第一個(gè)對(duì)反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析并發(fā)表論文的人[8]。在他1868年的論文“論調(diào)節(jié)器”（Maxwell J C.On Governors. Proc. Royal Society of London,vol.16:270-283,1868）中，導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。麥?zhǔn)显谡撐闹袑?duì)三階微分方程描述的Thomson s governor, Jenkin s governor 以及具有五階微分方程的Maxwell s governor進(jìn)行了研究，并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。Maxwell的工作開(kāi)創(chuàng)了控制理論研究的先河。[9][10] 　　同一時(shí)期在俄國(guó)，1872年И.А.維什聶格拉斯基（1831-1895）也對(duì)蒸汽機(jī)的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。И.А.維什聶格拉斯基的論文“論調(diào)整器的一般原理”1876年發(fā)表在法國(guó)科學(xué)院院報(bào)上。И.А.維什聶格拉斯基同樣利用線性化方法簡(jiǎn)化問(wèn)題，用線性微分方程描述由調(diào)整對(duì)象和調(diào)整器組成的系統(tǒng)。這使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。1878年И.А.維什聶格拉斯基還對(duì)非線性繼電器型調(diào)整器進(jìn)行了研究。И.А.維什聶格拉斯基在蘇聯(lián)被視為自動(dòng)調(diào)整理論的奠基人。[23] 　　Maxwell是一位天才的科學(xué)家，在許多方面都有極高的造詣。他同時(shí)還是物理學(xué)中電磁理論的創(chuàng)立人（見(jiàn)其論文“A dynamical theory of the electromagnetic field”，1864）。目前的研究表明，Maxwell事實(shí)上在1863年9月即已基本完成了其有關(guān)穩(wěn)定性方面的研究工作。[10] 　　Maxwell在他的論文中還催促數(shù)學(xué)家們盡快地解決多項(xiàng)式的系數(shù)同多項(xiàng)式的根的關(guān)系的問(wèn)題。由于五次以上的多項(xiàng)式?jīng)]有直接的求根公式，這給判斷高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代來(lái)了困難。[9] 　　約在1875年，Maxwell擔(dān)任了劍橋Adams Prize的評(píng)獎(jiǎng)委員。這項(xiàng)兩年一次的獎(jiǎng)授予在該委員會(huì)所選科學(xué)主題方面竟?fàn)幍淖罴颜撐摹?877年的Adams Prize的主題是“運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性”。E.J.Routh在這項(xiàng)竟賽中以其跟據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右半平面的根的數(shù)目的論文奪得桂冠（Routh E J.A Treatise on the Stability of Motion.London,U.K.:Macmillan,1877）。Routh的這一成果現(xiàn)在被稱為勞斯判據(jù)。Routh工作的意義在于將當(dāng)時(shí)各種有關(guān)穩(wěn)定性的孤立的結(jié)論和非系統(tǒng)的結(jié)果統(tǒng)一起來(lái)，開(kāi)始建立有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。[26] 　　Edward John Routh 1831年1月20日出生在加拿大的魁北克。他父親是一位在Waterloo服役的英國(guó)軍官。Routh 11歲那年回到英國(guó)，在de Morgan指導(dǎo)下學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。在劍橋?qū)W習(xí)的畢業(yè)考試中，他獲得第一名。并得到了“Senior Wrangler”的榮譽(yù)稱號(hào)。（Clerk Maxwell排在了第二位。盡管Clerk Maxwell當(dāng)時(shí)被稱為最聰明的人。）畢業(yè)后Routh開(kāi)始從事私人數(shù)學(xué)教師的工作。從1855年到1888年Routh教了600多名學(xué)生，其中有27位獲得“SEnior Wrangler”稱號(hào)。建立了無(wú)可匹敵的業(yè)績(jī)。Routh于1907年6月7日去世，享年76歲。[25] 　　Routh之后大約二十年，1895年，瑞士數(shù)學(xué)家A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨(dú)立給出了跟據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一中方法（Hurwitz A. On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895）。Hurwitz的條件同Routh的條件在本質(zhì)上是一致的。[9]因此這一穩(wěn)定性判據(jù)現(xiàn)在也被稱為Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)[1]。 　　1892年，俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）發(fā)表了其具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文“運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題”（The General Problem of the Stability of Motion,1892）。在這一論文中，他提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的李亞普諾夫方法，也即李亞普諾夫第二方法或李亞普諾夫直接方法。這一方法不僅可用于線性系統(tǒng)而且可用于非線性時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。已成為當(dāng)今自動(dòng)控制理論課程講授的主要內(nèi)容之一。[11][12] Lyapunov在穩(wěn)定性方面的研究受到Routh和Poincare等工作的影響。[12,14] 　　Lyapunov是一位天才的數(shù)學(xué)家。他是一位天文學(xué)家的兒子。曾從師于大數(shù)學(xué)家P.L.Chebyshev（車比曉夫），和A.A.Markov（馬爾可夫）是同校同學(xué)（李比馬低兩級(jí)），并同他們始終保持著良好的關(guān)系。他們共同在概率論方面做出過(guò)杰出的成績(jī)。在概率論中我們可以看到關(guān)于矩的馬爾可夫不等式、車比曉夫不等式和李亞普諾夫不等式。李還在相當(dāng)一般的條件下證明了中心極限定理。[11][13] 　　和他的碩士論文一樣，Lyapunov的博士論文被譯成法文并在Annales de l Universite de Toulouse （1907）上發(fā)表，1949年P(guān)rinceton University Press重印了法文版。1992年在Lyapunov博士論文發(fā)表100周年之際，INT.J.CONTROL以專集形式發(fā)表了Lyapunov論文的英譯版，以紀(jì)念他控制理論領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。[11][14] 2.2 負(fù)反饋放大器及頻域理論的建立[15] 　　在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)理論建立之后，1928年－1945年以美國(guó)AT&T公司Bell實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的科學(xué)家們?yōu)楹诵?，又建立了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。 　　1928年8月2日，Harold Black（1898-1983），在前往Manhattan西街（West Street）的上班途中，在Hudson河的渡船Lackawanna Ferry上靈光一閃，發(fā)明了在當(dāng)今控制理論中占核心地位的負(fù)反饋放大器。由于手頭沒(méi)有合適的紙張，他將其發(fā)明記在了一份紐約時(shí)報(bào)（The New York Times）上，這份早報(bào)已成為一件珍貴的文物診藏在AT&T的檔案館中。 　　當(dāng)時(shí)的Black年僅29歲，從Worcester Polytechnic Institute獲得電子工程學(xué)士畢業(yè)剛六年。是西部電子公司工程部（這個(gè)部后來(lái)成為1925年成立的Bell Labs的核心）的工程師，正在從事電子管放大器的失真和不穩(wěn)定問(wèn)題的研究。Black首先提出了基于誤差補(bǔ)償?shù)那梆伔糯笃鳎诖嘶A(chǔ)上最終提出了負(fù)反饋放大器并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。同年Black就其發(fā)明向?qū)＠痔岢隽碎L(zhǎng)達(dá)52頁(yè)126項(xiàng)的專利申請(qǐng)，但只到九年之后，當(dāng)Black和他在AT&T的同事們開(kāi)發(fā)出實(shí)用的負(fù)反饋放大器和負(fù)反饋理論之后，Black才得到這項(xiàng)專利。 　　反饋放大器的振蕩問(wèn)題給其實(shí)用化帶來(lái)了難以克服的麻煩。為此Harry Nyquist（1889-1976）和其他一些AT&T的通訊工程師介入了這一工作。Nyquist1917年在耶魯大學(xué)（Yale）獲物理學(xué)博士學(xué)位，有著極高的理論造詣。1932年Nyquist發(fā)表了包含著名的“乃奎斯特判據(jù)”（Nyquist criterion）的論文，并在1934年加入了Bell Labs。Black關(guān)于的負(fù)反饋放大器的論文發(fā)表在1934年，參考了Nyquist的論文和他的穩(wěn)定性判據(jù)。 　　這一時(shí)期，Bell實(shí)驗(yàn)室的另一位理論專家，Hendrik Bode（1905-1982）也和一些數(shù)學(xué)家開(kāi)始對(duì)負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。Bode是一位應(yīng)用數(shù)學(xué)家，1926年在俄荷俄州立大學(xué)（Ohio State）獲碩士；1935年在哥倫比亞大學(xué)（ColumbiaUniversity）獲物理學(xué)博士學(xué)位。1940年，Bode引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。 　　1942年，H.Harris引入了傳遞函數(shù)的概念。用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息傳輸?shù)母拍顏?lái)描述系統(tǒng)的性能和關(guān)系。這樣就把原來(lái)由研究反饋放大器穩(wěn)定性而建立起來(lái)的頻率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意義，可以把對(duì)具體物理系統(tǒng)，如力學(xué)、電學(xué)、等的描述，統(tǒng)一用傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)等抽象的概念來(lái)研究[22]。1925年英國(guó)電器工程師O.亥維賽把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題上，提出了運(yùn)算微積。不久拉普拉斯變換就被應(yīng)用到分析自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)問(wèn)題上，并取得了顯著成效。傳遞函數(shù)就是在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入的。[27] 　　至1945年，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻域方法，“波德圖”（Bode plots）方法，已基本建立了。 　　在這同一時(shí)期，蘇聯(lián)科學(xué)家也在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域分析方面取得了進(jìn)展。1938年和1939年，全蘇電工研究所的米哈依洛夫以柯西幅角原理為基礎(chǔ)，發(fā)表論文給出了閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻域判別法。[21-23] 米哈依洛夫還提出了把自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)環(huán)節(jié)按動(dòng)態(tài)特性加以典型化來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的問(wèn)題。 　　米哈依洛夫有關(guān)穩(wěn)定性頻域判據(jù)的論文雖然正式發(fā)表較晚。但他的研究成果在1936年由蘇聯(lián)列寧共產(chǎn)主義青年團(tuán)中央召開(kāi)的青年學(xué)者科學(xué)家工作成果競(jìng)賽會(huì)上曾榮膺獎(jiǎng)金。[23] 米哈依洛夫的方法現(xiàn)被稱為“米哈依洛夫穩(wěn)定判據(jù)”。[22-23]有些學(xué)者又將“乃奎斯特判據(jù)”稱為“乃奎斯特-米哈依洛夫判據(jù)”[23-24]客觀地講，在頻域穩(wěn)定性判別研究中，乃奎斯特不僅在時(shí)間上領(lǐng)先，其工作也更完備。現(xiàn)在我們所使用的也主要是乃奎斯特的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定判據(jù)。 　　除了偏差負(fù)反饋控制，擾動(dòng)控制是另一種重要控制策略。第一個(gè)試圖制造一個(gè)不反映被調(diào)量偏差，而反應(yīng)擾動(dòng)作用的調(diào)節(jié)器的人是龐賽來(lái)（Понселе）。他在1829年曾提出一種有關(guān)蒸汽機(jī)軸轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)器的線路，利用的就是擾動(dòng)控制的原理?？墒怯捎诋?dāng)時(shí)蒸汽機(jī)本身不穩(wěn)定，他的建議遭到了失敗。采用擾動(dòng)調(diào)節(jié)原理且在實(shí)際上能夠工作的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器是1869年由契可列夫所發(fā)明的弧光燈光度調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器同龐賽來(lái)（В.Н.Чиколев）應(yīng)用純擾動(dòng)的調(diào)節(jié)不同，它實(shí)際上建立了閉環(huán)，所以調(diào)節(jié)器在這里也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定（純擾動(dòng)補(bǔ)償控制不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性）[21]。 2.3 根軌跡法的建立 　　在經(jīng)典控制理論中，根軌跡法占有十分重要的地位。它同時(shí)域法，頻域法可稱是三分天下。美國(guó)電信工程師W.R.Evans在這里包打天下，他的兩篇論文“Graphical Analysisof Control System, AIEE Trans. Part II,67（1948）,pp.547-551.”和“Control System Synthesis by Root Locus Method, AIEE Trans. Part II,69（1950）,pp.66-69”即已基本上建立起根軌跡法的完整理論。[18,19，27] 　　Evans所從事的是飛機(jī)導(dǎo)航和控制，其中涉及許多動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題，因此其已經(jīng)又回到70多年前Maxwell和Routh曾做過(guò)的特征方程的研究工作。但Evans用系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)特征方程的根變化軌跡來(lái)研究，開(kāi)創(chuàng)了新的思維和研究方法。Evans方法一提出即受到人們的廣泛重視，1954年，錢(qián)學(xué)森即在他的名著“工程控制論”中專用兩節(jié)介紹這一方法，并將其成為Evans方法。[8,19] 2.4 脈沖控制理論的建立與發(fā)展 　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生和發(fā)展，脈沖控制理論也迅速發(fā)展起來(lái)。 　　在這方面首先作出重要貢獻(xiàn)的是乃奎斯特和香農(nóng)（Shannon）。乃氏首先證明把正弦信號(hào)從它的采樣值復(fù)現(xiàn)出來(lái)，每周期至少必須進(jìn)行兩次采樣。香農(nóng)于1949年完全解決了這個(gè)問(wèn)題。香農(nóng)由此被成為信息論的創(chuàng)始人。 　　線性脈沖控制理論以線性差分方程為基礎(chǔ)，線性差分方程理論在三、四十年代中已逐步發(fā)展起來(lái)。隨著拉氏變換在微分方程中的應(yīng)用，在差分方程中也開(kāi)始加以應(yīng)用。利用連續(xù)系統(tǒng)拉氏變換同離散系統(tǒng)拉氏變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系，奧爾登伯格（R.C.Oldenbourg）和薩托里厄斯（H.Sartorious）于1944年，崔普金（Tsypkin）于1948年分別提出了脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，即線性差分方程的所有特征根應(yīng)位于單位圓內(nèi)。由于離散拉氏變換式是超越函數(shù)，又提出了用保角變換將Z平面的單位圓內(nèi)部轉(zhuǎn)換到新的平面的左半面的方法，這樣即可以使用Routh-Hurwitz判據(jù)，又可將連續(xù)系統(tǒng)分析的頻域方法引入離散系統(tǒng)分析。 　　求得離散型頻率特性后，乃氏穩(wěn)定判據(jù)和其他一切研究線性系統(tǒng)的頻率法都可應(yīng)用，但由于Bode圖的應(yīng)用大受限制，頻率法在離散系統(tǒng)研究中也受到限制。（庫(kù)津（1961）曾試圖用Bode圖來(lái)表示離散型頻率特性，但過(guò)于繁復(fù)而無(wú)法應(yīng)用。） 　　在變換理論的研究方面，霍爾維茲（W.Hurewicz）于1947年邁出了第一步，他首先引進(jìn)了一個(gè)變換用于對(duì)離散序列的處理。在此基礎(chǔ)上，崔普金于1949年，拉格茲尼和扎德（J.R.Ragazzini 和 L.A. Zadeh）于1952年分別提出了和定義了Z變換方法，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算步驟，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。 　　由于Z變換只能反應(yīng)脈沖系統(tǒng)在采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，崔普金、巴克爾（R.H.Barker）和朱利（E.I.Jury）又分別于1950年、1951年和1956年提出了廣義Z變換或修正Z變換（modified Z-transform）的方法。對(duì)同一問(wèn)題，林威爾（W.K.Linvill）也于1951年用描述函數(shù)的方法進(jìn)行了有效的研究，不過(guò)這一方法目前已較少使用。 　　回顧脈沖控制理論的發(fā)展，盡管俄國(guó)的崔普金及英國(guó)的巴克爾等都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，但建立脈沖理論的許多工作都是由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的拉格茲尼和他的博士生們完成的。他們包括朱里（離散系統(tǒng)穩(wěn)定的朱里判具，能觀測(cè)性與能達(dá)性，分析與設(shè)計(jì)工具等），卡爾曼（離散狀態(tài)方法，能控性與能觀性等。是自控界第二位獲IEEE Model of Honor者（1974）），扎德（Z變換定義等。是自控界第五位獲IEEE Model of Honor者（1995））。五十年代末，脈沖系統(tǒng)的Z變換法已臻成熟，好幾本教科書(shū)同時(shí)出版。[16,17] 2.5 歷史上的三本重要著作[27] 在控制理論發(fā)展的歷史上有三部著作特別值得一提，即 目前被作為信息論開(kāi)端的香農(nóng)（Claude Elwood Shannon,1916-）的論文： 《通訊的數(shù)學(xué)理論》（A Mathematical Theory of Communication） 　　1948年發(fā)表在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志》第27卷。這篇論文同其1949年發(fā)表的論文《噪聲中的通訊》（Communication in Presence of Noise.Proc.IRE,37,10-21）奠定了信息論的基礎(chǔ)。 控制論創(chuàng)立者維納（Norbert Wienner,1894-1964）的經(jīng)典論著： 　　《控制論，或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》（Cybernetics or Control and Communication in the annimal and the machines. 1948） 　　錢(qián)學(xué)森（Tsien H S,1991-）的著作 　　《工程控制論》（Engineering Cybernetics. 1954） 　　這三部著作對(duì)人類社會(huì)有著巨大的影響，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：控制論，信息論和工程控制論。 　　在中國(guó)，1954年出版了由劉豹編寫(xiě)的第一本《自動(dòng)控制原理》專著（上海：中國(guó)科學(xué)圖書(shū)儀器公司.1954）。 3. 歷史的思考 　　回顧控制技術(shù)和控制理論幾千年的發(fā)展歷史，我們可以總結(jié)出科學(xué)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)： 1）社會(huì)發(fā)展的需要是科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。 　　控制技術(shù)的存在與發(fā)展已有數(shù)千年的歷史，但只有在工業(yè)的發(fā)展對(duì)動(dòng)力產(chǎn)生巨大的需求，蒸氣機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題出現(xiàn)并具有至關(guān)重要的意義時(shí)，人們才集中智力來(lái)解決這一難題，并由此產(chǎn)生了穩(wěn)定性理論。頻域方法和離散（脈沖）系統(tǒng)理論同樣如此，也是在通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中為解決關(guān)鍵問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的。 　　錢(qián)三強(qiáng)先生就曾指出：“科學(xué)來(lái)源于生產(chǎn)和對(duì)自然現(xiàn)象的觀察，它的發(fā)展取決于生產(chǎn)和社會(huì)的需求。”[20] 2）科學(xué)的進(jìn)步是集體努力的結(jié)果，在這一點(diǎn)上往往顯示出科學(xué)家的群體效應(yīng)。 　　同早期科學(xué)理論的發(fā)展不同，現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展要依賴于集體的智慧。穩(wěn)定性理論、頻域理論及脈沖理論的建立與發(fā)展很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。 3）科學(xué)的發(fā)明與科學(xué)理論的建立有賴于科學(xué)家堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。杰出的科學(xué)家大多是多面發(fā)展的。 　　要現(xiàn)代科學(xué)理論的建立有賴于有堅(jiān)實(shí)與深厚的知識(shí)基礎(chǔ)。Black雖然最早提出了負(fù)反饋放大器的思想，但由于他本人理論基礎(chǔ)較差（學(xué)士學(xué)位，只有六、七年的工作經(jīng)驗(yàn)），頻域理論卻是在Nyquist博士和Bode博士等的努力下建立的。Black本人的論文也是在參考了Nyquist的論文之后才完成，他的專利申請(qǐng)也是在Nyquist等的工作完成后才被認(rèn)可并獲準(zhǔn)的。同樣，在控制理論發(fā)展史上做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家如Maxwell、Lyapunov、Zadeh、July等無(wú)不在多個(gè)方面均有建樹(shù)。 4）沒(méi)有理論，社會(huì)實(shí)踐就不能成為系統(tǒng)的科學(xué)，實(shí)踐也就難以深入和系統(tǒng)地發(fā)展。 　　控制技術(shù)和理論的發(fā)展還表明了這樣一個(gè)道理：任何社會(huì)實(shí)踐沒(méi)有理論就不能成為科學(xué)，也就難以發(fā)展。控制技術(shù)在中國(guó)和巴比倫已有數(shù)千年的歷史，但由于沒(méi)有上升為理論，只能在低級(jí)的水平上發(fā)展。1868年以來(lái)，隨著控制理論的建立，控制理論和控制技術(shù)同時(shí)開(kāi)始飛速發(fā)展，控制技術(shù)終于成為人們征服自然與改造自然的有力武器。不僅于此，由于我們中國(guó)幾千年來(lái)只重技術(shù)不重理論，我們現(xiàn)在的歷史就是十六、十七世紀(jì)前“燦爛輝煌的古代文明”，而在十六、十七世紀(jì)西方科學(xué)理論體系開(kāi)始建立之后，就開(kāi)始相對(duì)日趨末落，終于到了“落后”的近代，挨打受欺，以至于“喪權(quán)辱國(guó)”了。 （1998/5/5修改,原文發(fā)表于《自動(dòng)化博覽》1996年第5期22-25） 參考文獻(xiàn) [1][英]李約瑟. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)史. 第四卷天學(xué)第二分冊(cè). 北京: 科學(xué)出版社,336-341,1975 [2]同上,340-377. [3]同上,439-446. [4]同上,446-459. [5]錢(qián)偉長(zhǎng). 我國(guó)歷史上的科學(xué)發(fā)明,48-50. 北京: 中國(guó)青年出版社, 1953 [6][英]亞.沃爾夫.十八世紀(jì)科學(xué)、技術(shù)和哲學(xué)史,707-714.北京:商務(wù)印書(shū)館,1991 [7]同上,730-753. [8]楊位欽,謝錫祺.自動(dòng)控制理論基礎(chǔ),3-5.北京:北京理工大學(xué)出版社,1991 [9]Clark Robert N.The Routh-Hurwitz Stability Criterion, Revisited.IEEE Control System Magazine,Vol12（3）:119-120,1992 [10]Fuller A T.James Clerk Maxwell s Glasgow manuscripts:extracts relating to control and stability. INT.J.CONTROL.VOL.43（5）:1593-1612. [11]Smirnov V I.Biography of A.M.Lyapunov.INT.J.CONTROL,Vol.55（3）,775-784,1992 [12]黃琳,于年才,王龍.李亞普諾夫方法的發(fā)展與歷史成就. 自動(dòng)化學(xué)報(bào),vol19（5）:587-595,1993 [13]周概容.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì),274-278,410.北京:高等教育出版社,1987 [14]Fuller A T.Guest Editorial Lyapunov Centanary Issue. INT.J.CONTROL,Vol.55（3）:521-527,1992 [15]Kline Ronald.Harold Black and the Negative-Feedback Amplifier. IEEE Control System Vol.13（4）:82-85 [16]Astrom K J, Wittenmark B. COMPUTER CONTROLLED SYSTEMS. Printice-Hall, Inc.,1984 [17]王新民等.自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)展（1）,52-74.北京: 科學(xué)出版社, 1963 [18]Ogata K. Modern Control Engineering. second edition.Prentice Hall,1990 [19]Tsien H S.Engineering Cybernetics,42-49.1954 國(guó)內(nèi)影印本：工程控制論. 英2-3/2 [20]錢(qián)三強(qiáng). 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)況. 北京: 知識(shí)出版社, 1980 [21]波波夫.自動(dòng)調(diào)節(jié)（基本概念）.陳以一，王朝馥譯.北京：國(guó)防出版社，1962 [22]項(xiàng)國(guó)波.ITAE最佳控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986 [23]索洛多夫尼柯夫主編.自動(dòng)調(diào)整原理.王重托譯.北京：電力工業(yè)出版社，1957 [24]劉豹.自動(dòng)控制原理.上海：中國(guó)科學(xué)圖書(shū)儀器公司.1954 [25]Fuller A T.Edward John Routh.Int. J. Control,1977,Vol.26,No.2,169-173 [26]MacFarlane A G J,Fuller A T.Routh Centenary Issue. Int. J. Control, 1977, Vol.26, No.2, 167-168 [27]《中國(guó)大百科全書(shū).自動(dòng)控制與系統(tǒng)工程》.北京：中國(guó)大百科全書(shū)出版社，1991 [28]貝爾 E T.數(shù)學(xué)精英. 徐源譯. 宋蜀碧校. 北京：商務(wù)印書(shū)館，1991 [29]布斯 A D[英]. 自動(dòng)化與計(jì)算技術(shù). 吳怡，莫莎譯. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1965 　 作者單位：飛翔化工（張家港）有限公司 　 地址：江蘇省張家港市鳳凰鎮(zhèn)徐市街　215613　 Email：mabiao@feixiangchem.com