20世纪前半叶自动控制理论的发展概况

20世纪初，人们实现了舰船的自动操纵。1911年，斯佩雷（Elmer Sperry）发明了舰船自动驾驶系统，尝试采用PID控制思想和自动增益调整来提高系统性能。1922年，米诺斯基（Nicholas Minorsky）（1885—1970）从理论上清晰地分析了船的自动驾驶问题，推导出了PID（Proportional-Integral-Derivative）控制规律。PID控制结构简单、稳定性好、工作可靠，既可应用于已知数学模型的系统，也可应用于无法精确建模或者无法建模的复杂系统，便于现场调试，在实际工程中得到了广泛应用。目前95%以上的过程控制回路和90%以上航空航天控制回路都采用了PID控制。2017年国际自动控制联合会（IFAC）的工业委员会对工业技术现状进行了调查，在十几种控制方法中，PID以百分之百好评（零差评）的绝对优势居于榜首。

随着电子放大器的问世，20世纪初长途电话通信受到重视和研究。为了克服信号失真，1927年8月2日，布莱克（Harold S.Black）发明了负反馈放大器。布莱克发明的负反馈放大器于1928年开始被应用，长距离通信就此进入实用阶段。然而采用负反馈放大器后，人们发现系统中容易发生“啸鸣”等不稳定现象。因为该系统动力学方程比较复杂（常常要用50阶微分方程描述），这为劳斯判据的使用造成了麻烦。于是贝尔实验室的通信工程师们开始转向频域分析。1932年，奈奎斯特（Harry Nyquist）发表了关于反馈放大器的经典论文，运用复变函数理论给出了反馈系统的频域稳定性判据（Nyquist判据），这是一种相当简便的分析方法，根据系统对正弦输入信号的开环稳态响应，就可以确定闭环系统的稳定性，而不需要知道系统的微分方程数学模型。进一步，奈奎斯特图可以直接提示如何调整开环增益与频率的关系来改进系统的稳定性。这一时期，伯德（Hendrik W.Bode）也开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。1940年，伯德发表《反馈放大器设计中衰减与相位的关系》一文，引入了对数幅频图和相频图，对简化运算迈出了重要一步。1945年，伯德又著有《网络分析和反馈放大器设计》，给出了一种以频率响应法为基础的反馈控制系统分析和设计理论，非常实用。总之，1928年到1945年期间，以美国电话电报公司（AT&T）的贝尔（Bell）实验室的科学家们（Bode，Nyquist）为核心，建立了控制系统分析与设计的频域方法。尽管20世纪50年代后，状态空间控制理论发展得十分完整，但许多设计人员仍然以频率响应的理论指导工程系统的控制器设计，这个长期存在的事实表明了频率域理论的强大生命力。我们将在第5、6章学习控制系统的频率域分析和设计方法。

社会的需要是科学发展的动力。第二次世界大战的爆发和美国的参战像催化剂，迅速把科学家和工程技术人员推向了科研应用的最前沿，自动控制理论也得到了巨大的发展。战争需要用反馈控制的方法设计和建造飞机自动驾驶仪、火炮自动定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统，这些军用系统的复杂性和对高性能的追求，要求拓展已有的控制技术，使得人们更加关注控制系统，因而产生了许多新的见解和方法，极大地推动了控制理论的发展。在美国，美国麻省理工学院雷达实验室的工程师和数学家们将他们的研究成果以及频域控制理论、PID控制理论、维纳提出的随机过程理论等整合在一起，形成了关于随动（伺服）控制系统的一整套设计方法。

1942年，齐格勒（J.G.Ziegler）和尼柯尔斯（N.B.Nichols）提出了调整PID控制器参数的法则，称为齐格勒-尼柯尔斯整定法则。(www.xing528.com)

1948年，美国的伊万思（W.Evans）提出了根轨迹法，这是一种图解方法，通过描绘特征方程的根在某个参数改变时的运动轨迹，来分析和设计线性定常控制系统。

1948年，美国数学家维纳（Nobert Wiener）出版了著作《控制论》（Cybernetics），副标题为“动物和机器中控制与通信的科学”（Control and Communication in the Animal and Machines），该书从控制的观点揭示了动物与机器的共同信息和控制规律，把反馈的概念推广到生物、神经、经济及社会等复杂系统。

总之，在1940年之前，控制系统设计在绝大部分场合还是一门艺术或手艺，用的是“试凑法”。而到了20世纪40年代，无论在数学分析还是实用性方面，控制系统的设计方法都有了很大发展，控制技术因而也发展成为一门工程科学，形成了以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题，分析设计方法主要包括时域法、根轨迹法、频域法。