自动化技术史

10自动化技术史引言自古以来﹐人类就有制造自动装置以减轻或代替人劳动的想法。自动化技术的产生和进展经受了漫长的历史过程。古代中国的铜壶滴漏(简称漏壶)﹑指南车以及17世纪欧洲消灭的钟表和风磨掌握装置﹐虽然都是毫无联系的制造﹐但对自动化技术的形成却起到了先导作用。自动化技术的进展历史﹐大致可以划分为自动化技术形成﹑局部自动化和综合自动化三个时期。社会的需要是自动化技术进展的动力。自动化技术是严密围围着生产﹑军事设备的掌握以及航空航天工业的需要而形成和进展起来的。1788年﹐J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度掌握问题﹐把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速调整系统﹐使蒸汽机变为既安全又有用的动力装置。瓦特的这项制造开创了自动调整装置的争论和应用。在解决随之消灭的自动调整装置的稳定性的过程中﹐数学家提出了判定系统稳定性的判据﹐积存了设计和使用自动调整器的阅历。2040﹐一批科学家为了解决军事上提出的火炮掌握﹑导航﹑飞机导航等技术问题﹐逐步形成了以分析和设计单变量掌握系统为主要内容的经典掌握理论与方法。机械﹑电气和电子技术的进展为生产自动化供给了技术手段。1946年﹐美国福特公司的机械工程师D.S.哈德首先提出用自动化一词来描述生产过程的自动操作1947年建立第一个生产自动化争论部门。1952年J.迪博尔德第一本以自动化命名的《自动化》一书出版﹐他认为“自动化是分析﹑组织和掌握生产过程的手段”。实际上﹐自动化是将自动掌握用于生产过程的结果。50年月以后﹐自动掌握作为提高生产率的一种重要手段开头推广应用。它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化﹔在石油﹑化工﹑冶金等连续生产过程中应用﹐对大规模的生产设备进展掌握和治理﹐形成了过程自动化。电子计算机的推广和应用﹐使自动掌握与信息处理相结合﹐消灭了业务治理自动化。5060﹐大量的工程实践﹐尤其是航天技术的进展﹐涉及大量的多输入多输出系统的最优掌握问题﹐用经典的掌握理论已难于解决﹐于是产生了以极大值原理﹑动态规划和状态空间法等为核心的现代掌握理论。现代掌握理论供给了满足放射第一颗人造卫星的掌握手段﹐保证了其后的假设干空间计画(如的制导﹑航天器的掌握)的实施。掌握工作者从过去那种只依据传递函数来考虑掌握系统的输入输出关系﹐过渡到用状态空间法来考虑系统内部构造﹐是掌握工作者对掌握系统规律生疏的一个飞跃。60年月中期以后﹐现代掌握理论在自动化中的应用﹐特别是在航空航天领域的应用。产生一些的掌握方法和构造﹐如自适应和随机掌握﹑系统辨识﹑微分对策﹑分布参数系统等。与此同时﹐模式识别和人工智能也进展起来﹐消灭了智能机器人和专家系统。现代掌握理论和电子计算机在工业生产中的应用﹐使生产过程掌握和治理向综合最优化进展。70年月中期﹐自动化的应用开头面对大规模﹑简单的系统﹐如大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等﹐它不仅要求对现有系统进展最优掌握和治理﹐而且还要对将来系统进展最优筹划和设计﹐运用现代掌握理论方法已不能取得应有的成效﹐80年月初﹐随着计算机网络的快速进展﹐治理自动化取得较大进步﹐消灭了治理信息系统﹑办公自动化﹑决策支持系统。与此同时﹐人类开头综合利用传感技术﹑通信技术﹑计算机﹑系统掌握和人工智能等技术和方法来解决所面临的工厂自动化﹑办公自动化﹑医疗自动化﹑农业自动化以及各种简单的社会经济问题。研制出柔性制造系统﹑决策支持系统﹑智能机器人和专家系统等高级自动化系统。自动化技术的进展历史是一部人类以自己的聪明才智延长和扩展器官功能的历史﹐自动化是现代科学技术和现代工业的结晶﹐它的进展充分表达了科学技术的综合作用。自动装置的消灭和应用(18世纪以前)古代人类在长期生产和生活中﹐为了减轻自己的劳动﹐渐渐产生利用自然界动力代替人力畜力﹐以及用自动装置代替人的局部繁难的脑力活动的愿望﹐经过漫长岁月的探究﹐他们互不相关地造出一些原始的自动装置。古代自动装置公元前14～前11﹐中国﹑埃及和巴比伦消灭了自动计时装置──漏壶﹐为人类研制和使用自动装置之始。中国的漏壶最初使用泄水型漏壶﹐后来承受受水型漏壶﹐经过不断改进﹐又进展成三级漏壶。1135年﹐中国的燕肃在一种名叫莲化漏的三级漏壶中承受了自动装置调整液位。在中国的三国时期﹐使用了自动指向的指南车﹐据分析这是利用开环或闭环原理制成的自动装置。公元1世纪古埃及和希腊的制造家也制造了一些机器人或机器动物来适应当时宗教活动的需要。如教堂庙门自动开启﹑铜祭司自动洒圣水﹑投币式圣水箱和教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置。中国天文学家张衡(公元78～139)曾经制造了对天体运行状况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震征兆的候风地动仪。1086～1092年中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)﹑浑象(天文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。近代自动装置17世纪以来﹐随着生产的进展﹐在欧洲的一些国家相继消灭了多种自动装置﹐其中比较典型的有﹕法国物理学家B.帕斯卡在1642年制造能自动进位的加法器﹔荷兰机械师C.惠更斯于1657年制造钟表﹐提出钟摆理论﹐利用锥形摆作调速器﹔英国机械师E.李1745年制造带有风向掌握的风磨﹐利用尾翼来使主翼对准风向﹔俄国机械师И.И.波尔祖诺夫1765年制造浮子阀门式水位调整器﹐用于蒸汽锅炉水位的自动掌握。自动化技术形成时期(18～20301788年英国机械师J.瓦特制造离心式调速器(又称飞球调速器)﹐并把它与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速的闭环自动掌握系统(见图瓦特离心式调速器对蒸汽机转速的掌握)。瓦特的这项制造开创了近代自动调整装置应用的纪元﹐对第一次工业革命及后来掌握理论的进展有重要影响。自动调整器的广泛应用在这一时期中﹐由于第一次工业革命的需要﹐人们开头承受自动调整装置﹐来应付工业生产中提出的掌握问题。这些调整器都是一些跟踪给定值的装置﹐使一些物理量保持在给定值四周。自动调整器应用标志着自动化技术进入的历史时期。1854年俄国机械学家和电工学家К﹒И﹒康斯坦丁诺夫制造电磁调速器。1868年法国工程师J.法尔科制造反响调整器﹐并把它与蒸汽阀连接起来﹐操纵蒸汽船的舵。他把这种自动掌握的气动船舵称为伺2020～30﹐美国开头承受PIDPID﹐现在还有很多工厂承受这种调整器。自动调整器的稳定性问题 由于瓦特制造的离心式调速器有时会造成系统的不稳定﹐使蒸汽机产生猛烈的振荡。到了19世纪又觉察船舶上自动操舵机的稳定性问题。这就迫使一些数学家用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题。1868年英国物理学家J.C.麦克斯韦发表《论调速器》的文章﹐总结了无静差调速器的理论。1876年俄国机械学家И﹒А﹒维什涅格拉茨基在法国科学院院报上发表《论调整器的一般理论》的文章﹐进一步总结了调整器的理论。维什涅格拉茨基用摄动理论使调整问题大为简化。他用线性微分方程来描述整个系统(调整器与被调对象组成的系统)﹐把问题变成只要争论齐次方程的通解所打算的运动状况﹐使调整系统的动态特性仅打算于两个参量。由此推得系统的稳定条件﹐把参量平面划分成稳定域和不稳定域(后称维什涅格拉茨基图)。1877年英国数学家E.J.劳思提出代数稳定判据﹐即著名的劳思稳定判据。1895年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式﹐即著名的胡尔维茨稳定判据。劳思-胡尔维茨稳定判据是当时能事先判定调整器稳定性的重要判据。1892年俄国数学家李雅普诺夫﹐А.М.发表《论运动稳定性的一般问题》的专着﹐从数学方面给运动稳定性的概念下了严格的定义﹐并争论出解决稳定性问题的两种方法。李雅普诺夫第一法又称一次近似法﹐明确了用线性微分方程分析稳定性的精准适用范围。李雅普诺夫其次法又称直接法﹐不仅可以用来争论无穷小偏移时的稳定性(小范围内的稳定性)﹐而且可以用来争论肯定限度偏移下的稳定性(大范围内的稳定性)。李雅普诺夫稳定性理论至今仍是分析系统稳定性的重要方法。反响掌握和频率法 进入20世纪以后﹐工业生产中广泛应用各种自动调整装置﹐促进了对调整系统进展分析和综合的争论工作。这一时期虽然在自动调整器中已广泛应用反响掌握的构造﹐但从理论上争论反响掌握的原理则是从20世纪20年月开头的。1927年美国贝尔试验室的电气工程师H.S.布莱克在解决电子管放大器失真问题时首先引入反响的概念。1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上﹐提出了运算微积。不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调整系统的问题上﹐并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换的根底上引入的描述线性定常系统或线性元件的输入输出关系的函数﹐是分析自动调整系统的重要工具。在传递函数根底上进展起来的频率响应的方法即频率法已成为经典掌握理论中分析和综合自动调节系统的重要方法。1932年美国电信工程师奈奎斯特﹐H.提出著名的奈奎斯特稳定判据﹐可以直接依据系统的传递函数来判定反响系统的稳定性。1938A.B.米哈伊洛夫应用频率法来争论自动调整系统的稳定性﹐提出著名的米哈伊洛夫稳定判据。程序掌握和自动机1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序掌握的原理。他想用法国制造家J.M1936年英国数学家图灵﹐A.M.提出著名的图灵机﹐用来定义可计算函数类﹐1938年美国电气工程师香农﹐C.E.和日本数学家中岛﹐1941В﹒И﹒舍斯塔科夫﹐分别独立地建立了规律自动机理论﹐用仅有两种工作状态的继电器组成了规律自动机﹐实现了规律掌握。经典掌握理论的诞生 1922年N.米诺尔斯基发表《关于船舶自动操舵的稳定性》﹐1934年美国科学家H.L.黑曾发《关于伺服机构理论﹐1934年苏联科学家И﹒Н﹒沃兹涅先斯基提《自动调整理论》﹐1938年苏联电气工程师A.B.1939年苏联科学院成立自动学和远动学争论所(1969建立伺服机构试验室。这是世界上第一批系统与掌握的专业争论机构﹐20世纪40年月形成经典掌握理论和进展局部自动化作了理论上和组织上的预备。局部自动化时期(2040～50其次次世界大战时期形成的经典掌握理论对战后进展局部自动化起了重要的促进作用。在其次次世界大战期间﹐德国的空军优势和英国的防范地位﹐迫使美国﹑英国和西欧各国科学家集中精力解决了防空火力掌握系统和飞机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中形成了经典掌握理论﹐设计出各种周密的自动调整装置﹐开创了系统和掌握这一的科学领域。经典掌握理论的形成和进展这一的学科当时在美国称为伺服机构理论﹐在苏联称为自动调整理论﹐主要是解决单变量的掌握问题。经典掌握理论这个名称是1960上提出来的。在这次会议上把系统与掌握领域中争论单变量掌握问题的学科称为经典掌握理论﹐争论多变量掌握问题的学科称为现代掌握理论。当时在分析和设计反响伺服系统时广泛承受传递函数和频率响应的概念。最常用的方法是奈奎斯特法(1932)﹑波德法(1945)和埃文斯法(1948)。埃文斯法又称根轨迹法﹐是美国电信工程师W.R19482030～40的设计而进展起来的频率法奠定了经典掌握理论的根底﹐后来频率法成为分析和设计线性自动掌握系统的主要方法。这种方法不仅能定性地判明设计方向﹐而且它本身就是近似计算的简便工具。因此﹐对于在很大程度上仍旧需要依靠阅历和尝试的掌握系统的工程设计问题来说﹐这种方法是特别有效和特别受欢送的。1945年后由于战时出版禁令的解除﹐1945年美国电信工程师H.W.波德发表专着《网络分析和反响放大器设计》。同年﹐美国电信工程师L.A.麦科尔发表第一本关1947年美国麻省理工学院的物理学家H.M.詹姆斯﹑电信工程师N.B.尼科尔斯和数学家R.S.菲利普斯三人合着的第一本经典掌握理论的教材《伺服机构理论》正式出版。从20世纪40年月末开头在美国和西欧的一些大学里给工科专业的大学生和争论生开设伺服机构理论的课程﹐在苏联的工业大学里则开设自动调整理论的课程。到了50程系里设有自动化方面的专业﹐特地培育系统与掌握方面的人才。1945年美国数学家维纳﹐N.把反响的概念推广到一切掌握系统。1946年由美国生理学家W.S.麦卡洛克建议在纽约召开关于反响作用的跨学科科学争论会。1948年维纳发表《掌握论》一书﹐为掌握论奠定了根底。同年﹐美国电信工程师香农﹐C.E.发表《通信的数学理论》﹐为信息论奠定了根底。维纳和香农从掌握和信息这两个侧面来争论系统的运动﹐维纳还从信息的观点来争论反响掌握的本质。从今人们对反响和信息有了较深刻的理解。1954年中国系统科学家钱学森全面地总结了经典掌握理论﹐并进一步把它提高到更高的理论高度上﹐在美国出版《工程掌握论》一书。工程掌握论的目的是争论掌握论这门科学中能够直接用在工程上设计受控系统的那些局部。工程掌握论使我们有可能有更宽阔的眼界用更系统的方法来观看有关的问题﹐因而往往可以得到解决旧问题的更有效的方法﹐还可能提醒的以前没有看到过的前景。50﹐1951年苏联科学家Я﹒Э﹒齐普金提出了脉冲系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。1952年美国哥伦比亚大学教授J.R.拉加齐尼领导的一个小组具体争论了采样系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。与此同时﹐一些历史上早已提出的问题又得到了的争论。如1938年香农﹐C.E.等人提出的规律掌握﹐1943年И﹒Н﹒沃兹涅先斯基提出的协调掌握﹐1941年苏联数学家A.H.柯尔莫戈罗夫和美国数学家维纳﹐N.分别独立争论出来的最优线性滤波器﹐1951﹐1952﹐J.von出的冗余技术﹐以及1952年英国精神病医生W.R.阿什比提出的自冷静和自适应等概念﹐渐渐渗入到掌握理论的争论中来。高速飞行﹑核反响堆﹑大电力网和大化工厂提出的的掌握问题﹐促使一些科学家对非线性系统﹑继电系统﹑时滞系统﹑时变系统﹑分布参数系统和有随机输入的系统的掌握问题进展了深入的争论。经典掌握理论的方法根本上能满足其次次世界大战中军事技术上的需要和战后工业进展上的需要。但是到了50年月末就觉察把经典掌握理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论。经典掌握理论的方法有其局限性。局部自动化的广泛应用 战后在工业掌握上已广泛应用PID调整器﹐并用模拟电子计算机来争论和实现这种调整器的功能。与此同时﹐工业掌握中开头应用由继电器构成的规律掌握器﹐消灭了程序控制。局部自动化(即单个过程或单个机器的自动化)得到了快速的进展。在工厂中可以看到各种各样的自动调整装置或自动掌握装置。这种装置一般都可以分装两个机柜。一个机柜装各种PID调整器﹐另一个机柜则装很多继电器和接触器﹐作起动﹑停顿﹑联锁和保护之用。当时大局部PID﹐也有气动的和液压的(直到1958年才引入第一代电子掌握系统)﹐因而在构造上显得相当简单﹐掌握速度和掌握精度都有肯定的局限性﹐牢靠性也不是很抱负的。现在在很多工厂中还可以看到这种模拟式调整器。生产自动化的进展促进了自动化仪表的进步﹐消灭了测量生产过程的温度﹑压力﹑流量﹑物位﹑机械量等参数的测量仪表。最初的仪表大多属于机械式的测量仪表﹐一般只作为主机的附属部件被承受﹐构造简洁﹐功能单一。203040﹐消灭了气动仪表﹐统一了压力信号﹐研制出气动单元组合仪表。50﹑电子电位差计和电子测量仪表﹐电动式和电子式的单元组合式仪表。电子数字计算机的制造 20世纪40年月中制造的电子数字计算机开创了数字程序掌握的纪元﹐虽然当时还局限于自动计算方面﹐但为60～70年月自动化技术的飞速进展奠定了根底1925年美国麻省理工学院的V.布什领导的一个争论小组设计制造第一台大型模拟计算机──微分分析器﹐可以用来解常微分方程。第一代样机是纯机械式的。其次代样机是机电式的﹐于1942年完成﹐在其次次世界大战期间被广泛用于计算炮击表。布什的微分分析器开创了机器计算的时代。1939～1944年间美国哈佛大学的物理学家H.艾肯在美国商业机器公司(IBM)的支持下用一般的继电器研制成功世界上第一台程序掌握的通用数字计算机﹐称为自动挨次掌握计算器“马克Ⅰ”。这台机电式的通用数字计算机于1944年在哈佛投入运行﹐可以自动依据程序员编制的一系列指令进展运算。指令由穿孔纸带送入计算机﹐在执行指令时参与运算的数放在存放器内。“马克Ⅰ”开创了程序掌握的纪元。1943～1946年美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院的电气工程师J.P.埃克脱和物理学家J.W.莫奇利为美国陆军军械部研制世界上第一台电子数字计算机──电子数字积分和自动计算器(ENIAC)。ENIAC194511﹐1946218000﹐30﹐1500ENIAC争论工作的普林斯顿高级争论所的美籍匈牙利数学家诺伊曼﹐J.von和宾夕法尼亚大学的戈德斯坦合写过一份总结报告﹐标题是《关于电子计算机的规律设计的初步争论》﹐在这份报告中提出了存储程序的19466281950台存储程序式电子数字计算机──离散变量电子自动计算机(EDVAC)。这台计算机也装备在亚伯丁武器ENIAC和EDVAC﹐制造为60～70年月在掌握系统中广泛应用程序掌握和规律掌握以及广泛应用电子数字计算机直接掌握生产过程奠定了根底。综合自动化时期(205020世纪50年月末空间技术快速进展﹐把经典掌握理论推广到多变量系统的掌握﹐都遭到了失败。需要寻求的理论和方法﹐于是诞生了现代控制理论。现代掌握理论的形成和进展为综合自动化奠定了理论根底。在这一时期﹐微电子技术有了的突破。1958﹐1965﹐1971消灭对掌握技术产生了重大影响﹐掌握工程师可以很便利地利用微处理机来实现各种简单的掌握﹐使综合自动化成为现实。1957年912(IFAC18席了这次大会。中国是发起国之一。会上通过了大会的章程和细则﹐选举美国自动掌握专家H.切斯特纳为IFAC第一届主席。从1960年起每三年召开一次国际自动掌握学术大会﹐并出版《自动学》﹑IFAC通讯》等期刊﹐IFAC﹐通过国际合作来推动系统和掌握领域的进展。现代掌握理论的形成和进展1956年苏联数学家庞特里亚金﹐Л.С.提出极大值原理。同年﹐美国数学家贝尔曼﹐R.创立动态规划。极大值原理和动态规划为最优掌握供给了理论工具。动态规划还包含了决策最优化的根本原理﹐并觉察了维数灾难问题。1959年美国数学家卡尔曼﹐R.E.提出著名的卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器是一种递推滤波器﹐可直接从信号模型动身﹐用递推的方法求最优线性滤波器的构造和最优增益﹐得到动态跟综系统。卡尔曼滤波器适合于用电子计算机来实现﹐可用来解决随机最优掌握问题。1960年卡尔曼提出能控性和能观测性两个构造概念﹐提醒了线性系统很多属性间的内在联系。卡尔曼还引入状态空间法﹐提出具有二次型性能指标的线性状态反响律﹐给出最优调整器的概念。这些概念和方法的消灭标志着现代掌握理论的诞生。掌握的主要目标是解决多变量系统的最优掌握问题﹐它主要是建立在状态空间法(时域法)的根底上。在1960年召开的第一届全美联合自动掌握会议上确认了现代掌握理论这一学科。20世纪60～70年月﹐现代掌握理论得到很大的进展﹐确立了很多与状态空间相联系的概念﹐并引入很多的数学方法﹐形成各种的学派。60年月时域法在空间技术上获得卓有成效的应用﹐但用到工业过程掌握上却遇到了障碍。其主要缘由是难以得到受控对象的准确的数学模型﹐性能指标不能以明确的形式表达出来﹐直接承受最优掌握和最优滤波的综合方法所得到的掌握器往往构造过于简单﹐甚至无法实现。于是恢复了对频域法的兴趣。60年月中期卡尔曼就提出用频域法描述最优掌握问题。1969彻斯特大学教授罗森布罗克﹐H.H.发表著名论文《用逆奈奎斯特阵列法设计多变量掌握系统》﹐开创了现代频域法的纪元。逆奈奎斯特阵列法(INA)的根本思想是﹕先在受控对象前面或后面加一个预补偿器﹐来减弱各回路间的关联作用﹐使系统的开环传递函数矩阵成为对角优势矩阵﹐因而系统的设计可简化为假设干单回路系统的补偿设计问题。1973年英国曼彻斯特大学教授D.Q.梅恩依据罗森布罗克的设计思想﹐结合波德的回差概念﹐提出序列回差法(SRD)。序列回差设计方法的特点是挨次地每次闭合一个回路﹐用经典频域法计算反响对整个闭环传递函数的影响﹐依据回差概念﹐挨次迭代进展﹐逐步完成整个系统的设计。它不要求加预补偿器﹐进展对角优势处理﹐1973年英国学者D.H.欧文斯把经典掌握理论和状态空间法结合起来提出并矢开放法﹐并用这种方法成功地分析了核反响堆模型。并矢开放法是用掌握器直接补偿受控对象的特征传递函数﹐因而掌握器构造简洁﹐1975年英国曼彻斯特大学教授麦克法兰﹐A.G.J.把经典掌握理论中的波德-奈奎斯特法和状态空间法结合起来提出特征轨迹法。这种方法是通过变换求出特征传递函数和特征方向﹐用经典掌握理论中的奈奎斯特稳定判据﹐由开环的特征轨迹判定闭环系统的稳定性和整体特性﹐由特征方向判定系统的关联程度。因此这是一种比较完整的分析设计法﹐也是一种试凑法﹐设计者的阅历格外重要。现代频域法已成功地用于石油﹑化工﹑造纸﹑原子反响堆﹑飞机发动机和自动驾驶仪等设备中多变量系统的分析和设计上﹐取得了令人满足的结果。在掌握系统计算机关心设计程序包中现代频域法也占有重要地位。现代掌握理论的快速进展﹐使掌握理论与数学严密地联系在一起﹐成为应用数学的一个分支。19691974年加拿大数学家W.M.旺纳姆引入不变子空间的概念﹐创立了几何系统理论。赫尔斯特朗等人提出的量子力学系统理论则具有完全不同的形式﹐很可能应用到激光那样的系统中。现代掌握理论变得相当简单﹐60年月末到70年月初开头消灭掌握系统计算机关心设计(CADCS)。掌握工程师可以利用CADCS软件包藉助于电子计算机在短时间内设计出优良的掌握系统。系统辨识﹑建模与仿真现代掌握理论中最优掌握器的设计﹑观看器的设计和零极点配置等都是在系统的动态方程或状态方程的前提下进展的。这些系统综合方法往往选择一种使用便利的描述形式﹐而不考虑如何获得这些数学模型。在实际应用中系统的模型往往是未知的。对于简单系统用的物理规律来建立模型常常遇到难以抑制的困难。于是依据系统的输入输出数据来建立数学模型的方法便进展起来﹐逐步形成了系统辨识的理论和方法。1962年美国数学家扎德﹐L.A.首先提出系统辨识的概念﹐把系统辨识定义为在输入输出的根底上从一类系统中确定一个与所测系统等价的系统1967年瑞典自动掌握专家K.J.阿斯特勒姆提出最小二乘辨识﹐解决了线性定常系统参数估量问题和定阶方法﹐证明白白噪声下线性二乘估量的全都性。1971年阿斯特勒姆和P.艾克霍夫发表系统辨识综述的文章﹐提出著名的论断:“多变量系统的本质困难是找出系统的一个适当表示形式﹐一旦确定了这种表示形式﹐辨识方法方面与单变量系统相比并没有多大困难。”把系统辨识归结为用一个系统模型来表示客观系统(或要构造的系统)本质特征的演算﹐1978年瑞典自动掌握专家L.杨把系统辨识重定义为依据一个准则在模型类中选择一个与数据拟合得最好的模型。1967年在捷克斯洛伐克首都布拉格召开第一届IFAC系统辨识学术争论会﹐此后每三年召开一次﹐促进了系统辨识的快速进展。系统辨识的应用也日益广泛。在工程技术界主要用来建立动态模型﹐以便进展各种掌握﹔在生物医学界主要是用数据建立模型来了解系统的机理﹐从外部可测数据来探测内部生理参数的变化﹔在社会经济界主要用来建立推测模型﹐对将来的进展作出合理的推想。在分析﹑综合和设计自动掌握系统的过程中除了应用理论进展计算以外﹐常常要对系统的特性进展试验争论。明显﹐在系统未建立前是不行能对系统进展试验的。对于已有的系统﹐假设系统格外简单﹐在实际系统上进展试验﹐不管出于经济还是安全的考虑﹐都是不能允许的﹐有时甚至是不行能的。为此﹐有必要在仿真设备上试验系统﹐包括建立﹑修改﹑复现系统的模型﹐通常把这种试验过程称为系统仿20世纪40年月制成的第一台电子模拟计算机就是用电子设备来复现各种不同物理本质的动态系统的运动状态。它是50～60年月主要仿真设备。电子数字计算机诞生以后﹐很快被用于系统仿真﹐并逐步取代模5070年月几乎全部的兴旺国家都建立了混合仿真试验基地。70年月中期消灭微型机阵列组成的全数字并行仿真系统。系统仿真还被用来构成一种以训练为目的的自动掌握系统──训练仿真器。1976年正式成立国际仿真数学与仿真计算机学会(IMCAS﹔其前身是1955年成立的国际模拟计算机学会)。每三年进展一次国际学术会议﹐推动着仿真技术的快速进展。现在系统辨识﹑建模和仿真已成为系统和掌握领域中格外活泼的重要学科。自适应掌握和自校正调整器 50年月初为了设计飞机的自动导航系统﹐使其能在较宽的速度和高度范围内飞行﹐开头重视自适应掌握的争论。60年月掌握理论的进展加深了对自适应过程的理解。自适应掌握可用随机递推过程来描述。到了70年月由于微电子学有了的突破﹐可用简洁而经济的方法来实现自适应掌握。目前对于参数自适应掌握已争论出3种方法﹐即增益调整法﹑模型参考法和自校正调整器。自校正调整器的思想是1970年V.彼得卡首先提出来的。1973年阿斯特勒姆证明白在肯定条件下自校正调整器收敛于最小方差掌握器﹐从而建立了自校正调整器的理论根底。自校正调整器构造简洁﹐适应性强﹐易用微处理机实现﹐已成功地用于飞机及的自动导航装置﹐超级油轮的自动导航﹐以及造纸厂﹑水泥厂﹑化工厂和钛氧化炉等自适应掌握。遥测﹑遥控和遥感192020到达有用阶段﹐用于铁路上信号和道岔的掌握。1930年发送了世界上第一个无线电高空探测仪﹐用以测量大气层的气象数据。这是第一台比较完善的无线电遥测设备。到了40年月﹐大电力系统﹐石油﹑自然气管道输送系统和城市公用事业系统都需要通过遥测﹑遥信﹑遥控﹑遥调来对地理上分散的对象进展集中监控﹐促进了遥测遥控系统的进展。苏联和东欧各国把这类系统称为远动系统。遥测就是对被测对象的某些参数进展远距离测量。一般是由传感器测出被测对象的某些参数并转变成电信号﹐然后应用多路通信和数据传输技术﹐将这些电信号传送到远处的遥测终端﹐进展处理﹑显示及记录。遥信则是对远距离被测对象的工作极限状态(是否工作或工作是否正常)进展测量。遥控就是对被控对象进展远距离掌握。遥控技术综合应用自动掌握技术和通信技术﹐来实现远距离掌握﹐并对远距离被控对象进展监测。其中对远距离被控对象的工作状态的调整称为遥调。对按肯定导引规律运动的被控对象进展远距离掌握则称为制导﹐即掌握和导引﹐在航天﹑航空和航海上有广泛的应用。最初的遥测遥控系统承受有线信道﹐利用电信号的根本特征(如沟通电的频率﹑幅度﹑相位等)进展遥测和遥控﹐称为直接式遥测遥控系统。为了适应多路传输﹐40～50年月进展了同步选择式遥测遥控系统。60年月研制成循环式遥测遥控系统。70年月又消灭可编程序遥测遥控系统﹐自适应遥测遥控系统和分集式遥测遥控系统。无线电遥测遥控系统是在其次次世界大战期间进展起来的﹐50年月以来由于空间技术的需要而得到快速的进展。例如﹕航天飞机中航天员的工作状况可由飞机中电视摄像机摄取后通过无线电信道送至地面监控站﹐航天员可与监控站直接通话﹐承受指挥人员的指令。航天员的生理状况由传感器测量后通过遥测通道传至地面监控站。人造卫星和航天飞机利用遥感技术摄取的有关环境﹑资源﹑气象等照片﹐也可通过同样途径传至地面监控站。监控站也可对飞船中的设备进展操纵或掌握。60年月以后遥感技术得到了快速的进展。遥感就是装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器﹐收集由地面目标物反射或放射来的电磁波﹐利用这些数据来获得关于目标物的信息。以飞机为主要运载工具的航空遥感进展到以地球卫星和航天飞机为主要运载工具的航天遥感以后﹐使人们能从宇宙空间的高度上大范围地周期性地快速地观测地球上的各种现象及其变化﹐从而使人类对地球资源的探测和对地球上一些自然现象的争论进入了一个的阶段。现已应用在农业﹑林业﹑地质﹑地理﹑海洋﹑水文﹑气象﹑环境保护和军事侦察等领域。60年月消灭的遥操器是一种由人手操纵的机械﹑机电或机械液压设备﹐可使人在现场以外的地方进展操纵。已广泛用于核工程﹑海洋工程﹑石油钻探和空间技术等部门。遥操器上常装有触觉和视觉传感器。例如﹕航天飞机上航天员可操纵遥操器来捕获待修理的人造卫星﹐修复后再用遥操器重置于轨道上。综合自动化5060﹐60中消灭了很多自动生产线﹐70年月以来微电子技术﹑计算机技术和机器人技术的重大突破﹐促进了综合自动化的快速进展。过程掌握方面﹐1975年开头消灭集散型掌握系统﹐使过程自动化到达很高的水平。制造工业方面﹐在承受成组技术﹑数控机床﹑加工中心和群控的根底上进展起来的柔性制造系统(FMS)及计算机关心设计(CAD)和计算机关心制造(CAM)系统成为工厂自动化的根底。70年月开发出来的一批工业机器人﹑感应式无人搬运台车﹑自动化仓库和无人叉车成60年月开头研制的﹐1972年美国第一套柔性制造系统正70年月末到80﹐普遍承受搬运机器人和装配机器人1982年1020个柔性制造系统投入生产。70﹐80如﹕日本富士通公司的一个无人工厂每月生产机械手50﹐100﹐100﹐全厂共8319﹐63﹐1的工作状况﹐实现了加工车间夜班无人化的目标。目前正致力于装配自动化的争论﹐使整个工厂成为无人工厂。柔性制造系统是在生产对象有肯定限制的条件下有敏捷应变力量的系统﹐其着眼点主要是放在具体的硬设备上。为了进一步实现生产的飞跃﹐自动机械上用的软件就成为突出的问题。最终的目标就是要使整个生产过程软件化﹐这就要争论计算机集成制造系统(CIMS)。它是指在生产中应用自动化可编程序﹐把加工﹑处理﹑搬运﹑装配和仓库治理等真正结合成一个整体﹐只要变换一下程序﹐就可以适用于不同产品的全部加工过程。大系统理论的诞生 系统和掌握理论的应用从60年月中期开头渐渐从工业方面渗透到农业﹑商业和效劳行业﹐以及生物医学﹑环境保护和社会经济各个方面。由于现代社会科学技术的高度进展消灭了很多需要综合治理的大系统﹐现代掌握理论又无法解决这样简单的问题﹐系统和掌握理论急待有的突破。在计算机技术方面﹐60年月初开头进展数据库技术﹐1970年提出关系数据库﹐到80年月数据库技术已经达到相当的水平。60年月末计算机技术和通信技术相结合产生了数据通信。1969年美国国防部高级争论局的阿帕网(ARPA)的第一期工程投入使用取得成功﹐开创了计算机网络的纪元。数据库技术和计算机网络为80﹐这是从70年月开始进展起来的一门综合性技术﹐到80年月已初步成熟。办公室自动化为治理自动化奠定了良好的根底。60年月末生产过程自动化开头由局部自动化向综合自动化方向进展。消灭很多诸如化工联合企业﹑钢铁联合企业﹑大电力系统﹑交通管制系统﹑环境保护系统﹑社会经济系统等大系统。对于这类大系统的建模与仿真﹐优化和掌握﹐分析和综合﹐以及稳定性﹑能控性﹑能观测性和鲁棒性等的争论﹐统称为1965年I.莱夫科维茨就提出大系统多层构造的概念﹐即可以依据掌握(治理)的功能将大系统分解为假设干层次。1965～1970年M.梅萨罗维茨等人提出大系统多级构造的概念﹐可把大系统分解成假设干子系统﹐把总目标分解成很多子目标。1968年提出大系统的分散掌握方法﹐可用一组只有局部信息的掌握器来分别掌握大系统的各个子系统﹐实现大系统的次优掌握﹐以削减信息传输方面的困难和费用。国际自动掌握联合会(IFAC)于1976年在义大利的乌第纳召开了第一届大系统学术会议﹐1980年在法国的图鲁兹召开其次届大系统学术会议。美国电气与电子工程师学会(IEEE)于1982年10月在美国弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩进展了一次国际大系统专题争论会。1980年在荷兰正式出版国际性期刊《大系统──理论与应用》。这些活动标志着大系统理论的诞生。大系统理论的一个重要应用是治理自动化。例如﹕水资源系统的分级治理﹐大城市交通管制﹐以及联合企业的治理自动化等。一般可用计算机收集和处理各种信息﹐建立计算机治理信息系统﹐依据数学模型进展优化计算﹐以便合理地利用生产力量﹑劳力和资金﹐削减库存﹐压缩产品投产的预备时间﹐提高产品的质量和数量﹐降低本钱。80年月以来治理的作用正在急剧增加﹐在保证国民经济和社会进展方面已成为一个打算性因素。自动化治理系统包括工艺过程治理系统和组织治理系统。建立并完善治理信息系统是治理自动化的根底。生产综合自动化与组织治理自动化相结合﹐将使人类的经济活动产生一个的飞跃﹐人类社会的生活方式也将发生的变化。人工智能和模式识别用机器来模拟人的智能﹐虽然是人类很早以前就有的愿望﹐但其实现还是从有了电子计算机以后才开头的。1936年﹐图灵﹐A.M.提出了用机器进展规律推理的想法。50年月以来﹐人工智能的争论是基于使计算机更有用而开放的。早期的人工智能争论是从探究人的解题策略开头﹐即从智力难题﹑弈棋﹑难度不大的定理证明入手﹐总结人类解决问题时的心理活动规律﹐然后用计算机模拟﹐让计算机表现出某种智能。1948年美国数学家维纳﹐N.1954年美国国际商业机器公司(IBM)的工程师A.L.塞缪尔应用启发式程序编成跳棋程序﹐存储在电子数字计算机内﹐制成能积存下棋阅历的弈棋机。1959年该弈棋机击败了它的设计者。1956年A.纽厄尔﹑西蒙﹐H.A.J.C.肖研制了一个称为规律理论家的程序﹐用电子数字计算机证明白怀特海和罗素的名著《数学原理》其次52331956M.L.明斯基﹐J.麦卡锡﹐纽厄尔和西蒙﹐H.A10达特茅斯大学召开人工智能学术争论会﹐1960年人工智能的4位奠基人﹐即美国斯坦福大学的麦卡锡﹐麻省理工学院的明斯基﹐卡内基-梅隆大学的纽厄尔和西蒙组成了第一个人工智能争论小组﹐有力地推动了人工智能的进展。从1967年开头出版不定期刊物《机器智能》﹐版了9集。从1970年开头出版期刊《人工智能》。从1969年开头每二年进展一次人工智能国际会议(IJCAI70﹐使人工智能和计算机技术结合起来。一方面在设计高级计算机时广泛应用人工智能的成果﹐另一方面又利用超级微处理机实现人工智能﹐大大地加速了人工智能的争论和应用。人工智能的根底是学问猎取﹑表示技术和推理技术﹐LISP语言和PROLOG语言﹐人工智能的争论领域涉及自然语言理解﹑自然语言生成﹑机器视觉﹑机器定理证明﹑自动程序设计﹑专家系统和智能机器人等方面。人工智能已进展成为系统和掌握争论的前沿领域。1977年E.A.费根鲍姆在第五届国际人工智能会议上提出了学问工程问题。学问工程是人工智能的一个分支﹐它的中心课题就是构造专家系统。1973～1975年费根鲍姆领导斯坦福大学的一个争论小组研制成功一个用于诊治血液传染病和脑膜炎的医疗专家系统MYCIN﹐能学习专家医生的学问﹐仿照医生的思维和诊断推理﹐给出牢靠的诊治建议。1978DENDRAL。1982年美国学者W.R.纳尔逊研制成功诊断和处理核反响堆事故的专家系统REACTOR。中国也已经研制成功中医专家系统和蚕育种专家系统。现在专家系统已应用在医学﹑机器故障诊断﹑飞行器设计﹑地质勘探﹑分子构造和信号处理等方面。为了扩大计算机的应用﹐使计算机能直接承受和处理各种自然的模式信息﹐即语言﹑文字﹑图像﹑景物等﹐模式识别争论受到人们的重视。1956年﹐O.塞尔弗里奇等人研制出第一个字符识别程序﹐随后消灭了字符识别系统和图像识别系统﹐并形成了以统计法和构造法为核心的模式识别理论﹐语音识别和自然语言理解的争论也取得了较大进展﹐为人和计算机的直接通信供给了的接口。60年月末到70﹑斯坦福大学和英国爱丁堡大学对机器人学进展了很多理论争论﹐留意到把人工智能的全部技术综合在一起﹐研制出智能机器人﹐如麻省理工学院和斯坦福大学的手眼装置﹑日立公司有视觉和触觉的机器人等。由于机器人在提高生产率﹐把人从危急﹑恶劣等工作条件下替换出来﹐扩大人类的活动范围等方面显示出极大的优越性﹐所以受到人们的重视﹐机器人技术进展很快﹐并得到越来越广泛的应用﹐并在工业生产﹑核电站设备检查﹑修理﹑海洋调查﹑水下石油开采﹑宇宙探测等方面大显身手﹐正在争论中的军用机器人也具有较大的潜在应用价值﹐关于机器人的设计﹑制造和应用的技术形成了机器人学。总结人工智能争论的阅历和教训﹐人们生疏到﹐让机器求解问题必需使机器具有人类专家解决问题的那些和识﹐1977年﹐费根鲍姆首倡专家系统和学问工程﹐于是以学问的猎取﹑表示和运用为核心的学问工程进展起来。自70年月以来﹐人工智能学者已研制出用于医疗诊断﹑地质勘探﹑化学数据解释和构造解释﹑口语和图像理解﹑金融决策﹑军事指挥﹑大规模集成电路设计等各种专家系统。智能计算机﹑型传感器﹑大规模集成电路的进展为高级自动化供给了的掌握方法和工具。50年月以来﹐在探讨生物及人类的感觉和思维机制﹐并用机器进展模拟方面﹐取得一些进展﹐如自组织系统﹑神经元模型﹑神经元网络脑模型等﹐对自动化技术的进展有所启迪。同一时期进展起来的一般系统论﹑耗散构造理论﹑协同学和超循环理论等对自动化技术的进展供给了理论和方法。——漏壶来计算时间。漏壶早在公元前十四世纪就制造了，又名滴漏，根本原理是利用滴水的多少来计量时间。最初的漏壶构造很简洁：一把壶，壶内插有一根标竿，称为“箭”，箭安在一只上飘浮在水面。使用时，把水不断的注入壶中，或壶内装满水，使水往壶里注水的漏壶叫受水型漏壶；让水不断从壶里滴漏出来的漏壶叫泄水型漏壶，总称单壶式漏壶。后来，人们觉察，漏壶装满水时，水的压力大，流速快；壶中水少时，水的压力小，流速慢。这样，不管受水型还是泄水型漏壶，当壶里的水位变化时，计算出的时间就不那么准确了。于是，人们又开动脑筋，把单壶改为多壶，就是原来的漏壶上面再加一只壶，用它来不断地补充漏壶中的水量，使水