自动化技术的过去、现在和将来（之一）
自动化是机器设备或生产过程，在不需要人直接干预下，按预期的目标、目的或某种程序，经过逻辑推理、判断，普遍地实行自动测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。自动化科学技术就是探索和研究实现这种自动化过程的理论、方法和技术手段的一门综合性技术科学。通过对自动化学科的研究，使各种自动化技术工具可以在一定程度上代替人的部分体力劳动和脑力劳动，从而增强人类改造自然界的能力。
自动化作为一个现代技术科学领域，在实现社会科学化中得到蓬勃的发展，自动化技术在社会各行各业中的推广应用，提高了产品的数量和质量，降低了成本和能源消耗，改善了劳动条件，促进了高新技术的发展，并使企业管理科学化和社会管理信息化。同时，在体现当今科学技术发展规律的机电一体化技术，和以电子技术改造传统产业这两个大的方面，自动化技术亦无可置疑地起着主力军的作用。可以说，自动化技术已渗透到人类生产和社会生活的许多领域，自动化程度的高低，已经成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标志。
事实上，早在自动化技术科学形成之初，控制论的奠基人、美籍犹太学者维纳(N．Wiener，1894～1964)等人就预见到自动化将给社会带来一次新的工业革命。维纳第一个把控制论引起的自动化同“第二次工业革命’’联系起来，并提高到相当的高度来认识。英国物理学家、科学史家贝尔纳(J．D．Bernal，1901～1971)于1954年也曾说过：“我们有理由提到一次新的工业革命，因为我们引用了电子装置所能提供的控制因素、判断因素和精密因素，还有进行工业操作的速度大大增加了。巨型的自动化生产线，甚至完全自动化的工厂都有了……”。他还认为自动化的兴起不仅是一次“新的工业革命”，而且“这场革命或许可以更公允地叫作第一次科学-技术革命”。
回顾自动化技术40多年的发展过程，就其理论基础来说，大体经历了经典控制理论、现代控制理论和大系统理论这三个阶段。通常以1948年作为形成经典控制理论的起点，到1957年已发展成为一门独立的学科，相继产生了若干对分析实际控制系统卓有成效的方法，这一时期对系统采用的分析法，可以说主要是面向频域的，即通常用传递函数来研究设计自动化系统，而主要的设计准则是系统的稳定性。尽管这类分析方法直到70年代甚至现在还在被一些工程技术人员应用于生产过程自动化等场合，但由于在3个或4个自由度以上相互作用的情况下，采用这种方法建立起来的控制系统，在确定其稳定性方面受到了限制，因而束缚了控制技术的发展。
人们在困惑中寻找出路，力求摆脱这种束缚。控制工作者认识上的一大飞跃，是改变过去那种只依据传递函数来考虑控制系统设计问题的概念，而过渡到从这些函数的基础——微分方程来考虑的基本构想。这个过渡的最基本的概念之一是“状态，，的概念，俄国力学家和数学家、稳定性理论的创始人李雅普诺夫(1857～1918)等人，正是利用了状态空间来研究系统的稳定性，产生了用时域的一阶微分方程对线性系统的描述，所得的结果与模拟计算和数字计算更一致。随之，基于性能最优化的一些准则及其概念亦第十八章 自动化技术科学的形成和发展为更多的控制工作者所理解，并在实际应用中得到发展。在“状态”、“最优化”和“不确定性量化”等概念基础上发展起来的控制技术，为1957年第一颗人造卫星的发射及其后若干空间计划的实施，提供了制导和信息传输等手段，这些应用对控制技术产生了持续推动，现代控制理论在这个过程中也就逐渐得以形成，从时间上来看，这一时期大体是从1957年到1965年。
从1965～1973年，现代控制理论在自动化技术中得到了更为广泛的发展，并应用于控制技术的一系列子学科，特别是应用于航空航天方面，并因此相应产生了一些新的控制系统。诸如自适应和随机控制，分布参数系统等等。
到70年代中期，科学技术的发展和社会的进步，需要控制工作者对许多工程的、经济的、社会的若干大规模的、复杂的系统进行研究并实施控制。这些系统往往由于自身和外界的交互作用，而具有很强的不确定性，加之，由于一些系统实在太大，甚至涉及数以干计的可分状态，因而结合大系统所具有的一些特性，需要进行大系统分析和大系统综合。这就刺激了现代控制理论不得不向前发展，逐渐形成了大系统理论的雏形，成为第三代控制理论的一个重要内容。它着重研究大系统的结构方案、总体设计中的“分解，，方法和协调等问题。如实现分级多层系统的控制问题，或以分散控制理论指导实现分散控制。从而解决大系统的最优设计、最优控制和最优管理。因此也可以说，大系统理论是系统工程学发展的一个新阶段。作为系统工程应用的成功实例，美国阿波罗计划的实现，推进了控制技术对当代科学和工程实践的影响。
自动化技术是紧紧伴随着生产过程自动化、军事装备的控制以及航空、航天事业的需要而迅速发展起来的。仅从作为现代控制技术的一个分支——制导技术来看，40多年前，法西斯德国向伦敦发射了约2000枚射程
一、自动化技术的形成
（一）自动装置的雏形
自动化作为一个现代技术科学领域，是从本世纪40年代中期开始形成的。其实，自动机械的历史，可以追溯到古代。早在3000多年前，我国就发明了“铜壶滴漏”的自动装置。大约在2000年前，发明了自动记录行程的“记里鼓车”和自动指示方向的“指南车”。东汉张衡(78～139)利用铜壶滴漏装置制成了水力天文仪，北宋苏颂又在此基础增加了一个相当于自动调节器的天衡装置，该装置对铜壶滴漏中的受水壶作了改进，使得36个均匀分布的受水壶所盛之水均保持一定重量，从而使天衡装置内的机构尽可能保持恒定的转速，以提高水力天文仪的精度。用今天自动化的观点来看，铜壶滴漏装置属于自动检测或参数恒定系统；指南车是自动定向系统；天衡装置则是个自动调节器；而张蘅利用齿轮系、杆、凸轮传动机构，完成一系列的顺序动作，来自动表示水力天文仪上的每个月的日期，则属于程序控制的范畴。
18世纪中叶蒸汽机问世后，蒸汽机的控制问题成为其推广应用的关键。1784年英国瓦特(J．Watt，1736～1819)采用了能自动调节蒸汽机速度的离心式调速器，才使蒸汽机成为安全实用的动力装置，得到了广泛的应用，1829年法国数学家蓬斯莱(J．Poncelet，1788～1838)制造了一种按扰动调节原理工作的蒸汽机转速调节器。1874年俄国工程师契柯列夫提出并在实际上应用了作为现代电机自动调节基础的调整方法，开始应用了按调节量偏差和按扰动进行调节的原理。与此同时，麦克斯韦在离心式调速器应用了几十年的基础上，总结出调速器的一些理论。由于对蒸汽机控制的实践，1877年英国的劳斯(E．J．Routh，1831～1907)和德国的赫尔维茨(Hurwitz)提出了至今还在沿用的系统稳定性判据。他们方法的优点是，只需根据系统的特征方程式的系数，应用代数方法就能判别自动调节系统的稳定性，而不必求出其特征根。人们依照判据，能够大体定量地知道调节参数的变化，在什么条件下系统是稳定的，为设计较为稳定可靠的自动调节器提供了依据。这是当时能事先判定调节器及自动调节系统稳定性的重要判据。
至此，自动装置随着生产的需要，初步积累了一些设计、应用的经验，也逐步建立了一
些自动化技术的理论基础，孕育着控制技术的迅速发展。
（二）自动调节装置的稳定性
20世纪自动控制技术得到了飞速发展，并开始形成一个现代科学技术领域。通常，设计控制系统的首要要求就是稳定性，要求系统在各种不利因素的影响下能保持预定的工作状态。继劳斯和赫尔维茨提出了稳定性判据之后，李雅普诺夫在力学中广泛研究了运动的稳定性问题，所提出的理论和方法，指导了近半个世纪控制系统特别是非线性系统稳定性的研究，至今未失其作用。李雅普诺夫1892年提出的稳定性定义，不仅反映了客观存在着的大量实际问题的共同特点，而且可以把一个定性问题转变为一个定量分析问题去研究，特别是对那些不可能用分析方法求解的非线性方程或线性变系数方程描述的调节系统，有着重要意义。在上述理论与应用的基础上，1923年英国希维赛德(O．Heaviside，1850～1925)为了简化控制系统的分析与设计，提出了算子法。瑞典的尼魁斯特(H．Nyquist，1889～1976)于1932年研制了电子管振荡器，提出以传递函数为依据的稳定性判别准则。由于组成控制系统的各个部件的频率特性的数据通常可用实验方法来确定，因而形成尼氏法的一大优点。1938年，苏联的米哈依洛夫第一个应用频率法来研究调节器的稳定性，提供了以应用柯西幅角原理为基础的线性自动调节系统稳定性的判据，把自动调节系统环节按动态特性加以典型化作为进行结构分析的基础。1948年，美国的伊文思(w．R．Evans)提出了一种找特征方程的根的简单图解方法，即所谓“根轨迹法”，这是一个研究特征方程的根与系统中某一参数关系的图解方法，弥补了上述尼氏法不能确定系统可以稳定到何种程度的缺点，特别适用于迅速获知系统的响应，并可使设计者能够了解满足系统性能指标可以达到何种程度的近似结果。从而使根轨迹法和频率响应法一道，成为构成经典控制理论的两大支柱。特别是70年代以后，随着电子计算机的广泛应用，建立了用计算机对根轨迹的辅助制图的算法和程序，对直至90年代初的从事控制系统分析和设计人员，提供了一种简捷而准确的手段。1945年美国伯德(H．W．Bode，1905～ )总结了负反馈放大器原理，出版了《网络分析和反馈放大器设计》一书，利用对数1率特性，形成了尼魁斯特-伯德法。这种对数频率响应稳定判据，由于频率响应的幅值对数图和相角图易于绘制，从而使这种稳定性判据得到更广泛的应用。至此，解决自动调节装置及系统的稳定性问题基本获得解决。
（三）自动化学科初步形成
第二次世界大战中，对火炮、雷达、战斗机等设计和生产的需要，促使更多的工程师、学者投入军事工程的研究，在总结以往自动调节器、反馈放大器等控制技术的基础上，逐渐形成了调节原理、伺服系统理论，并以此为指导，生产了战时所需的具有高精度、快速响应的伺服机构的武器装备。战后陆续公开了这些理论并推广应用于一般工业生产。如，由美国麻省理工学院物理学家詹姆斯(H．M．James，1908～ )、工程帅尼克尔斯(N．B．Nichols)和数学家菲利浦(R．S．Philips)于1947年出版的《伺服机构原理》一书，系统总结了战时共同研究的成果，从而促进了向民用工业的移植。在实现生产过程自动化的进程中，除需要了解被控对象的特性外，往往也需要了解人在控制生产过程中的作用，以便有所借鉴，研制出具有相应作用的自动检测仪表、自动调节装置和执行机构，从而模仿或代替人的视觉、思维判断以及手和脚的若干功能，以自动控制取代人工控制。此外，由于一些自动化系统还需要人参与操纵、调度、管理，对于这种人一机系统，既要研究人，又要研究机器，特别是要研究人和机器的信息交换和控制过程，而且要研究自动机器与生物机体之间存在着的共同规律，因而一门以数学为纽带，把研究自动控制、通讯、计算技术等工程技术与生物科学中神经系统的生理和病理等学科共同关心的共性问题，提炼出来而形成的边缘学科——控制论诞生了。其标志是1949年出版的维纳的《控制论》(Cybernetics)，该书揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律。与此同时，美国应用数学家，当时在贝尔实验室工作的香农(C．E．Shannon，1916～ )发表了《通讯的数学理论》，宣告了信息论的诞生。这也主要是由于第二次世界大战后，一部分数学工作者和电子学工作者，总结了多年来通讯系统的丰富实践和二次大战中得到迅速发展的雷达系统的实践，加以提高而创立的一门研究各种信息传输系统共同规律的学科，它的高度概括性和联系多种学科的广泛性，对自动控制理论的形成，起了有力的促进作用。在上述成果和其他有关理论基础上，经典控制理论渐趋成熟，它大大促进了自动化技术的发展，至此．逐渐形成了自动化学科。