自动化的渊源，可以一直追溯到两千多年以前。前面提到的水钟，是一千多年前，古希腊的能工巧匠设计的，我国能工巧匠也在北宋期间也制作出了类似的装置；其精度据说达到了每日10分钟左右。我国汉朝时期，就有了指南车，它的原理，和指南针的原理不一样；是采用齿轮机构，当车子改变方向时，这套齿轮系就啮合上，让仙人所在的主齿轮朝相反的方向转过同样的偏移角度。这样无论车子如何转向，仙人手的指向始终不变。这实际上是采用了自动控制理论中的“不变性原理”（也称为“前馈控制”），巧妙地把“干扰”测量出来，再利用其产生一个控制信号，来补偿（抵消）干扰造成的影响。

收藏于中国历史博物馆的仿古指南车

      公认的自动化技术的起源，还是18世纪前后（大约在1788年）。随着工业革命在英国的出现，对动力的需求大增；因此出现了蒸汽机。我们都知道，蒸汽机的作用是将煤燃烧产生的热能转换为机械动能；它既可以作为轮船、火车的动力，也可以作为煤矿抽水的动力，还可以作为纺织机的动力。要知道，棉布是当时英国的一个重要出口产品。而工业革命的发源地曼彻斯特（Manchester）有棉纺物的意思，就是因为当时它是棉纺物的主要产地。
      人们在使用蒸汽机的时候，就发现保持其转速的稳定是一个大问题，为此，就发明了飞球转速控制器（也叫离心调速器）。当蒸汽机的转速过快时，因为离心力，两个粉色的飞球就会往外胀；飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒的移动，就带动执行机构（蒸汽阀门）动作，使得进入引擎的蒸汽量减少，从而降低了蒸汽机的转速。蒸汽机的转速过慢会产生什么现象，相信读者都会自己分析的。
      可是，光有飞球控制器有时还是不能解决问题。人们很快发现，有的蒸汽机的飞球调速器投入运行后，蒸汽机的转速就产生周期性的大幅度波动，无法正常工作。用现在的话来说，就是系统不稳定。那个时候，人们还没有系统的概念，也没有反馈的概念，无法从理论上解释这种不稳定现象；人们就反复地在蒸汽机的制造工艺上盲目地摸索，努力减小摩擦，调整弹簧等等。这种情况持续了大约一个世纪之久，直到19世纪末，自动控制理论诞生以后，自动控制技术才得以在科学理论的指导下发展和提高。

蒸汽机调速原理图

      蒸汽机转速的不稳定问题引起了许多科学家的注意。1868年，建立了电磁波理论的英国物理学家麦克斯韦尔（J• C• Maxwell），把蒸汽机的调速过程变成了一个线性微分方程的问题^[1]_。最后他指出，如果对应的微分方程特征值在复平面的左半平面，系统就是稳定的；反之，如果对应的微分方程特征值在复平面的右半平面，系统就是不稳定的，蒸汽机的转速就会产生波动。
      1877年，麦克斯韦尔的学生劳斯（E• Routh）找到了根据微分方程的系数判别系统稳定性的方法，这就是自动控制理论中有名的劳斯判据。
      1876年，俄国的维斯聂格拉斯基（J • A•  Vyschnegradsky ）[2]，他是专门搞实际研究的，结合实际的蒸汽机研制，解决了如何选择参数才能使其转速稳定的问题。当时的研制者由于找不到问题所在，已经准备放弃了。
      1895年，德国的霍尔维茨（A • Hurwitz）在解决瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计，就使用了稳定性理论来设计。他同时也独立地提出了霍尔维茨判据，要知道，当时的学术交流并没有这么频繁。霍尔维茨当时是苏黎世工业大学的数学教授，也做过爱因斯坦的数学老师。

        时间进入了二十世纪，通信技术、电子技术开始发展。同时战争、工业也成为了推动力，自动控制技术与自动控制理论开始快速发展。
      1927年美国贝尔实验室的布莱克（H• Black）利用负反馈原理设计了电子管放大器，解决了电话长距离传输时信号畸变的问题。解决了信号畸变问题以后，又出现了放大器振荡引起声音尖叫的现象（即系统不稳定），由于微分方程的阶次往往很高（通常高达50阶），Routh判据变得不够实用。
而贝尔实验室具有通信背景的工程师们往往很熟悉频域方法。1932年出生在瑞典后来移民美国的奈奎斯特（H• Nyquist）发表了论文，采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上伯德（H• W• Bode）等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法，后来也用于自动控制系统的分析与设计。
      与此同时，反馈控制原理开始应用于工业过程中。1936年英国的考伦德（A• Callender）和斯蒂文森（A• Stevenson）等人给出了 PID控制器的方法。PID控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。所谓P（Proportional，比例）；所谓I（Integrative，积分）；所谓D（Derivative，微分）。PID控制的含义是，将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再叠加得到控制器输出信号。这种控制方式适合相当多的被控对象，目前仍然广泛地运用于多数自动控制系统。
      1942年哈里斯（H• Harris）引入了传递函数的概念。1948年伊万斯（W• R• Evans）在进行飞机导航和控制时，在应用频域方法时遇到了困难，因此他又回到特征方程的思路上并提出了根轨迹法。
      1948年，数学家维纳(N• Wiener)的«控制论» (CYBERNETICS)一书的出版，标志着控制论的正式诞生。这本书的出版被认为是自动控制科学的一个里程碑。
      在这段时间，自动控制理论的主要数学工具是微分方程、复变函数和拉普拉斯氏变换。
      就这样，在20世纪50年代前后，一种在系统分析设计时，运用频率域方法（经典控制理论）、采用PID控制方法，运用模拟电子技术（主要是电子管和交磁放大机）构成控制器的自动控制技术已经基本形成。值得一提的是，战争（火炮控制、飞机飞行控制、雷达控制等）、通信、工业成为了自动控制技术的主要推动力。
      20世纪50年代到60年代，随着第二次世界大战的结束、冷战的开始，以美国为首的西方阵营和以苏联为首的东欧阵营开始在航天和航空领域进行竞争。由于航天、航空发展的需要，提出了飞机、导弹和航天器的控制问题。在飞机或火箭具有有限的燃料的条件下，如何控制航天器、飞行器的运动轨迹，并作到节省燃料、缩短飞行时间等问题推动了最优控制理论的发展。
       在这个时期，众多的数学家投入了自动控制理论的研究。自动控制科学家从力学中引进了状态空间的概念。苏联数学家庞特利亚金提出了极大值原理。美国数学家贝尔曼（R• Bellman）讨论了应用动态规划理论解决有约束的最优控制问题。匈牙利裔的美国数学家卡尔曼（R• E• Kalman）建立了基于线性二次型性能指标的最优控制问题并提出Kalman滤波理论。在这段时间，自动控制理论的主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、泛函分析、状态空间法等等；主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等；重点是最优控制、随机控制和自适应控制。在技术上还是以电子管构成的电路为主；但是电子计算机开始出现；晶体管开始进入实用阶段。人们普遍认为，自动控制理论开始进入“现代控制理论”的阶段。
     20世纪70年代到90年代中期，由于民用工业发展的推动，自动控制技术在进一步发展。工作机床（车床、铣床、刨床、磨床）、轧钢机等设备的传动控制（位置、转速）；炼油过程、化工过程、动力（锅炉）、制药、食品等工业对自动控制技术提出了新的要求。由于大规模的工业过程往往存在非线性、大滞后、多变量、时变、不确定性等问题， 人们发现，将状态空间理论运用在复杂工业控制中，效果却远远比不上在航空、航天控制。之所以这样，是因为地面工业的被控制对象往往十分复杂，其准确的数学模型是很难得到的。
       这样，根据被控对象输入、输出数据构造模型的方法得到了发展，这也称为系统辨识。同时，自动控制科学家也在研究各种新型控制方法（也叫控制算法）；自适应控制、自校正控制、鲁棒控制、变结构控制、非线性系统控制、预测控制、智能控制、模糊控制、多变量控制、解耦控制等方法纷纷出现。
       在应用上，主要还是将被控制对象考虑成线性的、单变量的，采用PID控制为主（但是在石油、化工行业开始采用预测控制）。主要使用运算放大器（一种半导体器件）来构成模拟的控制器。电子计算机开始在一些发达国家的大型企业应用。
      从我国来说，在20世纪90年代以前，工业自动化的应用领域还是十分有限的，主要是集中在国有的大型企业；例如，石油、化工、钢铁、电力、烟草等少数企业。
                                                                                                   （广西大学  何小阳）

参考文献：
[1] Maxwell J C.  On governors.  Proc. Roy. Soc. London; 1868, 16 270~283
[2] Vyschnegradsky J A. Sur la theorie generale des regulateurs, Comptes Rendus. 1876, 83 318~321
[3] 项国波 自动化时代  武汉理工大学出版社  2004年
[4] 王广雄  自动控制的发展  中央电视台百家讲坛