
1.控制系统的早期发展离心调速器是最古老的自动控制系统及反馈系统,是瓦特改进蒸气机的一个重要标志,促进了工业大生产的进程。
离心调速器原理图当蒸汽机转动过快时,竖轴也转动加快,两个金属小球在离心力作用下而向外侧移动,通过连接机构,与小球连接的连杆便将蒸汽机的放气阀关小,进而蒸汽机动力变小,蒸汽机转轴速度变慢。反之,当蒸汽机转速过慢时,小球向内侧移动,通过连接机构,与小球连接的连杆将蒸汽机的放气阀开大,进而蒸汽机动力变大,蒸汽机转轴速度变快。瓦特1784年承建伦敦一家大型磨粉场,在使用了这项技术后,产量大大提升,同时也使得瓦特的名声大振。
而后各地也相继出现了类似的调速装置,但是在应用中也出现了不稳定的现象。麦克斯韦在认识到稳定性需要要求系统的特征方程的根都具有负实部,并开始尝试用特征方程的系数来建立稳定性条件,后来他的命题由数学家爱德华·劳斯解决,即著名的劳斯判据,他也因此获得了1877年的Adams奖。
20世纪初,美国发明家斯佩里制造了一个可测量俯仰角和滚动角的二自由度陀螺仪用于稳定飞行中的飞机,在1914年巴黎航展上,斯佩里和他的助手机师从塞纳河上起飞,然后冲着人群飞去。当接近人群时,他就特意低飞。人们清楚地看到劳伦斯站在机舱里,两手高高举起。在飞过裁判台的瞬间,他的助手走出机舱,走上一侧机翼,而斯佩里再一次将手举过头顶。在飞第3圈时,助手走到机身后面,使飞机一下失去平衡。同样,不需要驾驶员的帮助,飞机又恢复了平衡。这是反馈控制系统的一次戏剧性演示。
19世纪下半叶开始,随着航运业的迅速发展,需要有辅助的动力来操作船只,即通过舵机来操作船舵。最早的舵机都是开环控制的,用蒸汽作为动力,等舵机到达预定位置后手动关闭阀门。后来人们用曲柄连杆机构将舵的运动反馈回来关闭阀门,并首次使用了“伺服机”的称呼。
1930-1980年代1928年,哈利·奈奎斯特与布莱克研究将负反馈放大器应用到一个新的载波系统,奈奎斯特认为布莱克的设计法则过于严苛,因而对负反馈进行了分析,得到了著名的奈奎斯特判据。亨德里克·伯德在开发1MHz带宽的同轴电缆载波系统时,为了充分利用负反馈的优点,Bode提出了最小相位系统幅频特性和相频特性是有关系的伯德定理,引入相位裕度和幅值裕度的概念,给出了根据期望频率特性设计负反馈放大器的方法。
20世纪50年代,反馈控制系统的理论似乎已经定型。20世纪60年代提出了状态空间法,控制理论的一些新的分支也开始出现,例如最优控制的LQG法,逆奈氏矩阵法,此时对反馈控制的设计思路已经非常成熟了,主要的工作都是在方法上下功夫。1980年后