自动控制的目的就是改造世界。
瑞典的工程师、发明家、实业家,尼尔斯·古斯塔夫·达伦,Nils Gustaf Dalén, 在1912年,由于“发明了与储气器一起使用的,用于灯塔和浮标照明的自动调节器”(automatic regulators,自动控制系统的器件 device),而获得1912年诺贝尔物理学奖。被世人誉为“航海者的恩人”。
发明用于灯塔和浮标照明储气器自动调节系统的达伦 1869-1937
在夜间,航船需要海上灯塔或浮标导航。为使得海员看得见它们,灯塔或浮标需要光源发光。早期,通过燃烧煤油等化学物质,产生光亮,从而在夜里导引航船。这些导航标志,往往远离陆地,长期无人管理。如何使得这些导航设备,只在夜间工作,从而节省燃料,不需要维护人员频繁补充,一直是灯塔设计工程师们追求的目标。另一方面,人们也在致力于寻找高效率的可燃材料,从而改善光源发光强度。
1901年前后,早期以自学为主的机械工程师,达伦开始致力于相关工作。他首先发明了乙炔储气罐,以解决安全性和高强度的光源问题。随后,设计了一种自动气阀,使得光源能以某一频率自动闪烁,从而引起航船夜间注意。后来,他又发明了太阳能自动调节器。在达伦的照明、自动调节系统中,频闪乙炔灯作为光源。这套系统能够在日出时就自动把频闪乙炔灯灭掉,日落时又自动将频闪乙炔灯点燃。由于达伦发明了频闪开关和太阳能自动控制器,使乙炔燃料可节约原消耗量的百分之九十三,从而灯塔等设备可长期摆脱人类维护。整个系统大约完成于1907年。
达伦发明的频闪开关和太阳能自动控制器用于 Stockholm 附近的无人管理的灯塔,其中的太阳能筏从1912年工作到1980年,没有经过大修。1980年,灯塔采用了电气化系统。
正是由于发明了灯塔自动照明系统,1912年的诺贝尔物理学奖颁发给了发明家达伦。在诺奖委员会决定的前两个月,9月12日,达伦在实验时因爆炸而至双目失明,无法出席诺贝尔授奖典礼。他的兄弟代替 (stand in)他出席了在瑞典斯德哥尔摩举行的诺贝尔授奖典礼, 会上既没有惯例的诺贝尔获奖演讲,会后也没有印发达伦的获奖研究成果,仅在瑞典皇家科学院院长索德巴姆的授奖辞中提到达伦的贡献。
据发表在 IEEE control systems magazine 的文章介绍(见注),当年有17人被提名,包括 M. 普朗克、爱因斯坦。一瑞典皇家科学院院士、杰出的工业家提名达伦。
值得注意的是,在1896年达伦曾到瑞士苏黎世工学院(ETH),在斯托多拉(Stodola)教授指导下学习了一年。而正是斯托多拉,在研究瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计时,向数学家胡尔维茨(Hurwitz,和Hilbert,Minkowski,并称为哥尼斯堡三剑客) 提出了其中的稳定性问题,胡尔维茨在1895年独立于剑桥的数学家劳斯(Routh,1877年,麦克斯韦的同学),给出了有用的代数判据。这就是著名的 Routh-Hurwitz 稳定性判据。
达伦是胡尔维茨文章发表后,成为斯托多拉的学生。想必达伦在 ETH 的一年,一定受到斯托多拉的影响。很有可能,达伦在那里学习了机械自动控制技术。可以肯定的是,他回到瑞典后,在蒸汽机公司的车间,除了做一些热空气汽轮机、压缩机和空气泵的实验,也对蒸汽机做了一些具体的改进。
1912年,达伦眼睛失明后,仍继续从事实验工作,直到1937年逝世。”水手恩人”的达伦生前也获得了其它荣誉,比如在1913年,他成为瑞典皇家科学院院士。
Clark, R.N. "Nils Gustaf Dalén (1869-1937): Inventor, experimenter, engineer, and nobel laureate." IEEE control systems magazine (2003). v. 23 (4), pp. 68–70.