钱学森与控制论

与控制论的其他分支相比，工程控制论是最早的学科，其研究方法也是最成熟的。然而，其他控制论分支大多借鉴工程控制论的分析方法，在各自的领域开展研究。工程控制论，又称控制理论，是由中国著名科学家钱学森创立的。他在1954年出版的专著《成控制论》标志着这门学科的诞生。该书从技术角度全面总结和论述了各种工程控制系统的自动控制原理，奠定了工程控制论的基础，指出了工程控制论的发展方向，促进了自动化技术在工程中的广泛应用，是世界公认的工程控制论经典著作。

纵观几十年来控制理论的发展历程，人们传统上将它分为三个阶段:经典控制理论、现代控制理论和大系统理论。我们将在下面分别描述它们。

1.经典控制理论(40 ~ 50年代后期)

20世纪40年代，为了提高工业自动控制系统的性能，特别是在第二次世界大战中，分析和设计单变量(即物理量)控制系统的经典控制理论和方法逐渐形成。在此期间，重点是单机自动化或本地自动化。例如，自动调节器用于控制锅炉水位、发电机电压和电机转速。更复杂的控制系统包括火炮自动瞄准、飞机和船只自动导航以及方向舵位置控制系统。经典控制理论应用于工程实践。最成功的例子是美国陆军在1944年发明的自动防空火炮系统。该系统包括自动搜索和跟踪目标(敌机)的雷达。同时，高射炮被控制自动瞄准飞行中的敌机。炮弹的发射方向是自动计算的。定时起爆引信自动安装。炮弹自动装填并发射，直到敌机被击落或敌机逃脱。这在当时的确是一个奇迹，如此复杂的战斗过程可以完全自动化，而且比人工操作更加灵活，命中率也高得多。

2.现代控制理论(20世纪60年代早期至今)

自20世纪50年代以来，控制理论在航空航天领域的应用取得了快速发展。许多更复杂、更精确的自动控制系统相继出现，如自寻导弹、人造卫星、登月飞行、火星着陆、载人飞船等。与此同时，随着电子计算机技术的发展和普及，许多重要的工业生产部门正逐步从局部自动化转向综合自动化，因为这样可以最大限度地提高劳动生产率和产品质量，节约原材料和能源，从而实现现代生产的最优化。

随着自动化水平的不断提高，控制系统本身变得越来越复杂，系统中控制变量的数量也越来越多，对控制性能的要求也逐渐提高。在许多情况下，要求系统的性能是最佳的，例如最短的时间、最小的误差、最小的燃料消耗、最高的输出、最低的成本、最大的效益等。此外，它还需要对环境的变化有很强的适应性。然而，目前基于的稳定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了满足航天工业和生产综合自动化的需要，1960年出现了以状态空间描述为基础，以最优控制理论为核心的现代控制理论。现代控制理论的概念是由美国著名科学家、控制理论领域的权威人物卡尔曼(年仅27岁)于1960年首次提出的。其主要标志是卡尔曼提出的可控性和可观性新概念，以及伯曼的动态规划、庞特里亚金的最大值原理和卡尔曼滤波器。

3.大系统理论(从20世纪70年代初至今)

自20世纪70年代以来，控制理论在深度和广度上有了进一步发展，进入了所谓的“大系统理论”阶段。由于大系统理论可以用来解决大系统的优化设计、优化管理和优化控制问题，因此越来越受到世界各国的重视。一方面，许多国家的研究机构、大学和军事部门正在积极开展各种大规模系统的研究、分析和设计。另一方面，大型国际研究机构相继成立，如1972年在维也纳成立的国际应用系统分析研究所。其目的是专门研究涉及整个世界的大规模系统问题，如地球资源、能源、人口和世界模型。

但是什么是大系统呢？因为它仍在不断发展和完善，很难给它一个明确的定义。一般来说，大系统是指包括工程技术、社会经济、生物、生态等领域的复杂系统。如各种文件中提到的大型钢铁厂和化工厂的多级计算机控制和管理系统；区域电网的动态稳定、自动保护和优化运行系统；供水系统、农田水利灌溉网、油气输送管道系统；铁路、航空、城市交通管理和控制系统等。