钱学森与控制论

与控制论其他分支比较起来，工程控制论是最早形成的一门学科，其研究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法，在各自领域内开展研究。工程控制论，也就是人们通常说的控制理论，是我国著名科学家钱学森创立的。他于 1954 年出版的专著《工程控制论》，标志着这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理作了全面总结和探讨，奠定了工程控制论的基础，指出了工程控制论的发展方向，推动了自动化技术在工程中的广泛应用，是世所公认的工程控制论经典著作。

纵观控制理论几十年的发展过程，人们习惯上把它分为经典控制理论、现代控制理论和大系统理论 3 个阶段，下面我们就分别加以叙述。

经典控制理论（40～50 年代末）

本世纪 40 年代，为了改善工业自动调节系统，特别是第二次世界大战中为解决军事装备自动控制系统的性能，逐渐形成了以分析和设计单变量（即一个物理量）控制系统的经典控制理论和方法。这期间，着重研究的是单机自动化或局部自动化。例如，用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准，飞机、舰艇的自动导航和舵位控制系统等。经典控制理论应用于工程实践，最成功的例子是美国的陆军于 1944 年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜索和跟踪目标（敌机），同时控制高炮自动对准飞行中的敌机，自动计算出炮弹发射方向，自动装入定时起爆引信，炮弹自动上膛和发射，直到击落敌机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程，居然能够全部自动化，而且比人操作更灵巧，命中率也高得多，在当时看来，的确是个奇迹。

现代控制理论（60 年代初～现在）

50 年代以来，控制理论在航空航天部门的应用进展很快，许多更复杂、更精密的自动控制系统相继出现，如自寻目标导弹、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也逐渐由局部自动走向综合自动化，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，从而实现现代化生产的最优化。

随着自动化水平的不断提高，控制系统本身也日渐复杂，系统中的控制变量数也随之增多，对控制性能的要求也逐步提高，很多情况都要求系统的性能是最优的，如时间最短、误差最小、燃料最省、产量最高、成本最低、效益最大等，而且要求对环境的变化有较强的适应能力，但现在所依据的稳定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了适应航空航天事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。现代控制理论这一概念，最早是在1960 年由美国著名科学家、控制理论界权威人士卡尔曼（R.E.Kalman）（时

年仅 27 岁）提出的。其主要标志是卡尔曼提出的能控性和能观测性的新概念，还有贝尔曼的动态规划和庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼滤波器。

大系统理论（70 年代初～现在）

70 年代以来，控制理论向深度和广度进一步发展，进入了所谓的“大系统理论”阶段。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和

最优控制等问题，所以在国际上受到了日益广泛的重视。一方面，许多国家的研究机构、大学、军事部门，都在积极进行各种大系统的研究、分析、设计等工作；另一方面，国际上相继成立了跨国的大研究机构，如 1972 年在维也纳成立的国际应用系统分析研究所（ⅡASA），旨在专门研究涉及全世界范围的大系统问题，如地球资源问题、能源问题、人口问题、世界模型等。

但是，什么是大系统呢？因为它尚处于不断发展和完善之中，很难给它下一个确切的定义。通常所说的大系统，指的是包括工程技术、社会经济、生物、生态等各个领域的复杂系统。如各类文献中提到的大型钢铁厂、化工厂的多级计算机控制与管理系统；区域性火力电网的动态稳定、自动保护与最佳运营系统；水源供应系统，农田水力灌溉网，输油、输气管道系统；铁路、航空、城市交通管理与控制系统等等。