錢學森與控制論

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　　與控制論其他分支比較起來，工程控制論是最早形成的一門學科，其研究方法也最為成熟。而其他控制論分支大多是借鑒工程控制論的分析方法，在各自領域內開展研究。工程控制論，也就是人們通常說的控制理論，是我國著名科學家錢學森創(chuàng)立的。他于1954年出版的專著《程控制論》，標志著這門學科的誕生。該書從技術觀點出發(fā)對各種工程控制系統(tǒng)的自動控制原理作了全面總結和探討，奠定了工程控制論的基礎，指出了工程控制論的發(fā)展方向，推動了自動化技術在工程中的廣泛應用，是世所公認的工程控制論經典著作。

　　縱觀控制理論幾十年的發(fā)展過程，人們習慣上把它分為經典控制理論、現(xiàn)代控制理論和大系統(tǒng)理論3個階段，下面我們就分別加以敘述。

　　1.經典控制理論(40～50年代末)

　　本世紀40年代，為了改善工業(yè)自動調節(jié)系統(tǒng)，特別是第二次世界大戰(zhàn)中為解決軍事裝備自動控制系統(tǒng)的性能，逐漸形成了以分析和設計單變量(即一個物理量)控制系統(tǒng)的經典控制理論和方法。這期間，著重研究的是單機自動化或局部自動化。例如，用自動調節(jié)器來控制鍋爐的水位、發(fā)電機的電壓及電動機的轉速。更為復雜的控制系統(tǒng)有大炮的自動瞄準、飛機、艦艇的自動導航和舵位控制系統(tǒng)等。經典控制理論應用于工程實踐，最成功的例子是美國的陸軍于1944年發(fā)明的自動防空火炮系統(tǒng)。該系統(tǒng)中包括雷達自動搜索和跟蹤目標(敵機)，同時控制高炮自動對準飛行中的敵機，自動計算出炮彈發(fā)射方向，自動裝入定時起爆引信，炮彈自動上膛和發(fā)射，直到擊落敵機或敵機逃跑為止。這樣一個復雜的作戰(zhàn)過程，居然能夠全部自動化，而且比人操作更靈巧，命中率也高得多，在當時看來，的確是個奇跡。

　　2.現(xiàn)代控制理論(60年代初～現(xiàn)在)

　　50年代以來，控制理論在航空航天部門的應用進展很快，許多更復雜、更精密的自動控制系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，如自尋目標導彈、人造衛(wèi)星、登月飛行、火星著陸、載人飛船等。與此同時，隨著電子計算機技術的發(fā)展和普及，許多重要的工業(yè)生產部門也逐漸由局部自動走向綜合自動化，因為這樣可以最大限度地提高勞動生產率和產品質量，節(jié)約原材料和能源，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化生產的最優(yōu)化。

　　隨著自動化水平的不斷提高，控制系統(tǒng)本身也日漸復雜，系統(tǒng)中的控制變量數(shù)也隨之增多，對控制性能的要求也逐步提高，很多情況都要求系統(tǒng)的性能是最優(yōu)的，如時間最短，誤差最小、燃料最省、產量最高、成本最低、效益最大等，而且要求對環(huán)境的變化有較強的適應能力，但現(xiàn)在所依據(jù)的穩(wěn)定性、快速性和準確性等設計指標難以滿足新的控制要求。為了適應航空航天事業(yè)和生產綜合自動化的需要，1960年出現(xiàn)了以狀態(tài)空間描述為基礎，以最優(yōu)控制理論為核心的現(xiàn)代控制理論�，F(xiàn)代控制理論這一概念，最早是在1960年由美國著名科學家、控制理論界權威人士卡爾曼(R.E.Kalman)(時年僅27歲)提出的。其主要標志是卡爾曼提出的能控性和能觀測性的新概念，還有貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃和龐特里亞金的極大值原理和卡爾曼濾波器。

　　3.大系統(tǒng)理論(70年代初～現(xiàn)在)

　　70年代以來，控制理論向深度和廣度進一步發(fā)展，進入了所謂的“大系統(tǒng)理論”階段。因為大系統(tǒng)理論可以用來解決大系統(tǒng)最優(yōu)設計、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制等問題，所以在國際上受到了日益廣泛的重視。一方面，許多國家的研究機構、大學、軍事部門，都在積極進行各種大系統(tǒng)的研究、分析、設計等工作；另一方面，國際上相繼成立了跨國的大研究機構，如1972年在維也納成立的國際應用系統(tǒng)分析研究所(ⅡASA)，旨在專門研究涉及全世界范圍的大系統(tǒng)問題，如地球資源問題、能源問題、人口問題、世界模型等。

　　但是，什么是大系統(tǒng)呢?因為它尚處于不斷發(fā)展和完善之中，很難給它下一個確切的定義。通常所說的大系統(tǒng)，指的是包括工程技術、社會經濟、生物、生態(tài)等各個領域的復雜系統(tǒng)。如各類文獻中提到的大型鋼鐵廠、化工廠的多級計算機控制與管理系統(tǒng)；區(qū)域性火力電網的動態(tài)穩(wěn)定、自動保護與最佳運營系統(tǒng)；水源供應系統(tǒng)、農田水力灌溉網、輸油、輸氣管道系統(tǒng)；鐵路、航空、城市交通管理與控制系統(tǒng)等等。

 

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