AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的工程師以及科學(xué)家，發(fā)展出控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。
故事要從Black(Harold Stephen Black，1898-1983，American electrical engineer)在1927年發(fā)明負(fù)反饋放大器說(shuō)起(“反饋(feedback)”一詞被正式使用)。
第一次世界大戰(zhàn)后，隨著電子放大器的出現(xiàn)，遠(yuǎn)距離通話成為可能。距離的增加，電能損耗也增加。為了增加傳輸距離，需要用直徑較大的傳輸線或增加放大器的個(gè)數(shù)，但放大器個(gè)數(shù)越多，因非線性以及噪聲造成的失真越大。1920年前后，放大問(wèn)題已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)長(zhǎng)距離電話技術(shù)的一個(gè)嚴(yán)重阻礙。
Black當(dāng)時(shí)是AT&T的工程師，他深入研究了這個(gè)問(wèn)題，他發(fā)明的負(fù)反饋放大器通過(guò)把輸出的放大信號(hào)再反饋回輸入端，就可以減小由于噪聲和器件參數(shù)漂移造成的失真。
圖18 Black發(fā)明的負(fù)反饋放大器抗擾原理
雖然反饋的原理在公元前300年古希臘人和阿拉伯人發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)裝置、17世紀(jì)的溫度調(diào)節(jié)器、18世紀(jì)工業(yè)革命的標(biāo)志-瓦特蒸汽機(jī)中采用的飛球式調(diào)速器中就存在，但"反饋(feedback)"一詞被正式使用則是在Black發(fā)明負(fù)反饋放大器時(shí)。
關(guān)于Black的這個(gè)發(fā)明，有個(gè)被大家津津樂(lè)道的故事：1927年8月2日，Black前往上班途中，在Hudson河的渡船Lackawanna Ferry上靈光一閃，想出了在控制發(fā)展歷史上具有重要意義的負(fù)反饋放大器。由于手頭沒(méi)有合適的紙張，他將這個(gè)靈感記在了一份紐約時(shí)報(bào)上，這份報(bào)紙已成為一件珍貴的文物珍藏在AT&T的檔案館中。(注：在8月6日周六的上班途中，Black再次在渡船上在當(dāng)天的一份紐約時(shí)報(bào)上寫(xiě)了更詳細(xì)的過(guò)程)。
圖19 Black負(fù)反饋放大器的靈感來(lái)自于上班途中的靈光一現(xiàn)，只能將其記錄在手頭的紐約時(shí)報(bào)上
但其實(shí)為了這個(gè)靈光一現(xiàn)，Black持續(xù)不斷地努力了6年。1921年，Black畢業(yè)于伍斯特工業(yè)學(xué)院(Worcester Polytechnic Institute)，隨后到Bell實(shí)驗(yàn)室工作。作為新人，他希望盡可能多地了解公司的業(yè)務(wù)，于是查閱了大量公司文檔，發(fā)現(xiàn)公司當(dāng)前遇到的主要問(wèn)題是如何使放大器可以串聯(lián)起來(lái)把信號(hào)穩(wěn)定無(wú)失真地傳到千里之外。于是，他要求承擔(dān)這項(xiàng)工作，他上司說(shuō)“可以，但在不影響分配給他的其它工作的前提下”。于是，最初的兩年，他利用周末和晚上的時(shí)間閱讀了所有能找到的關(guān)于非線性電路方面的材料以及公司的有關(guān)文檔，后4年則幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻不在琢磨怎么實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有線性功能的放大器,在對(duì)放大器問(wèn)題進(jìn)行了幾年艱苦的研究之后,這才有了1927年8月2日上班路上的靈光一現(xiàn)。
而從負(fù)反饋放大器的發(fā)明到其實(shí)際應(yīng)用則又經(jīng)歷了一段充滿(mǎn)荊棘的漫長(zhǎng)路途。
為了減小失真(誤差)而引入的反饋裝置，有可能會(huì)使得系統(tǒng)發(fā)出尖叫(singing/oscillating)而變得不穩(wěn)定(反饋的代價(jià)：系統(tǒng)復(fù)雜了，可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定)。
這又涉及到了Maxwell和Routh研究過(guò)的穩(wěn)定性問(wèn)題，但這時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)很復(fù)雜(通常是幾十階的高階微分方程)，Routh判據(jù)很難再有幫助。貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的通信工程師和科學(xué)家們開(kāi)始考慮用頻率響應(yīng)(frequency response)和復(fù)變函數(shù)理論進(jìn)行分析，發(fā)展出了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。
負(fù)反饋放大器的發(fā)明及其發(fā)展被認(rèn)為是發(fā)明家、工程師與受過(guò)良好數(shù)學(xué)物理訓(xùn)練的理論研究團(tuán)隊(duì)成功合作的杰出案例，其中有2個(gè)代表性人物：Harry Nyquist(1889-1976)和Hendrik Bode(1905-1982)。
H. Nyquist，1917年獲得耶魯大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，1917-1934年就職于AT&T。1928年，Nyquist與AT&T的其他一些工程師一起與Black商討如何將負(fù)反饋放大器用于一種新的電纜通信系統(tǒng)。他做了負(fù)反饋系統(tǒng)的分析，并最終在頻域上建立了一個(gè)與已有工作完全不同的穩(wěn)定性判據(jù)-Nyquist判據(jù)，Nyquist判據(jù)可以直接指導(dǎo)如何調(diào)整控制器確保系統(tǒng)穩(wěn)定。
圖20 Nyquist在頻域上建立了一個(gè)與已有工作完全不同的穩(wěn)定性判據(jù)-Nyquist穩(wěn)定判據(jù)
H. Bode，1926年獲得Ohio State University數(shù)學(xué)碩士學(xué)位，然后就職于Bell實(shí)驗(yàn)室，期間又于1935年取得Columbia University物理博士學(xué)位。1928年，在開(kāi)發(fā)一種新的同軸電纜通信系統(tǒng)時(shí)，Bode帶領(lǐng)一組數(shù)學(xué)家研究能充分利用Black放大器優(yōu)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。1940年，Bode在其經(jīng)典論文“Relations between attenuation and phase in feedback amplifier design”中進(jìn)一步提出了利用頻域的Bode圖、幅值裕度/相位裕度等相對(duì)穩(wěn)定性概念來(lái)設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大器的方法，并指出了系統(tǒng)增益與帶寬的極限關(guān)系。
圖21 Bode圖：通過(guò)頻域的幅值裕度/相位裕度分析系統(tǒng)穩(wěn)定性
二戰(zhàn)中，Bode參加了高射炮控制系統(tǒng)的研制，他參與研制的高射炮在1944年的安齊奧戰(zhàn)役(Battle of Anzio)和諾曼底登陸時(shí)都發(fā)揮了很大的威力。他的研究工作一直持續(xù)到美國(guó)太空計(jì)劃時(shí)代，是一位在學(xué)術(shù)界廣受尊重的科學(xué)家。Bode去世后，1989年IEEE控制系統(tǒng)協(xié)會(huì)(IEEE Control System Society，IEEECSS)設(shè)立Bode Lecture Prize以表彰對(duì)控制系統(tǒng)科學(xué)和工程做出突出貢獻(xiàn)的人。2019年中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭雷院士“因在自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)信號(hào)處理、隨機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的根本性和實(shí)際性貢獻(xiàn)”被授予Bode Lecture Prize，是該獎(jiǎng)設(shè)立30年以來(lái)，中國(guó)和世界華人中第一位獲此榮譽(yù)者。
2019年中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭雷院士被授予Bode Lecture Prize，是該獎(jiǎng)設(shè)立30年以來(lái)，中國(guó)和世界華人中第一位獲此榮譽(yù)者。
AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的工程師以及科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的這些工作最終發(fā)展為控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。
控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法至今還是控制工程師們最喜歡和信賴(lài)的一種方法，仍然在廣泛應(yīng)用。頻域方法可以擺脫處理微分方程的困難，直接通過(guò)系統(tǒng)頻域響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。
還有一個(gè)重要原因是，雖然穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首當(dāng)其沖的問(wèn)題，但系統(tǒng)僅有穩(wěn)定性是不夠的，一個(gè)好的控制系統(tǒng)除了需要具有穩(wěn)定性外，還應(yīng)兼顧快速性、準(zhǔn)確性、抗擾性等可能彼此沖突的性能指標(biāo)，頻域設(shè)計(jì)可以比較清楚地通過(guò)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)Bode圖同時(shí)在不同頻段兼顧各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)明而直接。
圖22 控制系統(tǒng)多項(xiàng)指標(biāo)可以通過(guò)頻域方法簡(jiǎn)明且直接地進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)
第2個(gè)群體在美國(guó)過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)地建立和開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，代表性工作：PI及PID控制的Ziegler-Nichols調(diào)整法
20世紀(jì)30~40年代，美國(guó)過(guò)程工業(yè)中的工程師和科學(xué)家開(kāi)始系統(tǒng)地建立和開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，一個(gè)代表性工作是J.G.Ziegler和N.B.Nichols在1942年提出了PI及PID控制的參數(shù)整定方法，后來(lái)被稱(chēng)為Ziegler-Nichols調(diào)整法。
第3個(gè)群體在麻省理工學(xué)院(MIT)的電子工程系, 設(shè)計(jì)了微分方程模擬計(jì)算機(jī)，進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真。
1930s，Vannevar Bush在MIT帶領(lǐng)Harold Hazen，Gordon Brown和Claude Shannon設(shè)計(jì)了微分方程模擬計(jì)算機(jī)(the differential analyzer)，從而可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真。其后，Harold Hazen和 Gordon Brown領(lǐng)導(dǎo)的小組利用模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的時(shí)域仿真。
關(guān)于控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真這項(xiàng)工作要不要在控制發(fā)展史里介紹筆者自己也反復(fù)過(guò)幾次，中間有幾次上課沒(méi)有講。后來(lái)，發(fā)現(xiàn)控制室的學(xué)生大多本科是學(xué)數(shù)學(xué)的，不太喜歡計(jì)算機(jī)仿真，反而覺(jué)得有必要給學(xué)生們強(qiáng)調(diào)一下計(jì)算機(jī)仿真的重要性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真在控制研究中已經(jīng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，不僅僅是指學(xué)術(shù)論文中那種簡(jiǎn)單的仿真，雖然現(xiàn)在仿真已經(jīng)是大部分論文中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)仿真更重要的價(jià)值還在于：
1、可以直接啟發(fā)新的研究思路和靈感，當(dāng)然由仿真啟發(fā)的新方法還需要經(jīng)過(guò)艱難的嚴(yán)格理論論證和嚴(yán)苛的物理實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。
2、論證控制方法的重要手段。如今控制問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜，需要考慮的因素越來(lái)越多，傳統(tǒng)的理論分析手段難以徹底解決問(wèn)題時(shí)，詳盡充分的計(jì)算機(jī)仿真已成為論證控制方法的重要手段。比如，在航天工程中研究新的飛行方案時(shí)，穩(wěn)定裕度分析往往還需要結(jié)合大量拉偏參數(shù)以及考慮各種物理器件約束的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。因此，我們也許應(yīng)該思考理論分析的內(nèi)涵是不是也應(yīng)該隨之與時(shí)俱進(jìn)。
二戰(zhàn)后，經(jīng)典控制技術(shù)基本建立起來(lái)
二戰(zhàn)的爆發(fā)使控制系統(tǒng)的工作集中在幾個(gè)特別的問(wèn)題上，最重要的一個(gè)是防空高射炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(aiming of anti-aircraft guns)。這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要完成快速發(fā)現(xiàn)飛行目標(biāo)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)飛行目標(biāo)的位置、精確瞄準(zhǔn)等一系列動(dòng)作。為了完成這個(gè)任務(wù)，需要將雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)(automatic tracking radar system)直接與射擊指揮儀(gun director)并最終與炮火位置控制器(gun position controller)相連。
為此，美國(guó)集中了當(dāng)時(shí)的機(jī)械、電力電子、通信等各方面的工程師和科學(xué)家通力協(xié)作來(lái)完成這一系統(tǒng)，如SCR-584雷達(dá)系統(tǒng)(SCR-584 radar system)由MIT雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室研制，M9射擊指揮儀(M9 director)則由Bell實(shí)驗(yàn)室集合C.A.Lovell，D.B. Parkinson，Bode，R.C. Blackman，Claude Shannon等人研制。
這是一次成功的合作，這個(gè)系統(tǒng)在1944年6月-8月英國(guó)東南部抗擊德國(guó)V-1火箭空襲中獲得了很高的成功率，擊落了上千枚V-1火箭。
V-1火箭被認(rèn)為是第一個(gè)可操作的自動(dòng)化機(jī)器炸彈*注2(the first operational robot bomb)，飛行速度快且高度低，對(duì)炮火有很強(qiáng)的抵抗力。
1944年的倫敦空戰(zhàn)被認(rèn)為是自動(dòng)機(jī)戰(zhàn)爭(zhēng)的開(kāi)端(the beginning of the first battle of the robots)：由SCR-584 雷達(dá)、M9 射擊指揮儀、炮臺(tái)組合成自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)射帶有近身引信(the Proximity fuze)的VT(variable time)robot與V-1 robot的抗?fàn)帯?/span>
*注2：2018年7月，蘇劍波邀請(qǐng)高志強(qiáng)和我在上海交大講授了一次“自抗擾控制技術(shù)”的暑期課程，其中有個(gè)單元是蘇劍波講機(jī)器人，他的開(kāi)場(chǎng)白讓我印象深刻，說(shuō)他讀碩士學(xué)位時(shí)曾經(jīng)不喜歡機(jī)器人這個(gè)方向，因?yàn)橛X(jué)得“那時(shí)的robot根本就沒(méi)人樣！”。這里把robot翻譯成機(jī)器人似乎也不合適，翻了下字典，robot原文為能自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器(a mechanism that can move automatically)。
戰(zhàn)后，經(jīng)典控制技術(shù)基本建立起來(lái)了，是一種針對(duì)單輸入線性定常系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。主要有以微分方程描述的系統(tǒng)特征根、以及上升時(shí)間、超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差和阻尼等指標(biāo)表述系統(tǒng)性能的時(shí)域方法，和以帶寬、諧振、幅值/相位裕度以及頻域響應(yīng)圖展示系統(tǒng)行為的頻域方法，有人喜歡時(shí)域方法，因?yàn)榭梢灾庇^了解系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行為，而二戰(zhàn)中的工作充分顯示了頻域響應(yīng)方法在反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的威力。
戰(zhàn)爭(zhēng)中解決防空控制問(wèn)題的經(jīng)歷也使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到：
1、將幾種由不同小組設(shè)計(jì)的部件集成在一起工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的性能就不那么依賴(lài)各個(gè)獨(dú)立單元的性能，而在于它們是否能很好地協(xié)同工作。
2、無(wú)論是通訊工程師擅長(zhǎng)使用的頻域方法還是機(jī)械工程師喜歡的時(shí)域方法都不足以完成設(shè)計(jì)，所需要的是能綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的方法。
3、基于線性和確定性假設(shè)進(jìn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在局限，因?yàn)椋瑢?shí)際系統(tǒng)都是非線性的，測(cè)量包含誤差和噪聲，過(guò)程和環(huán)境存在不確定性，帶寬的約束、噪聲的影響、以及非線性特性都會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。
二戰(zhàn)的防空問(wèn)題與維納的“控制論(Cybernetics)”
二戰(zhàn)中的防空問(wèn)題還促成了另一個(gè)重要的進(jìn)展：維納(Norbert Wiener，1894-1964)的“控制論(Cybernetics)”。
1940-1945年5年內(nèi)，美國(guó)國(guó)防研究委員會(huì)火控部(fire control division，National Defense Research Committee)一共資助了80個(gè)研究項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)數(shù)目最大也是最成功的一個(gè)($1.5million)是Bell實(shí)驗(yàn)室的M-9射擊指揮儀，經(jīng)費(fèi)最小的一個(gè)項(xiàng)目($2325)是給維納的“預(yù)測(cè)目標(biāo)飛行模式(how to predict flight patterns)”，維納從隨機(jī)系統(tǒng)的角度進(jìn)行研究。
雖然維納的項(xiàng)目研究并未真正用于實(shí)際，但這個(gè)工作促使他進(jìn)一步思考有關(guān)反饋、信息、控制、輸入、輸出、自我平衡、預(yù)測(cè)和濾波(feedback， information，control，input，output，stability，homeostasis，prediction，and filtering)等問(wèn)題，并最終創(chuàng)立cybernetics(1948年出版了cybernetics這本著作。
維納的Cybernetics學(xué)說(shuō)既有理性的抽象概念如控制、反饋，也有豐富的想象力，如在人機(jī)關(guān)系方面，人與機(jī)器的融合，將機(jī)器擬人化以及人機(jī)械化。Cybernetics發(fā)表后，馬上被認(rèn)為是一種新思想甚至新興學(xué)科，而吸引了工程、數(shù)學(xué)、生物、心理甚至社會(huì)、哲學(xué)、政治等眾多領(lǐng)域的極大關(guān)注。
許多人認(rèn)為維納的cybernetics不應(yīng)該翻譯成“控制論”，從書(shū)名就可看出cybernetics具有控制、通訊以及人機(jī)交互等多重含義，翻譯成控制論只取了其中控制的部分?，F(xiàn)在人工智能又熱了起來(lái)，也有人認(rèn)為維納的cybernetics其實(shí)就是描述的人工智能。
走馬觀花最后一站：飽受爭(zhēng)議的現(xiàn)代控制理論
戰(zhàn)后控制科學(xué)的發(fā)展更主要的受到2大因素的推動(dòng)：一是美蘇太空競(jìng)賽，二是數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，可以完成復(fù)雜的計(jì)算和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真。
航天任務(wù)需要研究解決導(dǎo)彈與太空飛行器的發(fā)射(launching)、機(jī)動(dòng)(maneuvering)、制導(dǎo)(guidance)及跟蹤(tracking)等問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題的特點(diǎn)是物理模型可以用一組一階微分方程(線性或非線性)描述，再就是航天器上裝有具備良好精度的測(cè)量裝置(傳感器)用于狀態(tài)測(cè)量、軌跡規(guī)劃，于是發(fā)展出狀態(tài)空間方法。
航天控制系統(tǒng)，比以往的控制系統(tǒng)復(fù)雜多了。圖5展示了控制系統(tǒng)的幾個(gè)基本組成，在最初的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)里，如水鐘、飛球式調(diào)速器，量測(cè)、控制量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一體的，控制目標(biāo)也比較簡(jiǎn)單。而航天的控制系統(tǒng)跟以往控制系統(tǒng)相比要復(fù)雜得多，飛行任務(wù)往往需要導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制三部分協(xié)同完成。
對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)基本組成框架，導(dǎo)航系統(tǒng)相當(dāng)于測(cè)量部分，完成傳感器測(cè)量及傳感器信號(hào)的處理，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供飛行器在飛行當(dāng)中的各種狀態(tài)(位置、速度、姿態(tài)、角速度等)；制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于給出預(yù)期運(yùn)動(dòng)指令的部分，根據(jù)飛行最終任務(wù)實(shí)時(shí)規(guī)劃出當(dāng)前飛行狀態(tài)需要如何調(diào)整的指令值(通常為姿態(tài)指令)，即此時(shí)期望輸入是實(shí)時(shí)生成的而不是事先確定的；最后的關(guān)鍵就是控制系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的當(dāng)前飛行狀態(tài)和制導(dǎo)系統(tǒng)提出的運(yùn)動(dòng)指令形成控制量調(diào)整飛行狀態(tài)。
航天任務(wù)的需求強(qiáng)力推動(dòng)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，Bellman的動(dòng)態(tài)規(guī)劃、Pontryagin的極大值原理和Kalman濾波被認(rèn)為是現(xiàn)代控制理論的三個(gè)代表性工作。
1948年-1952年，Bellman(Richard Bellman，1920-1984)在蘭德公司(Rand Corporation)數(shù)學(xué)部工作，他在研究解決導(dǎo)彈部署以達(dá)到最大破壞力問(wèn)題的過(guò)程中，提出了“最優(yōu)性原理(principle of optimality)”和“動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programming)”。
Pontryagin(Lev Semenovich Pontryagin，1908-1988)是蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家，航天飛行任務(wù)除了落點(diǎn)精度的要求外，系統(tǒng)性能還涉及一些其他限制: 如時(shí)間最短或燃料消耗最少等，Pontryagin 1956年提出的極大值原理是關(guān)于這類(lèi)最優(yōu)控制問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。
Kalman濾波則是從帶有噪聲以及不完全測(cè)量的信號(hào)中提取所需信號(hào)的一種數(shù)學(xué)算法，Kalman濾波剛提出時(shí)曾受到很大質(zhì)疑，直到1960年，Kalman(Rudolf Emil Kalman，1930-2016)訪問(wèn)NASA Ames研究中心，其后Kalman濾波成功地在阿波羅登月計(jì)劃中得以應(yīng)用。
文獻(xiàn)把現(xiàn)代控制理論的起點(diǎn)放在1956年，那年在德國(guó)海得堡召開(kāi)了一次自動(dòng)控制的國(guó)際會(huì)議，很多國(guó)家的學(xué)術(shù)與工業(yè)界代表參加了會(huì)議。會(huì)上，一些代表提議成立一個(gè)國(guó)際組織來(lái)推動(dòng)自動(dòng)控制的發(fā)展，就是1957年9月在巴黎正式成立的國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)，前蘇聯(lián)申請(qǐng)了1960年在莫斯科召開(kāi)第一次IFAC世界大會(huì)。因此，也有把1960年第一屆IFAC世界大會(huì)的召開(kāi)作為現(xiàn)代控制理論起點(diǎn)的一個(gè)重要標(biāo)志。
IFAC是一個(gè)以國(guó)家組織為其成員的國(guó)際性學(xué)術(shù)組織，中國(guó)為其創(chuàng)始成員國(guó)。
1960年6.27-7.2，第1屆IFAC世界大會(huì)在莫斯科召開(kāi)，1500名控制工程師和科學(xué)家齊聚莫斯科，會(huì)上有285篇論文進(jìn)行了交流，不乏經(jīng)典之作，如：
1.Boltyanski, Gamkrelidze, Mishchenko, and Pontryagin: ”The maximum principle in the theory of optimal processes of control”
2.R. Bellmanand R. Kalaba:”Dynamic program and feedback control”
3.R.E.Kalman:”O(jiān)n the General Theory of Control Systems”
此后，IFAC世界大會(huì)每3年舉辦一次，1999年第14屆IFAC世界大會(huì)在北京召開(kāi)。
讀到這段歷史時(shí)，筆者總感覺(jué)以一次會(huì)議或組織的成立作為一個(gè)學(xué)科新階段的起點(diǎn)似乎理由不夠充分，還是更應(yīng)該看有什么新進(jìn)展。為什么上述三項(xiàng)工作被稱(chēng)為現(xiàn)代控制理論的代表性工作是筆者在研究生剛?cè)雽W(xué)時(shí)就一直有的疑問(wèn)，幾十年了，而現(xiàn)代控制理論在這幾十年里也飽受不接地氣的批評(píng)。2017年接到給北京五中學(xué)生以“數(shù)學(xué)與航天”為題講一次課的任務(wù)，苦惱了很久，不知從哪破題，苦思冥想中，忽然對(duì)自己這個(gè)幾十年前的疑問(wèn)有了不同的認(rèn)識(shí)。追根朔源，Kalman濾波比較好地解決了航天導(dǎo)航系統(tǒng)里的信息處理問(wèn)題，而最優(yōu)控制其實(shí)是期望解決航天制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)軌線規(guī)劃問(wèn)題。因此，根據(jù)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的關(guān)系，這三個(gè)代表性工作并不是解決傳統(tǒng)意義上的控制問(wèn)題，而是傳統(tǒng)控制中沒(méi)有涉及的部分，即狀態(tài)信息的提取和控制輸入指令的規(guī)劃。所以，可以說(shuō)現(xiàn)代控制理論拓展了傳統(tǒng)意義下控制研究的范疇，但對(duì)解決傳統(tǒng)意義上的控制問(wèn)題沒(méi)有大的推動(dòng)，依然是以PID為主的經(jīng)典控制技術(shù)占主導(dǎo)，而現(xiàn)代控制理論里那些試圖解決傳統(tǒng)意義上控制問(wèn)題的嘗試似乎都不太成功，這是需要我們深思的。前面提到的自抗擾控制則汲取并拓展了現(xiàn)代控制理論信息處理中狀態(tài)的概念和觀測(cè)器的方法，在解決傳統(tǒng)控制問(wèn)題上突破了現(xiàn)有理論和方法的局限性。作為在PID控制基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，自抗擾控制已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于我國(guó)航天航空多個(gè)新型飛行器的飛行控制，以及我國(guó)一些電廠的控制回路中，而其未來(lái)的發(fā)展，也許應(yīng)該思考如何擴(kuò)展到更廣的領(lǐng)域。
走馬觀花地回顧了控制歷史之后，歷史給我們哪些啟發(fā)呢？筆者自己的幾點(diǎn)感受：
1、控制科學(xué)是在解決實(shí)際問(wèn)題中不斷發(fā)展的
Maxwell系統(tǒng)地分析反饋控制穩(wěn)定性的工作是具體針對(duì)當(dāng)時(shí)調(diào)速器的穩(wěn)定性問(wèn)題，引申發(fā)展出來(lái)的；Black, Nyquist和Bode等人的頻域分析與設(shè)計(jì)方法是為具體解決通訊快速發(fā)展中出現(xiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的，甚至現(xiàn)代控制理論也是由于太空計(jì)劃中的一系列難題推動(dòng)的。因此，控制的研究要針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，對(duì)所研究的問(wèn)題要有透徹的了解，在創(chuàng)造性地解決問(wèn)題中做出原創(chuàng)性的工作。
2、歷史人物天才式貢獻(xiàn)的背后是對(duì)鉆研的熱情和持續(xù)不斷的努力
走馬觀花中愉快地在歷史人物間穿行，流連忘返，被他們帶著去探索各種問(wèn)題，這是特別吸引筆者的部分，常常會(huì)有“他是怎么想出來(lái)的”的好奇，在這個(gè)過(guò)程中既感嘆于他們的博學(xué)和才華，也被他們鉆研的熱情和執(zhí)著所打動(dòng)，任何一點(diǎn)進(jìn)展都不是一蹴而就的。
3、控制系統(tǒng)的研究通常在時(shí)域/復(fù)數(shù)域/頻域多個(gè)域中展開(kāi)
時(shí)域的狀態(tài)空間和微分方程分析，復(fù)數(shù)域的傳遞函數(shù)和零極點(diǎn)分析，以及頻率域的帶寬和幅值/相位裕度分析，每一種方法都有其適用的范圍、優(yōu)點(diǎn)和局限，最好能綜合掌握、靈活運(yùn)用。
