钱学森先生1911年生，与中华民国同年。他在新中国成立的时候，已经是国际公认的航空学界的顶级专家。美国海军部次长称他“永远抵得上五个师”。所以美国方面将他软禁至1955年才放他回国，为此中国方面还特地释放了11名被俘的美军飞行员。《工程控制论》就是他在被软禁期间花全部精力写的，1954年由McGraw Hill公司出版。

钱先生回国后一直投身于中国的导弹火箭事业，被公认为是中国的导弹之父和航天之父，是最崇高的“人民科学家”称号的唯一获得者。但是正因为如此，他在退出一线工作之前再没有发表过专业理论著作。即使他后来发表的一些关于系统科学方面的著作，主要涉及的还是统筹学和管理学的范畴。所以《工程控制论》是他唯一的专业学术理论的著作。

《工程控制论》应该是中国人的最杰出的科技学术著作之一，1956年获中国科学院一等科学奖（仅二人得奖。此奖直到40多年后才第二次颁发，也只有三位得奖人）。就连毛泽东都罕见地多次公开推崇这本书。也许是因为他对“控制”这个词特别感兴趣吧。

钱先生自己也把《工程控制论》看成他的学术代表作，曾把这本书送给他的导师---举世公认的权威，号称“世界航空学院院长”的冯。卡门（Von Karman）。冯。卡门说钱的学术水平已经超过了自己。钱先生回忆听到这句话时，是他一生中最激动的时刻之一。

《工程控制论》理论的主要应用是自动控制。比如不断即时自动地根据测量结果来修正和制导导弹的飞行方向，使得导弹成为“长了眼睛的炮弹”，能够达到“亿步穿杨”的功能，所以在当时是导弹和火箭技术的最复杂和最关键的部分。哈尔滨工业大学（前身为哈军工）的一系就是自动控制系。当然科学技术在飞速进步，《工程控制论》里的主要内容早已包含在北美大学工程专业三年级的必修课内。

下面十三段将浅显地介绍自动控制理论的发展，特别是自《工程控制论》出版以后的重大发展，分成以下三个阶段。

首先学术界公认的自动控制理论的创始人是MIT的维纳（N. Wiener）。自动控制论主要是把实际自动控制的分析和设计理论化，即把分析和设计的对象，从具体工程系统提高归纳到工程系统的标准数学模型。这是因为数学模型可以普遍地代表众多不同的工程系统。比如从波音飞机到机器人，都可以用数学模型来代表并存在电脑里。1956年前的数学模型以频率为变数，叫”传递函数模型“，形式是有理多项式。针对这一模型的控制理论被称为”经典控制论“。

阶段一：从经典控制论到现代控制论（更有效！1950年代的下半年代）

但是以时间为变数的数学模型更直接和更详细。这个模型以微分方程为形式，称为“状态空间模型”。比如根据牛顿的力学定理：力=质量 x 加速度（即対速度的时间微分），就是一个一阶微分方程。如果一个机械系统有n个质体，则其数学模型将是一个n阶微分方程，或是一组n个一阶微分方程组。在上述系统模型中，质体的速度也被称为该系统的“状态”，n阶微分方程的系统就有n个状态。知道了系统的状态也就知道了该系统最重要的信息。比如知道了质体速度也就知道了该质体的动能。

状态空间模型不但比传递函数模型更直接更详细，而且其三个常数矩阵组的形式比传递函数模型的有理多项式矩阵的形式，更要简单得多。所以针对这一模型的控制理论（称为”状态空间控制论“或”现代控制论“）也比经典控制论要更有效得多。比如苏联人就是根据这一理论将他们的人造卫星在1957 年首先送上天，当时极大改变了世界战略力量的格局，也极大地显示了现代控制论的优越性。笔者猜想，这也许也是美国人当初愿意放钱学森回国的原因之一。

现代控制论的控制形式很简单。其控制矢量等于，一个常数矩阵K（也叫控制增益）乘以系统状态（后者即是以系统的所有n个状态所组成的矢量）。这样的控制称为”状态反馈控制"。苏联人就是用变分法的数学工具，发展出了最优设计这一K的理论和方法。后来的设计理论结果还显示，即使只能测量和估算(estimate)出部分系统状态（即不满n个状态），也能普遍和有效地设计出其相应的K。这样的控制被称为“广义状态反馈控制”。这样的控制仍然比根据经典控制论所设计出来的控制要有效得多。

阶段二：从状态反馈控制到观测器反馈控制系统（更普遍，但是不可靠，1959-2019）

需要说明的是，导弹和卫星都是“理想”的系统，因为其所有n个状态都能被直接测量，也就是说这些理想系统的内部信息都能被理想地（即全部地）直接掌握。但是绝大多数别的工程系统却都不是理想的，即它们的所有n个内部状态是不能被全部直接测量的。而任何一个理论的意义就在于是否普遍。比如因为控制理论是针对数学模型，所以可以用来普遍地指导众多不同系统（从飞机到机器人）的分析和设计。

对于这些绝大多数的不理想的系统，西方从上世纪60年代起发展了现代控制论。整个设计理论体系最基本的原则叫“分离原则”。这个设计原则分（离）成两步：第一步假定系统是理想的（即假定已知系统的全部n个状态），用50年代的方法设计一个理想最优的控制增益K；第二步设计一个状态观测器(state observer)来估算所有n个系统状态，或是来实现第一步设计出来的状态反馈控制。从1960年起至今的60年里，这一设计理论在所有的大学专业课也都在教，美国第一年研究生一定会教。这样设计出来的控制系统也叫“观测器控制系统”。

但是实践和理论都充分证明，对于绝大多数不理想的系统，这样设计出来的观测器控制系统在实际上完全不能实现，其相应的直接状态反馈控制系统的可靠性。而可靠性又是任何工程系统最重要的性质，也是自动控制的主要目的---自动控制就是为了不断修正受控系统，使其能克服无处无时不在的干扰和误差的影响，保持可靠地运行（如可靠准确地命中目标）。遗憾的是基础于分离原则，人们一直不能普遍有效地解决这一最关键的问题。这使得现代控制论这60年来，并没有什么成功的实际运用。这也使得大多数控制理论专家自80年代以来甚至回到了经典控制论的研究。

分离原则的这一设计结果其实是很自然的和很容易理解的：既然绝大多数实际系统是不理想的或很不理想的，那么分离原则的第一步所基础的假定就是很不正确的和很不实际的，而根据这样的假定设计出来的所谓理想最优的控制，又怎么可能在实际上被真正实现呢？

这就好比世界上绝大多数国家都不是很先进文明的或是很不先进文明的。如果主观假定这些国家都是很先进文明的，强行要在这些国家立刻实现只有先进文明到理想程度的国家才可能实现的理想社会（如“一步跨入共产主义”式的大跃进），怎么可能没有灾难性的结果呢？怎么可能在实际上真正实现那个所谓理想最优的社会呢？

所以只能和必须“实事求是”，充分根据每个“实”际系统/国家的具体不同的设计要求和客观“事”实情况条件，来设计“求”得和计算出最合适的和至少能被真正实现的控制/社会制度。这个控制可能不是理论上绝对最优最强的，但是对于每一个具体的实际系统来说，却是在可以保证能被完全实现的前提下，最优和最强的,也是最合适的控制。

阶段三：从状态反馈控制到广义状态反馈控制，从分离设计原则到综合设计原则（保证可靠）

基于这个原因，有位华人学者在上世纪90年代提出和发展了一个完全不同于分离原则的，“综合设计原则”。这个新的设计原则完全根据实际系统条件和具体设计要求，来计算和设计需要估算的系统状态的数目（所以也只能实现相应于这些系统状态的广义状态反馈控制），即充分综合地根据不同的系统条件，设计要求和观测器(observer)参数，来设计和实现不同强度的广义状态反馈控制，但是却能保证完全实现这一控制的可靠性！所以这一设计是“综合设计”。

因为这一新的设计原则并不坚持假定系统是理想的，并不坚持要求实现最强和最理想的状态反馈控制，和并不坚持要求估算全部n个系统状态，所以尽管加上了保证完全实现广义状态反馈控制的可靠性这一设计要求，但是整个设计对于绝大多数系统都普遍有解析解，其近似解还能扩大到所有系统。而其设计出来的控制在提高控制系统的可靠性和性能上，又远远有效于基于经典控制论所设计出来的控制。

所以这一新的设计原则不但根本有效地解决了，现代控制论和分离原则里60年来一直未解的关键难题，还对整个自动控制理论做出了里程碑性的重大发展。

相关的英文论文请见：https://www.researchgate.net/publication/273352547_Observer_design_-_A_survey

或摘要：http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JDYS201501006.htm

相关中文专著请见：

https://baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E7%90%86%E8%AE%BA%E7%9A%84%E6%96%B0%E5%8F%91%E5%B1%95

或摘要：http://automation.sjtu.edu.cn/userfiles/files/2014111102.pdf