控制在第二次世界大战之后作为一门学科出现了。在战争之前就有人意识到科学可能会对战争的结果起到决定性作用。火力控制系统,枪炮瞄准器,船用、机用和鱼雷自驾仪都被研制出来。在过程控制方面也取得了重大的进步。军事机构,工业界,研究实验室连同大学紧密合作(Mindell, 2002; Oppelt, 1984)。工程师以及来自不同专业且有着控制系统经验的研究人员汇集起来组成了跨学科的团队。人们认识到,即使应用领域十分多样化,但是所有的控制问题都有一个共同的基础。
火力控制是主要的挑战之一。城市,工厂以及轮船都需要枪炮的保护以免受飞机的袭击。雷达被用作传感器,电动机或液压马达则用来改变枪炮方向。但由于雷达和枪炮物理上是分离的,两者之间的通讯必不可少。由此产生了一个额外的难题——雷达信号的噪声很大。船上的火力控制也必须对船的运动作相应的处理。早期的火力控制系统使用手动控制,但由于飞机的速度提高了,再无法使用手动控制。通过使用机械模拟计算机使得自动瞄准得以实现。反馈在系统水平与组件水平上都得到了广泛的应用。
德国在控制领域有着很强的传统;早在1905年Tolle的教科书(Tolle,1905)就已经面世了。德国工程师协会(VDI, Verein Deutscher Ingenieure)也已经意识到控制的重要性,于是他们在1939年组织了一个关于控制工程的委员会,由Hermann Schmidt担任主席,Gerhard Ruppel担任秘书。
德国对于在凡尔赛条约中的军事活动有着严格的限制;例如,禁止拥有空军。尽管如此,德国依然有着许多的秘密的项目。飞机以及导弹的自驾仪得以研制出来(Benecke &Quick, 1957; Oppelt,1984)。德国海军在1926年成立了一个秘密的公司“Kreiselgeräte”(陀螺仪装置)。这家公司在整个第二次世界大战期间的导航与制导方面扮演着核心的角色(Gievers, 1971; Mackenzie, 1990)。包括Askania、Kreiselgeräte和西门子在内的许多公司到1940年都制造了自己的自驾仪,在大学内也出现了一些重大的活动。根据Oppelt(1976)记录,每个月都会有数以千计的自驾仪生产出来。直到战争结束,仅西门子一家公司就制造了35,000个自驾系统。自驾仪的基础是陀螺仪和模拟计算,使用了气动,液压和机电技术。
德国军方秘密地创立了弹道学委员会(Ballistics Council)来研制军事火箭。这个由Walter Dornberger领导的项目起始于1930年,并在1937年转移到佩讷明德(Peenemünde)。这个项目小组当时大约有90名研究人员(Benecke &Quick, 1957; Klee, Merk, & von Braun, 1965)。制导与控制是关键因素。该项目组研发出了包括V-1巡航导弹以及V-2弹道导弹在内的一些导弹。制导系统需要大量的研究与开发。Askania公司研发并制造了V-1导弹的自驾仪。V-2导弹及其制导系统则被一个由Wernher von Braun领导的团队研发出来(Benecke & Quick, 1957)。二战期间总共发射了超过8000枚V-1导弹与3000枚V-2导弹。战争结束以后这些德国的火箭专家陆续去了美国或者苏联,并在导弹技术的发展中起着领导作用。苏联在1957年发射了第一颗人造地球卫星伴侣号(Sputnik),并由此触发了太空竞赛。第一个到达月球的火箭就是1959年苏联的月球(Luna)2号。
苏联国内的研究都是高度集中的(Bissell, 1992b;Kurzhanski, 2007)。研究由科学院指导,并且由电工学院、锅炉和涡轮学院、电力工程学院以及航海航空学院等大的工学院负责应用。如果追溯到Vyshnegradskii, Joukowski和李亚普诺夫(Lyapunov),可以想象苏联在自动控制领域有着悠久的传统, 李亚普诺夫的书早在1892年就出版了,Joukowski的也在1909年出版。控制同样受益于苏联各地高校中对非线性动力学研究的优良传统,在莫斯科有由Mandelstam和Andronov领导的研究小组(Andronov, Vitt, & Khaikin, 1937),在基辅则有由Krylov和Bogoloibiv领导的团队。1934年创立了一个关于远程控制与自动化的技术委员会,由A. A. Chernyshov担任主席。1936年召开了一个关于自动控制与调度设计的全苏会议,约有600个与会者(Kurzhanski, 2007)。1939年在莫斯科创立了自动化与远程控制研究所(Anon, 1939)。该研究所成为了控制系统研究的人才摇篮,出现了许多杰出的研究人员,其中包括A.A.Andronov ,M. A. Aizerman, A. A. Butkovsky, A. A. Feldbaum, N. N. Krasovskii, B. Ya. Kogan, A. Ya. Lerner, B. N. Petrov, V. V. Solodovnikov, Ya. Z. Tsypkin以及 S. V. Yemelyanov。该研究所还出版了一本杂志《Avtomatikai Telemechanika》,并被翻译成英文,在西方广为传阅。1944年Andronov与一群极具天赋的研究人员在自动化与远程控制研究所组织了一场科研讨论会(Tsypkin, 1992)。他准确预料到自动化的盛大时代(Lerner, 1974)即将来临。庞特里亚金(Pontryagin)和Gamkrelidze等来自斯特克洛夫数学研究院的数学家们也做出了像极大值原理这样卓著的贡献。在列宁格勒,斯维尔德洛夫斯克以及基辅等许多其他城市也有许多研究院。
在美国,以范内瓦•布什(Vannevar Bush)为首的包括Karl T. Compton(麻省理工学院的校长),James B. Conant(哈佛大学的校长)以及Frank Jewett(贝尔实验室的主任)在内的一众科学家向罗斯福总统请愿建立一个能利用科学技术专长的组织来支援战争 (Wildes & Lindgren, 1986, p. 182–184)。最终在1940年成立了国防研究委员会(NDRC),由布什担任主席。委员会在一年之内成为了科研办公室(OSRD)的一部分。据报道,布什直接从委员会的总监被提升为主席。国防研究委员会是在麻省理工学院周边的一些实验室和贝尔实验室之上建立起来的。为了精确测量速度和角速度,Charles Stark Draper在20世纪30年代创办了仪器实验室公司(Instrumentation Laboratory)(Anon, 1935; Denhard, 1992)。Harold Hazen也在20世纪30年代完成了与伺服控制相关的先驱性工作(Hazen, 1934a,b)。在1939年美国海军需要学习关于伺服控制以及火力控制的一门专业课程。课程由Gordon Brown讲授,此后他立刻创建了伺服控制实验室 (Wildes & Lindgren, 1986, p.212–217)。国防研究委员会还在麻省理工学院成立了射电实验室(Radiation Laboratory),该实验室曾一度有约4000名研究人员,他们来自各个领域,并且有着广泛的学术和工业背景(Mindell, 2002)。来自不同团体的工程师和科学家以及工业界的工程师们在这里互动汲取养分 (Mackenzie, 1990; Mindell,2002)。
美国海军条例局资助了麻省理工学院的伺服控制实验室与仪器实验室的合作项目。Gordon Brown研制出了了改进的液压系统用于转动炮塔,Draper设计了基于陀螺仪的Mark 14枪炮瞄准器。枪炮瞄准器由Sperry公司生产,到战争结束制造了超过85,000个瞄准器(Mindell,2002)。
基于陀螺仪和加速度计的惯性导航与制导系统是火力控制的关键技术。在Draper的Mark 14瞄准仪取得成功之后,他开始了一项紧密的计划来减少陀螺仪的漂移进而研发惯性制导系统。到1950年,仪器实验室以及Autonetics公司都已经成功完成了基于惯性导航系统的飞行测试(Draper, Wrigley, & Hovorka, 1960; Mackenzie, 1990)。为了防止加速度计将重力加速度误认为当前的加速度,必须让加速度计跟重力方向垂直。舒勒(Schuler)已经证明可以通过设计一个自然周期为84分钟的反馈回路来实现此功能(Schuler,1923)。
仪器实验室于1970年更名为Draper实验室并在1973年成为了一家非盈利性的研究机构。伺服控制实验室依然是麻省理工学院的一部分,就是现在的信息与决策系统实验室(Mitter, 1990)。
射电实验室在二战后解散了,但是他们决定将其研究内容以28卷的系列发表出来。现引用此系列的前言:
“二战期间,在雷达和相关技术方面开展了大量的研发工作,由此不但产生了成百上千套军用雷达设备,而且带来了大量的信息和技术…由于这些基本的材料可能对科学和工程具有重大价值,在保证安全的情况下将其尽快发表出来似乎刻不容缓。麻省理工学院的射电实验室,….,承担了准备这些文卷的巨大责任。无论如何,本文描述的成果是由美国,英国,加拿大和一些其他国家在内的许多实验室、陆军、海军、大学以及工业领域中的大量从业人员共同努力的结果。在射电实验室的工作完成之后,其全体员工同意留在麻省理工学院工作六个月或更久。”
在大多数卷中讨论的都是关于雷达和微波的,但至少有两卷与控制高度相关;包括第27卷计算机理及机构,还有特别是第25卷伺服控制理论。尽管关于伺服控制有更早的书籍(Bode, 1945; Bomberger & Weber, 1941; Hall,1943; Harris, 1942; MacColl, 1945),但是此卷(James et al., 1947)无疑具有真正的里程碑意义。控制的多学科性质体现在此卷的主要作者中,包括Purdue大学的物理教授Hubert James,泰勒仪器公司的研究室主任Nathaniel Nichols,美国南加州大学的数学教授Ralph Phillips。这本书后续部分的作者都是来自伺服控制实验室的研究人员(Brown & Campbell, 1948)。
战争爆发之前,英国在控制方面的研发是在海军研究实验室(Admiralty Research Laboratory),皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment,),电信科学研究院(Telecommunication Research Establishment,),国家物理实验室(National Physical Laboratory)里以及造船,化工和电力等行业中进行的(Bennett,1976; Porter, 1965)。1935年,在帝国理工学院校长Henry Tizard爵士的主持下,举办了一个英国防御空袭问题研究的委员会。在此会议中对许多方案进行了探讨,最终决定把重点放在雷达的研发上。试验在1935年末取得成功。地面工作站到1940投入使用,机载电台也于1941年春天投入使用(Wildes & Lindgren, 1986, p. 193–194)。丘吉尔成为英国首相以后,任命Frederick Lindemann(彻韦尔子爵)教授担任他的科学顾问,Lindemann和Tizard之间经常发生争执(Clark, 1965; Snow, 1962)。那时英美之间有着广泛的思想交流与硬件交易。(Mayne,2007; Wildes & Lindgren, 1986, p. 195)。
海军本部对于雷达在海军炮术上的应用进行了研究。研究是在Metropolitan-Vicker这样的公司中进行的,该公司拥有Arnold Tustin这样的顶尖研究人员。由于该公司在1935年就已经制造了一个机械微分分析仪,因此他们对于伺服系统和模拟计算很有经验。Tustin还主持了一批为海军工作的公司(Bissell, 1992a)。1942年由Hartee担任主席Porter担任秘书组建了一个伺服小组(Porter,1965)。该小组的任务是交流伺服系统的经验;Tustin和Whiteley都是这个小组的成员。伺服小组后来成为了一个更正式的组织,1944年供应部组建了伺服控制及相关设备部门委员会(ICSR)。该伺服组织旨在延续这个领域的研究,为供应部出谋划策以及为所有从事政府工作的公司提供伺服控制方面的咨询。
在其他许多国家也有很多活动,诸如法国(Fossard, 2007)、意大利(Guardabassi, 2007)、日本(Kitamori et al.,1984)、中国(Chen & Daizhab, 2007)等都在控制领域有了一定的发展,甚至包括一些小国家,例如瑞典(Åström, 2007)在1945年创建了国防研究院(FOA)。
(Hu1-Hui译)