工程控制论1954年钱学森所著《...

工程控制论1954年钱学森所著《...
工程控制论
engineering cybernetics
控制论的一个分支学科，是关于受控工程系统的分析、设计和运行的理论。

法国物理学家和数学家A.M.安培于1834年用控制论这一名词称呼管理国家的科学。

第二次世界大战前后，自动控制技术在军事装备和工业设备中开始应用，实现了对某些机械系统和电气系统的自动化操纵。

20世纪30年代末美国、日本和苏联的科学家们先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑自动机的理论,并被迅速用于生产实践。

在这一时期前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。

在这些科学成就的推动下，曾亲自参加过自动化防空系统研制工作的美国数学家N.维纳于1948年把这些概念和理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究，并把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同机制的现象加以研究，建立了一门新的学科,称为控制论(cybernetics)。

这一名词随即为世界科学界所袭用。

1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世，第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论、概念及方法。

随着该书的迅速传播（俄文版1956年，德文版1957年，中文版1958年），该书中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。

工程控制论的目的是把工程实践中所经常运用的设计原则和试验方法加以整理和总结,取其共性,提高成科学理论，使科学技术人员获得更广阔的眼界，用更系统的方法去观察技术问题，去指导千差万别的工程实践。

理论范畴工程控制论的研究对象和理论范畴在不断扩大。

近20年来该学科的各个方面都有了很大的发展。

到目前为止,它所包含的主要
理论和方法有下列6个方面。

系统辨识和信息处理由于工程控制论中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上，为了实现对工程系统的控制，精密地定量描述它的行为和结构就具有决定性的意义。

找出能够完全描述系统状态的全体变量，区分为输入量、受控量和控制量等不同类别，把表现为机械的、电的、光的、声的各种物理信号形式的变量从各种随机因素和噪声中提取出来，确定各变量在各种不同条件下的变化规律，这就是系统辨识理论的任务。

用滤波、预测、相关处理、逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息以及寻求各变量之间的相互关系，这是属于信息处理理论和方法的范畴。

近年来发展起来的模式识别理论和方法能够对已经提取出来的物理信号进行更精细的分析,以便用机器手段去理解它的含义,并用文字或图形显示出来，为管理和操作人员提供准确的信息，这是信息处理理论的新成就。

模型抽象为了精细地描述受控客体的静态和动态特性，常用建立数学模型的方法。

成功的数学模型能更深刻地、集中地和准确地定量反映受控系统的本质特征。

借助于数学模型，工程设计者能清楚地看到控制变量与系统状态之间的关系，以及如何改变控制变量才能使系统的参数达到预期的状态，并且保持系统稳定可靠地运行。

数学模型还能帮助人们与外界的有害干扰作斗争，指出排除这种干扰所必须采取的措施。

根据具体受控工程的特点，可以用代数方程式、微分方程式、积分方程式、逻辑代数式、概率论和模糊数学等数学工具去建立数学模型。

对复杂的系统常要用到由几种数学工具结合起来的混合模型去实现对工程系统的完全描述。

这种根据实验数据用数学工具去抽象受控工程对象本质特征的原理和方法称为建模理论。

最优控制欲使工程系统按希望的方式运行，完成预定的任务，应该正确地选择控制方式。

几乎所有的工程系统都有共同的特性：为达到同一个目标，存在着许多控制策略。

不同的控制策略所付出的代价也各异，例如能量消耗，所费时间的长短，材料、人力和资金的消耗等均不相同。

研究如何以最小的代价达到控制的目的的原理和方法称为最优控制理论。

寻求以最短时间达到控制目的的理论称为最速控制
理论。

线性规划、动态规划、极大值原理、最优化理论等都是经过实践证明具有严密结构的最优控制理论。

为了解决最优控制的工程实现问题，科学家们又创造了很多适用于计算机程序的算法，称为最优化技术。

最优控制理论和最优化技术的建立是工程控制论中最突出的成就。

自我进化受控系统的工作环境、任务和目标常发生变化。

为了使工程系统能自动适应这些变化，科学家们创立了一系列设计原理和方法，赋予系统以自我进化的能力，即根据变化了的环境条件或工作任务，系统能够自动地改变自己的结构、参数和获得新的功能。

最早出现的是自稳定系统，它能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变自己的结构，始终保持稳定的工作状态而无需操作人员去干预。

用自适应控制理论（见适应控制系统）设计的工程系统能自动地对外界条件变化作出反应，改变自己的结构参数，保持优良的性能和高精度。

计算机用于工程系统后，由于具有信息存储能力，出现了自学习系统。

经过有经验的操作人员示教以后，系统把一切操作细节都记忆下来，从此就能准确地自动再现已学到的操作过程，完成指定的任务。

只要存储容量足够大，同一工程系统可记忆若干种操作过程，就成为多功能系统。

把专家们在某一专门领域中的知识和经验存储起来，工程系统就获得处理复杂问题的能力，这种系统称为专家系统。

为完成不同的任务而能自动重组结构的系统称为自组织系统。

工程控制论的研究工作还一直受着仿生学新成就的启发和鼓舞，不断引进新的概念，发明新的理论，以求工程系统部分地模仿生物的技能。

能够辨识人的声音，认识和翻译文字，具有不断增长的逻辑判断和自动决策能力的智能系统已在工业生产领域和服务行业中采用，这是具有自我进化能力的工程控制论系统的最新成就。

容错系统提高系统工作可靠性一直是工程控制论研究的中心课题之一。

早期的研究集中在如何用不太可靠的元件组成可靠的系统。

例如，人的大脑中每天都有成千上万个脑细胞死亡，却仍能在数十年内可靠地工作而不出现故障。

用设置备份的办法去提高可靠性称为冗余技术，这是一项研究得最早至今仍在大量采用的技术。

自诊断理论是
关于自我功能检查发现故障的理论。

按这种理论设计的工程系统能自动地定期诊断全系统和组成部分的功能，及时发现故障，确定故障位置，自动切换备份设备或器件，从而恢复系统的正常功能。

有的系统能在全部运行过程中连续地进行自我诊断。

利用纠错编码理论（见编码理论）可以自动地发现工程系统在信息传输过程中可能发生的差错，自动地纠正错误，使系统的功能不受损害。

在不可能纠正时则剔除错误信息，或让系统重复操作，以排除随机差错。

对不能简单排除的故障，则选用无需故障部件参与的其他相近的功能部件代替。

自诊断理论、检错纠错理论、最优备份切换理论和功能自恢复理论总称为容错理论（见容错技术）。

仿真技术在系统设计和制造过程中不能在尚未建成的工程系统上进行实验，或者由于代价太高而不宜于进行这种实验。

用简单的装置和不同的物理过程去模拟真实系统的受控运行过程称为仿真技术。

早期曾以物理仿真为主，即用不同性质但易于实现、易于观察的物理过程去模仿真实的过程。

模拟计算机是专为仿真技术而发展起来的技术，它利用电信号在电路中的变化规律去模仿物理系统的运动规律。

数字计算机出现以来，又有混合计算机作为仿真工具。

随着数字计算机运算速度和存储容量的提高，数字计算机已成为仿真技术的主要手段。

只要编制相应的软件就可以模拟各种不同性质的物理过程。

仿真技术是在工程控制论中发展起来的强有力的实验技术，使设计师们能在极短时间内，用很小的代价在实验室内进行任何庞大工程系统的实验。

应用领域的演变工程控制论发源于纯技术领域。

转速、温度、压力等机械变量和物理变量的自动调节是最早期的工业应用，而自动调节理论是对这一时期技术进步的理论总结。

第二次世界大战前后出现的自动化防空系统和自寻目标的导弹系统促进了伺服机构和自动控制技术的广泛应用。

自动调节理论，经过发展和提高以后，上升为自动控制理论。

随着第一台电子数字计算机的出现，技术界开始研制具有数字运算能力和逻辑分析功能的自动机，自动控制系统随即获得了智能控制的功能。

随着廉价的微型计算机大量进入市场，自动化工程系统全面地进
入了智能化阶段，自动控制理论的全部含义遂得以真正展开。

从此，工程控制论的概念、理论和方法开始从纯技术领域溢出,涌进了许多非技术部门,派生出社会控制论、经济控制论、生物控制论、军事控制论、人口控制论等新的专门学科。

这些新学科出世以后，便与它们的先行者并驾齐驱，并且根据各自领域的特点，又抽象出新的概念，创造新的理论和方法，产生新的内容。

另一方面，它们毕竟是孪生学科,有共同的渊源,在前进过程中能彼此借鉴和相互补充。

它们所共有的那些原理、理论和方法，作为广义控制论的基本内容，又促进了另一门更广泛的学科──系统工程的诞生。

工程控制论进入社会科学领域是当代重大科学技术成就之一。

由于信息科学和信息技术的巨大进步，“工程”一词的含义在不断扩展。

继早期的纯技术工程（机械、电力、化工、水利、航空、航天等）之后，传统上属于社会科学范畴的问题已能用工程方法去处理，而且比纯行政管理方法能作出更好的决策，对社会事务的具体部门进行状态分析、政策评价、态势预测和决策优化时，常常得到意想不到的新发现，导致巨大的经济效益和社会效益。

在社会工程中应用工程控制论所依靠的技术手段与在纯技术工程中完全不同。

信息的采集要靠统计方法，状态分析依靠以计算机为中心的数据通信网络。

社会事务的定量模型被存储在计算机的数据库中，成为所要研究或管理的那些社会领域的动态映像。

在社会领域中进行新的政策性试验要费很长时间，还常伴有一定的风险，故数学仿真在这里起着非常重要的作用。

状态分析、模型提取、系统设计和政策优化等都能在试验室内于极短的时间内完成。

政策变量的设置和实施只能用政令法令的形式和通过有关政府或事业管理机构来推行，而不能像在纯技术工程中那样用机械的或其他物理信号去驱动。

状态反馈也要在人的参预下经过信息网络实现。

所以，以计算机为中心的信息系统是社会工程的技术基础，也是工程控制论之所以能用到社会范畴的先决条件。

此外，在模型抽象和政策优化分析中，还要经常用到运筹学、对策论、规划论、排队论、库存论等历史上独立于工程控制论之外并行发展起来的数学理论，以及有关的经济学和社会学理论。

由于自然科学家和社会科学家的密
切合作，正在形成一门新的学科──决策科学。

编者语：在钱学森长达70多年的科学生涯中，他对我国火箭、导弹和航天事业的开创性贡献，彪炳史册。

有评论说，他不仅是一位杰出的科学家，同时也是一位思想家。

钱学森研究领域涉及科学、技术、工程、哲学等，特别是在不同学科、不同领域的相互交叉、结合和融合的综合集成研究方面，做出许多开创性的贡献。

这些思想对我们落实科学发展观，建设创新型国家,深化科技体制改革也不无裨益。

“钱学森高超地将工程和数学两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径……”
1954年，一本名为《工程控制论》的学术著作引起了控制领域的轰动。

这本书甫一问世，就赢得了国际声誉，吸引了大批数学家和工程技术专家从事控制论的研究，并形成了控制科学在上世纪50年代和60年代的研究高潮。

书的作者就是钱学森。

在美国遭受软禁期间，他5年磨一剑，开辟了研究的全新领域，并获得了意料之外又是情理之中的成功。

多年后，回忆《工程控制论》的写作与付梓，钱学森说：“研究工程控制论只是为了转移美国特务们的注意力，争取获准回归祖国。

当时并没有想到建立一门新学科。

”
那么，工程控制论的思想是如何诞生的呢？
还是把时光追溯到1937年，在美国加州理工大学读博的钱学森和几个同学组成了火箭技术研究小组，并得到了导师、力学大师冯·卡门教授的支持。

从此，开始了他与火箭和航天技术的不解之缘。

上个世纪的30年代，火箭技术和理论尚未成熟，倒是多在科幻小说的情节中出现，远没有被纳入传统科学研究议程。

但是，钱学森很早就认识到自动控制技术在火箭技术中的重要作用。

早在店铺之前，他的志趣就从设计火车头逐渐转向航空，其间，他还到杭州笕桥飞机场实习。

当时的飞机都是机械手动控制，控制已逐渐进入了他的思考。

“到了上个世纪四五十年代，虽然有了电子仪器，但还存在可靠性问题，因此飞机控制仍在相当大程度上依靠纯机械方式。

火箭技术的发展对控制系统提出了很高的要求。

”钱学森早年的学生、《钱学森手稿》的主编郑哲敏院士说。

后来德国成为世界上航空与火箭研究的翘首。

1945年二战结束前夕，钱学森随冯·卡门率领的科学考察团赴德国考察情况，第一次见识了火箭。

考察团一行带着数吨研究材料，回到了火箭研究还相对落后的美国。

大家召开研讨会出版文集，展望美国空军发展战略，这其中就有专门章节谈到制导技术。

“在他的视野中，制导是非常重要的事情”，郑哲敏回忆，二战后，钱学森对于迅速发展起来的控制与制导工程技术，作了深入的研究，并成为此类工作的先驱。

“如果说，钱学森的早期研究主要是针对阻碍当时航空、航天技术发展一些关键力学问题，那么后来，他的视野更加广泛，前瞻性更强，着眼点已不限于个别问题，而是开辟新的学科前沿领域，以推动航空、航天技术整体与长远的发展。

与此同时，他的学科领域也已不限于应用力学，而是他所倡导的更为广阔的技术科学领域。

”
《工程控制论》的诞生，就是对郑哲敏这句评价的最好注脚。

钱学森从事空气动力学、弹性力学、喷气和火箭推进器等航天领域科学研究，而这些与美国军事国防密切相关，正如美国当局所说：“他随时都值3—5个师的兵力。

”正因如此，在1950年，正当美国政府麦卡锡主义猖獗之时，钱学森被拘留两周，保释之后，又遭受美国政府长达5年之久的软禁，回国阻力重重。

就在1950年至1955年受特务监视时期，为了使美国政府放心，钱学森决定从事远离军事和国防问题的科学研究。

当然，他也不可能有以往的实验研究条件，因此，他选择了需要数学手段的理论研究问题。

作为世界级的导弹和火箭专家，钱学森很自然地把关注目光转移到一门新兴学科———控制论。

1948年，美国科学家维纳的《控制论》出版。

这本书的副题是
《关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，从书名就可以看出，《控制论》是关于既是机器中又是动物中的控制和通讯理论的一门学科，它研究的是一个系统的各个不同部分之间相互作用的定性性质以及整个系统的运动状态。

《控制论》中晦涩的哲学思想难于被人理解。

人们更难于透过《控制论》发现其与科学技术的联系。

前苏联对于《控制论》更是采取了批判的立场，并将该书定性为“反动的伪科学”。

另外，维纳在《控制论》中将动物与机器相提并论，引起了宗教人士的抗议，认为这冒犯了造物主和人的尊严。

然而，就是这样一本书，却引起了钱学森的浓厚兴趣。

凭着具备火箭技术的丰富经验，他敏锐地认识到维纳《控制论》的价值，迅速意识到其与火箭制导工程问题的相通性，立即运用控制论原理研究解决了一批喷气技术中的问题。

他很快发现，不仅在火箭技术领域，在整个工程技术的范围内，几乎到处存在着被控制的系统或被操纵的系统；而且事实上，有关系统控制的技术已经有了多方面的发展。

摆在钱学森面前的任务是：要以更广阔的眼界，用更系统的方法来观察有关问题。

也就是说，用一种统观全局的方法，来充分了解和发挥导航技术和控制技术等新技术的潜在力量，从而可以更有效地用新方法解决旧问题，并且可以解释前所未见的新的前景。

1953年底，钱学森在加州理工大学开设了一门新课程《工程控制论》。

当时对于像郑哲敏这样的博士生来说，老师讲是全新的领域。

力学，电子，通讯等各类学科融会贯通，还有“正/负反馈”“用不完全可靠的元件组成高可靠性系统”等新鲜的概念让学生们耳目一新。

在麦卡锡主义的阴影笼罩之下，钱学森蛰伏五年，潜心撰写了一本著作《工程控制论》，并于1954年在美国正式出版。

这本书以系统为对象，以火箭为应用背景谈自动控制，系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通讯等科学技术的意义和影响，充分体现并拓展了维纳《控制论》的思想，是继该书之后，对控制与制导方面进行创造性论述的又一经典专著。

就这样，在软禁期间，钱学森从导弹制导控制慢慢进入到控制范畴，从一个空气动力学家转变成一个控制论学家。

而《工程控制论》的出版，则标志钱学森已从力学跨界到系统学界。

于是，一门新的技术科学———工程控制论诞生了。

《工程控制论》迅速引起了美国科学界乃至世界科学界的关注，并相继被译为俄文、德文、中文等多种文字。

该书澄清了国际控制学界的混乱局面。

当时苏联哲学界由于该书的问世，才从原来对控制论的批判转为后来加以赞扬。

1956年，前苏联发行了俄文版的《工程控制论》，并将辞书中的“控制论”定义为：“研究信息和控制一般规律的新兴学科”。

一位美国专栏作家这样评论《工程控制论》：“工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。

钱学森则集中两个优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径……”
“工程控制论已不完全属于自然科学领域，而属于系统科学范畴。

自然科学是从物质在时空中运动的角度来研究客观世界的。

而工程控制论要研究的并不是物质运动本身，而是研究代表物质运动的事物之间的关系，即这些关系的系统性质。

因此，系统和系统控制是工程控制论所要研究的基本问题。

”原航天部710所副所长于景元认为。

1955年，在钱学森即将离开美国返回中国时，他将《工程控制论》送给自己的导师冯·卡门。

冯·卡门对钱学森说：“我为你感到骄傲，你创立的工程控制论学说，对现代科学事业发展是巨大的贡献。

你在学术上已经超过了我。

”
这年冬季，钱学森返回祖国后，任刚刚建立的中国科学院力学所所长。

他在中关村化学所礼堂，讲授了一门全新的课程———工程控制论。

《工程控制论》(中文版)翻译者之一戴汝为院士回忆道，以前很少听过讲得这么好的课。

1957年，《工程控制论》获得中国科学院自然科学奖一等奖。

同年9月，国际自动控制联合会(IFAC)成立大会推举钱学森为第一届
IFAC理事会常务理事。

他也成为该组织第一届理事会中唯一的中国人。

在《工程控制论》的第18章阐述了一个很重要的观点———“通过工程控制协调的方法，即使用不太可靠的元器件也可以组成一个可靠的系统。

”
这个思想已远远超出了自动控制领域，进入到系统科学的范畴。