工程控制论

 工程控制论　　engineering cybernetics 　　20世纪30年代末美国、日本和苏联的科  《工程控制论》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，中文版第一版1958年，修订版1981年，第三版2011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。编辑本段理论范畴　　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。编辑本段模型抽象　　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。编辑本段最优控制　　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。编辑本段自我进化　　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。　离散控制理论在计算中也有很广泛的应用，例如，开方： 　　开方公式：X(n+1)=Xn+[A/X^(k-1)-Xn]1/k. 　　例如我们开3次方，即K=3； 　　公式：X(n+1)=Xn+[A/X^2-Xn]1/3 　　例如，A=5，5在1的3次方和2的3次方之间，X0无论取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。假如我们取2为初始值： 　　第一步：2+(5/2x2-2)1/3=1.7=X1 　　第二步：1.7+(5/1.7x1.7-1.7)1/3=1.71=X3 　　第三步：1.71+(5/1.71x1.71-1.71)1/3=1.709=X4 　　第四步：1.709+(5/1.709x1.709-1.709)1/3=1.7099=X5 　　每计算一次，比上一次多取一位数，计算次数与精确度成正比。取值偏大公式会自动调小，例如第一步和第二步，取值偏小公式会自动调大，例如第三步，第四步。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。编辑本段容错系统　　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）。编辑本段仿真技术　　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。编辑本段应用领域的演变　　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。编辑本段工程控制论1.工程控制论进入社会科学领域　　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。2.继早期的纯技术工程　　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。3.数学仿真在这里起着非常重要的作用　　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。4.工程控制论之所以能用到社会范畴的先决条件　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。5.在模型抽象和政策优化分析中　　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

我和《工程控制论》

    1955年，钱学森冲破重重阻碍从美国返回新中国，到刚刚建立的中国科学院力学研究所任所长。上世纪50年代钱学森在美国期间，举世公认他对力学及火箭技术做出了杰出贡献。《工程控制论》一书是钱学森先生于1954年在美国加州理工学院喷气推进中心任教时用英文发表的一本专著，这本专著被公认为是自动控制与系统科学领域的经典著作之一。

    看到国家当时建设及发展的现状，在回国后的各项重任压肩的紧张工作中，钱学森先生决定首先在中国科学院（中关村化学研究所礼堂）讲授《工程控制论》。为了给祖国尽快培养急需的一批高水平科技人才，听众选自中国科学院的一些研究所、北京大学、清华大学等高等学校的教师与高年级学生约200余人。让我永远不能忘记的是，在交通状况远落后于今天的那个年代，一些青年学子周六晚上从外地连夜赶火车到北京，直奔满地荒凉的中关村，为的就是利用一周唯一休息的一天来科学院听著名科学家钱学森讲《工程控制论》！几十年后，在当年的听众中，有人当选了科学院院士，有人从教当了大学校长，而在祖国航天事业的领军人物中不乏看到当年的青年学子的身影！

    我当时刚从北京大学毕业，分配到中国科学院力学研究所工作，在钱学森先生名下做学生，组织又要求我同时也协助钱先生做些其他工作。今天回过头来看自己在科研领域工作的成长过程，钱先生的直接指导和领路是我一生的幸运！

    在钱先生开始《工程控制论》的讲座时，他要求我参加听课，并负责整理听课笔记。每一讲座结束，我把整理好的听课笔记再送给钱先生审阅，他在一些我笔记不准确的地方做出修改。记得每次去钱所长办公室送审我的听课笔记时，我都很紧张，生怕自己记得有错挨钱先生批评；但每次一见到钱先生时我又会鼓足勇气一股脑儿向他提问自己没听懂的问题；有几次他听完我的问题只简单说一句“听不懂”，就又低头在办公桌上处理文件不理我了；我尴尬地站在那里……我知道钱先生的任务远远不仅是研究所的这些工作，他肩上还承担着国家的大事呢！所以我生怕耽误他的宝贵时间，正寻思是否离开他办公室的时候，钱先生却说话了，他指出我提的问题表明思维不清楚，而告诉我这样的问题应该如何思考等等；于是我恍然顿悟：钱先生是在教我思考问题的方法！经历了几次类似的“尴尬”，我深深感悟到自己在科研思路及科研方法上明白了很多，这使我在科研道路上终身受益！

    那年代办公条件有限。为了完成钱先生布置的下发讲义的要求，每次我就在钢板上用蜡纸一字字刻写钱先生修改后的听课笔记，再用油印机油印讲义，简装成册，在钱先生下一个星期日讲座时发给大家。时隔56年，今天想起当年钱先生讲课和指导我学习的情景，作为国际一流的大科学家，他过人的智慧、渊博的知识、学术的严谨和对我的严格要求，深深地刻印在我心中，高山仰止，永为我师！

    在美国学习工作了20年的钱学森，刚回国就给大家讲课，给大家的印象很深。他讲的是一口地道的普通话，既流畅又清晰，没有一个英文字，他能如此表达，这是花了很大功夫才做到的。记得他多次与所里一位副研究员商讨所要用到的英文术语的中文译名，如“Random”这个字，他花了不少功夫琢磨汉语应如何翻译，最后在课堂上翻译为“随机”二字。他的讲课十分引人入胜，既有概括又有提高，他从不带书和教案，粉笔字写得工整秀丽。北大的教师和同学都一致说，以前很少听过讲得这么好的课。

    1956年《工程控制论》俄文版问世、1957年德文版刊出。后来钱先生要我和何善堉两人将《工程控制论》翻译成中文，我们在整理1955年钱学森在力学所讲授工程控制论的笔记的基础上，再参照英文原书及吸取俄文版增加俄文文献后，于1958年中文翻译版正式出版。

    《工程控制论》成为自动控制领域的一本经典著作，它的一些内容被纳入专业教科书，并于1956年获中国科学院自然科学一等奖。

    《工程控制论》出版五十多年了，它是该领域里国内外引用率最高的文献之一。当时《工程控制论》的讲授和钱学森在科学研究及工程上的指导，奠定了我国“自动控制”研究的基础，更为我国培养了一代自动控制领域的专家。它前瞻性的学术思想获得了国际科学界的一致肯定和高度赞扬。

    （作者为中科院自动化研究所研究员、中科院院士）