钱学森与控制论
- 格式:pdf
- 大小:1.05 MB
- 文档页数:10
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。
钱学森生平介绍钱学森,人类航天科技的重要开创者和主要奠基人之一,是航空领域的世界级权威、空气动力学学科的第三代挚旗人,是工程控制论的创始人,是二十世纪应用数学和应用力学领域的领袖人物——堪称二十世纪应用科学领域最为杰出的科学家,他在上世纪40年代就已经成为和其恩师冯·卡门并驾齐驱的航空航天领域内最为杰出的代表人物,并以《工程控制论》的出版为标志在学术成就上实质性地超越了科学巨匠冯·卡门,成为二十世纪众多学科领域的科学群星中,极少数的巨星之一;钱学森同志也是为新中国的成长做出无可估量贡献的老一辈科学家团体之中,影响最大、功勋最为卓著的杰出代表人物,是新中国爱国留学归国人员中最具代表性的国家建设者,是新中国历史上伟大的人民科学家:被誉为“中国航天之父”、“中国导弹之父”、“火箭之王”、“中国自动化控制之父”。
中国国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号,获中共中央、国务院中央军委颁发的“两弹一星”功勋奖章。
钱学森一九一一年十二月出生于上海,祖籍浙江杭州。
一九二三年九月进入北京师范大学附属中学学习,一九二九年九月考入交通大学机械工程系(现西安交通大学机械工程学院)一九三四年六月考取公费留学生,次年九月进入美国麻省理工学院航空系学习,一九三六年九月转入美国加州理工学院航空系,师从世界著名空气动力学教授冯·卡门,先后获航空工程硕士学位和航空、数学博士学位。
一九三八年七月至一九五五年八月,钱学森在美国从事空气动力学、固体力学和火箭、导弹等领域研究,并与导师共同完成高速空气动力学问题研究课题和建立“卡门-钱近似”公式,在二十八岁时就成为世界知名的空气动力学家。
1950年,钱学森同志争取回归祖国,而当时美国海军次长金布尔声称:“钱学森无论走到哪里,都抵得上5个师的兵力,我宁可把他击毙在美国,也不能让他离开。
”钱学森同志由此受到美国政府迫害,遭到软禁,失去自由。
1955年10月,经过周恩来总理在与美国外交谈判上的不断努力——甚至不惜释放15名在朝鲜战争中俘获的美军高级将领作为交换,钱学森同志终于冲破种种阻力回到了祖国,自1958年4月起,他长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务,为中国火箭和导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案——为中国火箭、导弹和航天事业的发展作出了不可磨灭的巨大贡献。
钱学森物理力学贡献
钱学森(1911-2009)是中国的著名物理学家和航空航天科学家,在物理力学方面做出了重要的贡献。
以下是他在物理力学领域的主要贡献:
1. 弹道学研究:钱学森在弹道学领域做出了重要的贡献,特别是对于火箭弹道的研究。
他提出了一种新颖的控制方法,通过利用发动机推力和尾喷,实现了对火箭飞行过程中的稳定和姿态调整。
这一技术不仅是中国火箭发展的基础,也对国际航天技术的发展有着重要影响。
2. 控制理论:钱学森在控制理论方面也做出了重要的贡献。
他提出了一种新的控制理论方法,称为“经验型控制理论”,通过对系统的实际运行过程进行观察与调整,实现对系统的控制。
这一理论方法在航空航天领域取得了重要应用,对于提高飞行器的性能和稳定性有着重要意义。
3. 近地空间物理研究:钱学森还进行了大量的近地空间物理研究,特别是对于磁层和辐射带等地球磁场环境的研究。
他发现了磁暴和辐射带的一些规律,并提出了一些关于空间环境的新理论,对于航天器的设计和飞行安全有着重要影响。
总之,钱学森在物理力学领域的贡献既包括理论研究,也包括实践应用。
他的研究成果与航空航天领域的发展密切相关,对于中国航天事业的起步和发展做出了重要贡献。
钱学森系统控制论
《钱学森系统控制论》是一本由钱学森于1956年出版的著作,
是一部讲述系统控制理论的著作,在此之前,钱学森已经完成了关于系统控制的基础研究,其中最重要的是1956年出版的《钱学森系统
控制论》。
本书以“系统控制学”为核心,详细包括了“控制反馈”,“构建和拓扑历史学”,“控制稳定性”,“系统强制移位和操纵参数”,“控制机械系统及其传动”,“机械系统建模及其分析”,“系统测量原理”等许多方面,使得这部著作成为学术界对系统控制理论的重要参考书。
在本书中,钱学森把系统的概念概括为“控制及其所需的反馈”,用“宇宙的反馈原理”来描述控制反馈,并将系统分为“动态系统”和“静态系统”。
他在系统控制学核心方面指出,“所有系统均可用控制参数表示”,而“实际系统均可用拓扑学表示”,从而提出了“构建系统的拓扑历史”的概念。
此外,钱学森在本书中指出,“系统的稳
定性是控制反馈的基本要素”,提出了相应的控制参数和拓扑图,以
及稳定性的检验条件,以便更好地研究系统的稳定性,为实际工程的控制策略提供参考。
《钱学森系统控制论》不仅为系统控制学研究奠定了良好的基础,也为工业控制系统技术的发展提供了重要的指导,成为当今控制理论研究的必备参考书。
也正是出于这本书,控制工程及其相关技术蓬勃发展,这也促进了科学技术的进步,改善了人类生活和工作环境。
总之,《钱学森系统控制论》的出版,对推动系统控制理论的发
展,推动工业控制系统技术的发展以及促进科学技术的发展均甚有贡献,其重要性不可低估。
钱学森工程哲学思想研究在现代化的进程中,交通运输工程恐怕功不可没,交通的便利对全球化的进程作用巨大。
工程数量的增加,规模的扩大,程度的复杂化,需要进行学科研究,特别是需要从哲学层面把握工程活动的本质和规律。
钱学森是工程哲学的先驱和开创者,研究钱学森的工程哲学思想具有很强的现实意义。
一、《工程控制论》——钱学森工程思想的萌芽随着人类改造自然活动的不断深入,世界范围内工程数量和规模都达到了空前的高度,伴随而来的对工程活动的哲学思考也从未停止。
学界普遍认为,工程哲学学科是21世纪的产物。
以21世纪初我国学者李伯聪的《工程哲学引论》和美国学者布希瑞利的《工程哲学》为代表的一批著作是工程哲学兴起的标志。
进入新世纪以来,工程哲学的概念原理和研究方法的确都有了更加明确、独立、具体的发展,可以说,工程哲学进入了一个全新时期。
本文通过对钱学森先生一生在工程领域的成就和贡献的研究,提出“钱学森是工程哲学的先驱”这一新观点。
1948年,美国数学家维纳在研究了通讯和控制系统的特点后,综合了通讯和控制领域的经验和理论,创立了“控制论”学科。
1954年,时任加州理工学院喷气推进实验室教员的钱学森在美国出版《工程控制论》一书,该书从技术科学的维度对各种工程技术系统的自动控制理论作了全面研究。
这是钱学森学术生涯中的一次创举。
钱学森是世界上最早把维纳的“Cybernetics”明确为“机械和电机系统的控制和导航科学”的学者之一,并把经典控制等“工程实践”升华为“工程科学”,《工程控制论》成为现代控制科学真正的奠基之作。
如果说维纳的《控制论》是哲学,是认识论和方法论,那么钱学森的《工程控制论》是这种思想和方法论在工程领域的具体实践,钱学森第一次把哲学思想和工程控制联系在一起,钱学森也由此推开工程哲学领域的大门。
二、钱学森的系统现代工程观在我国,工程作为一门独立学科也是由钱学森提出来的。
曾任中国自然辩证法研究会理事长并创刊《自然辩证法研究》的丘亮辉先生说:“钱学森是第一个提出工程控制论的,他1954年回国的时候带了《系统工程》这本著作。
钱学森生平介绍钱学森,人类航天科技的重要开创者和主要奠基人之一,是航空领域的世界级权威、空气动力学学科的第三代挚旗人,是工程控制论的创始人,是二十世纪应用数学和应用力学领域的领袖人物——堪称二十世纪应用科学领域最为杰出的科学家,他在上世纪40年代就已经成为和其恩师冯·卡门并驾齐驱的航空航天领域内最为杰出的代表人物,并以《工程控制论》的出版为标志在学术成就上实质性地超越了科学巨匠冯·卡门,成为二十世纪众多学科领域的科学群星中,极少数的巨星之一;钱学森同志也是为新中国的成长做出无可估量贡献的老一辈科学家团体之中,影响最大、功勋最为卓著的杰出代表人物,是新中国爱国留学归国人员中最具代表性的国家建设者,是新中国历史上伟大的人民科学家:被誉为“中国航天之父”、“中国导弹之父”、“火箭之王”、“中国自动化控制之父”。
中国国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号,获中共中央、国务院中央军委颁发的“两弹一星”功勋奖章。
钱学森一九一一年十二月出生于上海,祖籍浙江杭州。
一九二三年九月进入北京师范大学附属中学学习,一九二九年九月考入交通大学机械工程系(现西安交通大学机械工程学院)一九三四年六月考取公费留学生,次年九月进入美国麻省理工学院航空系学习,一九三六年九月转入美国加州理工学院航空系,师从世界著名空气动力学教授冯·卡门,先后获航空工程硕士学位和航空、数学博士学位。
一九三八年七月至一九五五年八月,钱学森在美国从事空气动力学、固体力学和火箭、导弹等领域研究,并与导师共同完成高速空气动力学问题研究课题和建立“卡门-钱近似”公式,在二十八岁时就成为世界知名的空气动力学家。
1950年,钱学森同志争取回归祖国,而当时美国海军次长金布尔声称:“钱学森无论走到哪里,都抵得上5个师的兵力,我宁可把他击毙在美国,也不能让他离开。
”钱学森同志由此受到美国政府迫害,遭到软禁,失去自由。
1955年10月,经过周恩来总理在与美国外交谈判上的不断努力——甚至不惜释放15名在朝鲜战争中俘获的美军高级将领作为交换,钱学森同志终于冲破种种阻力回到了祖国,自1958年4月起,他长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务,为中国火箭和导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案——为中国火箭、导弹和航天事业的发展作出了不可磨灭的巨大贡献。
钱学森自动控制原理
在一个被控制的系统中,存在着一个控制系统,该系统能够自动地对外界输入的物理量进行响应,并且调整输入到该系统的物理量。
控制理论就是研究如何使该系统工作在最优化状态,或者说使它工作在某一特定范围内的学科。
我们知道,在自动控制领域中有一个经典的控制理论,那就是牛顿—拉夫逊控制理论。
这个理论在经典领域中被认为是一个完全正确的理论,因为它能够解决任何问题。
但到了20世纪50年代中期,人们发现了一些新的问题:这个理论不能解决非线性系统的问题;拉夫逊假设被控对象和控制律都是线性的;在实际系统中,往往存在着各种噪声;还有在这个理论中,被控对象与控制律没有确定的一一对应关系……
于是,人们开始怀疑牛顿—拉夫逊理论了。
由于人们发现了很多新问题,使得牛顿—拉夫逊理论变得不完善起来。
20世纪60年代初,人们提出了非线性系统理论。
它认为在非线性系统中,被控对象与控制律之间没有确定的对应关系;并且在非线性系统中,各种噪声和不确定性都是不可避免的。
—— 1 —1 —。
从工程控制到社会管理——钱学森《工程控制论》本文选自中科院自动化所研究员王飞跃先生的科学网博客:今年是钱学森教授《工程控制论》英文版发表六十周年之际,这是一部在我的学术生涯中产生过十分重要影响的著作。
饮水思源,万千心绪,谨以本文表示纪念。
主要观点:1)维纳的《控制论》是今天的控制科学、计算生物、计算大脑、计算智能等许多学科的精神开端,但非实质上的奠基之作;实际上,维纳倡导的“Cybernetics”。
至今仍然没有真正地实现。
2)钱学森是世界上最早把维纳的“Cybernetics”明确为“机械和电机系统的控制和导航科学”的学者之一,并给出实际方法,把伺服机构和经典控制等“工程实践”升华为“工程科学”,《工程控制论》理应作为现代控制科学真正的奠基之作。
3)安培“控制论(Cybernetique)”之本意是“国务管理(Civil Government)”或社会控制,但最初维纳和钱学森都认为这一设想是无法实现的:用维纳的描述是“虚伪的希望”或“过分的乐观”,用钱学森的语言是“恐怕永远也不会有结果”;但钱学森晚年的看法有了变化,认为“维纳一九四八年的观点是过于保守的”,而且,“一门新的科学终将诞生,这就是社会控制论。
“回顾自己的专业发展过程,曾有两本书几乎是戏剧性地拓展了我的研究视野,先是从力学到控制,后再从理工到社科。
在这两次变化之中,钱先生的《工程控制论》[1]都直接或间接地起了重要的作用,也使我有机会从个人的角度理解控制论的历史和本意。
今年正值《工程控制论》英文版发表六十周年,而且今日恰好为钱先生的生日,谨以此向钱先生表示感谢与怀念。
一、《工程控制论》与《科学革命的结构》第一次变化发生在三十年前,那时我还是浙江大学力学系的一个研究生,刚刚完成《正交各向异性圆柱形中厚壳的一个精化理论》的硕士论文答辩,立即花了近一周的时间细读了库恩的著作《科学革命的结构》[2],这是我偶然在一次物理学讲座上知道的一本“反”科学的书。
钱学森与控制论钱学森与控制论郑应平同济大学自动化系钱学森在控制论方面作出了独创性、前瞻性的贡献,特别是他把控制论与系统科学、复杂性探索结合起来考察,给人们提供了理论和方法论的指导。
因此,回顾和研究钱学森在控制论方面的思想发展历程和学术贡献,具有重要的理论和实践意义。
1.控制论发表时的问题和钱学森工程控制论的发表20世纪30年代系统和控制思想空前活跃,贝塔朗菲的一般系统论,维纳的控制论,申农除了信息论以外,还发表了关于继电开关逻辑综合的理论,至今仍是计算机等离散状态系统控制综合的理论基础。
冯?诺意曼除了决策和博弈理论以外,还提出了现代计算机体系结构和自组织、自修复、自繁殖系统的初步想法,阿什贝的控制论则比较强调从生物医学的角度提出新的思想,例如体温的自行镇定(Homeostat)和适应环境(Ultrastable)的系统。
系统论、控制论、信息论就是那时开始形成的,它们今天仍然是信息科学技术发展的重要理论基础。
维纳把控制论界定为“在动物和机器中控制和通讯的科学”,他选用的术语Cybernetics既来自希腊文中“掌舵人”的概念,又与麦克斯韦1868年的论文中“调速器”一词有关。
但其内容主要涉及统计力学在通信、滤波和控制中的应用,反馈原理和稳定机制,控制论原理在生物医学和社会管理中的应用,等等。
这也不难从其各章标题看出:牛顿时间和柏格森时间;群和统计力学;时间序列,信息和通讯;反馈和振荡;计算机和神经系统;完形和普遍概念;控制论和精神病理学;信息,语言和社会。
此外,在第二版还加入了自繁殖机一章。
阿什贝的书也类似。
他们较多地谈论思想和方法论,而如何将它们用于解决工程实际问题已成为人们关注的焦点。
另一方面,控制工程的发展水平也比较低,大多限于单回路线性调节或伺服系统设计,不少还停留于经验公式和参照图表的阶段,“解析设计”的概念刚处于萌芽时期。
钱学森的“工程控制论”英文版(Engineering Cybernetics)则在1954年应运而生。
钱学森与控制论郑应平 同济大学CIMS研究中心文章首先介绍了控制论的内容、方法和意义,以及历史回顾,并特别强调其在人类文明和科技发展中的重要地位,进而介绍了钱学森《工程控制论》的内容、观点及其在整个控制论发展过程中的承前启后作用,特别强调了它定位于面向工程应用的理论及其技术科学的特点,即把工程实际中行之有效的原理和方法整理总结成为理论,又将此理论在解决工程问题中不断充实、提高和发展。
随着他结合系统工程和大系统、复杂系统乃至复杂巨系统的控制问题逐步形成的综合集成方法论体系,进一步明确了他对控制论在系统科学体系中的地位、作用和现代发展方向的观点,对现代控制论的发展起到了重要的推动作用。
文中具体介绍了系统工程、系统科学体系和复杂系统控制理论的发展和融汇,指出它们已成为当前科技迅猛发展的重要方面。
最后简要介绍了当前信息科学全面发展的趋势,以及系统和控制理论在现代社会发展中的重要历史使命。
[关键词] 控制论;工程控制论;技术科学;复杂系统控制;复杂巨系统综合集成方法论1、控制论的基本内容、发展过程及其对社会发展和科技进步的重要作用人类在社会实践中很早就希望构造一些精巧的机器能够代替人类自动完成一些复杂的操作。
最早实现的这类功能包括自动计时,自动定向,利用水力、风力的自动装置等等。
科学技术发展的推动力归根结底来自于社会生产的需求。
瓦特蒸汽机首先解决了动力问题,但为了能够正常工作,瓦特还发明了一种离心调速器,它能自动调节进汽阀门以保持一定的转速。
这里他实际上已采用了反馈原理,即根据转速变化引起离心球高度变化反过来调整蒸汽输入以调整转速。
这里有个“度”的问题,即不能矫枉过正,否则会恶性循环,自激振荡。
为此物理学家麦克斯韦研究了这种反馈系统的稳定性问题,并于1868 年发表论文“论调速器”,当属最早的理论工作。
当时控制的对象主要是机械和电子系统。
20世纪20年代以来,在电路和无线电方面运用频谱分析方法得到了关于系统稳定性和其他品质分析的大量成果。
这套理论恰好可用于控制系统分析,形成今天所谓的古典调节理论,至今仍广泛用于许多简单的实际问题。
较复杂的问题则涉及非线性和随机输入下的系统品质和控制问题。
前者导入了李雅普诺夫和庞加莱关于动态系统稳定性和动态行为的定性分析方法;后者则由维纳发展了统计滤波和预测理论,据说曾用于二战中的防空火炮控制。
上世纪30、40年代,系统和控制思想空前活跃,有贝塔朗菲的一般系统论,维纳的控制论,香农除了信息论以外,还发表了关于继电开关逻辑综合的理论,至今仍是计算机等离散状态系统控制综合的理论基础。
冯·诺依曼除了决策和博弈理论以外,还提出了现代计算机体系结构和自组织、自修复、自繁殖系统的初步想法;阿什贝的控制论则比较强调从生物医学的角度提出新的思想,例如体温的自行镇定(homeostat)和适应环境(ultrastable)的系统。
所谓“老三论” 就是那时开始形成的,它们今天仍然是信息科学技术发展的部分理论基础。
2、控制论发展面临的问题与钱学森《工程控制论》的发表维纳把控制论界定为“在动物和机器中控制和通讯的科学”,他选用的术语“Cybernetics” 既来自希腊文中“掌舵人”的概念,又与麦克斯韦1868年的论文中“调速器”一词有关。
但其内容主要涉及统计力学在通信、滤波和控制中的应用。
反馈原理和稳定机制,控制论原理在生物医学和社会管理中的应用等等。
这也不难从其各章标题看出:牛顿时间和柏格森时间,群和统计力学,时间序列、信息和通讯,反馈和振荡,计算机和神经系统,完形和普遍概念,控制论和精神病理学,信息、语言和社会等等。
此外在第二版还加入了自繁殖机一章。
阿什贝的书也类似。
他们较多地谈论思想和方法论,而如何将它们用于解决工程实际问题已成为人们关注的焦点。
钱学森的《工程控制论》(英文版)[1] 在1954年应运而生。
它包括18章,其篇幅按1958年的中译本[2]计为33万字,其内容特点可概括如下。
1) 面向工程应用的理论。
书中指出,控制论(Cybernetics)一词,安培曾于1845 年用于描述一种关于国务管理的科学;工程中广泛应用的古典(伺服)控制系统理论(1930-1940年)是关于机械系统与电器系统的控制与操纵的科学;维纳控制论(1948年)则是一种较为普遍的关于动物体和机器的控制与通讯的科学;钱学森进而将控制论的主要问题概括为“一个系统的不同部分之间相互作用的定性性质,以及由此决定的整个系统总体的运动状态”的研究;而工程控制论则被界定为研究控制论这门科学中能够直接用在控制系统工程设计的那些部分,它除了应当包括伺服系统工程实际的内容之外,更深刻更重要的在于作为技术科学,应把工程实际中各种原理方法整理总结成为理论,以显示其在不同领域应用中的共性,以及许多基本概念的重要作用,它的重点在于理论分析,而不是系统部件的详细构造和设计问题。
作为技术科学,工程控制论使我们可能以更广阔的眼界、更系统的方法来观察有关的问题,从而得到解决老问题更有效的新方法,并揭示新的前景。
2) 承前启后。
从理论结合工程实际的角度极其精炼地介绍了从应用拉普拉斯变换和传递函数概念解决线性常系数反馈伺服系统问题到非线性、变系数、时滞、多变量解耦(自治)、交流伺服、采样(离散时间)系统、自寻最佳点、噪声过滤和最速开关控制,以及自行镇定超稳定性和可靠性设计等当时最新甚至超前的研究成果。
处于“古典(传递函数,频域法)” 和“现代(状态空间)” 控制理论的转折,起到承前启后的作用。
随着工业、国防等方面不断提出新的技术需求,以及电子计算机的日益广泛应用和数学理论方法的发展,钱学森于1961年建议由关肇直、宋健等组织现代控制理论讨论班,引导了一批青年学者投身这一领域,使我国控制理论研究能较快赶上世界潮流。
1980年与宋健等人共同完成的《工程控制论》中文修订版[3],更完整地反映了近期的进展,特别是中国学者的工作。
3) 综合集成。
钱学森在对维纳的控制论、香农的信息论、贝塔朗菲的一般系统论、冯 . 诺依曼的博弈论以及信息论、系统论等基本肯定的同时,也指出其简单化的倾向。
书中就其精华所做的精辟概括及突出强调贯穿全书的技术科学方法论,具有重要的指导意义。
特别是他明确给出控制论在系统科学体系结构中的定位以及复杂巨系统及其从定性到定量的综合集成方法论,为这类重要系统的建模、分析、运筹和控制问题提供了理论和方法论的依据。
3、从现代控制理论、大系统理论到复杂系统及其控制理论由于维纳控制论比较抽象的内容和比较广阔的思想,它与控制工程有一定的距离。
在1978年纪念《控制论》发表30周年之际,国外曾征文以最短的篇幅阐明控制论的实质内容。
对此我们也曾进行思考并提出若干自己的看法。
实际上,控制论的基本问题,即如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为,并不等于按其数学模型由预定轨道解一个“反问题”以求出控制输入这样一个数学的问题。
关键在于存在各种不确定因素(uncertainty),任意小的误差或噪声干扰若处理不当就可能导致严重的后果。
因此,反馈系统要比开环系统强;稳定性的频率判据要比代数判据更接近实用;系统的结构和参数存在误差或发生变化时,为使系统保持良好性能,就需要研究系统对这些变化的灵敏度或鲁棒性问题;当存在噪声等随机不确定性时可以用统计滤波等方法;而当系统特性变化缓慢时可以采取自适应、自校正等方法跟踪这些变化;若存在主观的不确定性或知识不足时,又可以利用模糊控制、智能控制等技术;如此等等。
可以概括地说,控制理论的所有概念、方法和内容都可归结为针对某种不确定性而使系统保持预定的品质。
包括大系统、复杂系统和复杂巨系统的控制,要解决的也是由于“大” 和“复杂” 而无法用还原论方法进行微观处理所带来的不确定性问题。
用这条线索可以把整个控制论串起来。
对于非控制专业人员,由此也不难理解控制论的基本思想、理论和方法论。
工程控制论在各方面得到了广泛的应用。
20世纪40、50年代用于船舶、火炮等机电系统操纵的伺服(随动)系统理论和技术已发展得比较充分,并在工业、国防中发挥重要作用。
60 年代前后由于火箭和航天技术的需求和支持,加上计算机技术的进步,发展了基于状态空间描述的多变量控制系统分析和设计理论,以极大值原理和动态规划为代表的最优控制和最优化理论,卡尔曼滤波和随机最优控制理论,非线性系统分析的状态空间方法,以及用于工业和国防的自适应和自校正控制系统理论等等。
以上述内容为主的现代控制理论曾经得到充分的支持和蓬勃的发展,并在1968年美国阿波罗成功登月中起到了很好的作用。
这里的许多理论和技术在《工程控制论》中均已做了总结和概括。
有趣的是,由于大功告成,美国航天局撤消了对这方面的大量支持,解聘了许多雇员,迫使他们转向工业、生物医学、社会经济等新的应用领域,以寻求新的发展和支持。
使人感到意外的是:他们引以为豪的那些“交会对接”、“软着陆”等高精尖技术并没有很快找到用武之地或起到立竿见影的效果。
那些新领域的对象和问题比较含糊、多变,难以描述,或者规模大、变量多,无法一揽子处理。
许多问题事实上也不必动用那些昂贵、精密的仪器和设备。
与此相应地倒是发展了大系统、模糊性理论、智能技术等新的方向,开辟了新的思路。
在1980-1981年《工程控制论》修订版[3]中增加了5章新的内容:最速控制系统、分布参数控制系统、逻辑控制和有限自动机、信号与信息,以及大系统理论,也部分地反映了这种情况。
国外在这一时期也出版了几种以“工程控制论”为题的著作,如乌克兰的伊瓦赫年柯(1962年)等,主要介绍了有关自适应、自校正、自学习、变结构、极值控制等方面的一些新结果;美国R.M.Glorioso 的《Engineering Cybernetics》(1975,1983年)则侧重于智能系统方面的概念,与工程应用都有较大的距离。
实际问题要考虑更多的约束因素,这比理论更加复杂。
但同时也由于问题的特殊性而使人得到启发,找出解题的办法。
只有通过结合实际的研究,才能不断地有所发现、有所前进。
这也是钱学森教授经常对年轻人的谆谆教导。
4、系统工程和系统科学1978 年,钱学森、许国志、王寿云在《文汇报》上发表文章[4],推动了系统工程在中国的发展和应用。
作为系统科学工程应用层次与自动控制并列的学科分支,系统工程在我国的发展和取得的成就是有目共睹的。
对于控制论来说,一方面,系统工程从管理的角度为控制问题明确指标、分配资源、规定约束,以求达到全局的目标和均衡;另一方面,系统工程涉及到的人、物、事的全面协调,人类决策和对人的管理,各类“事件”的安排、调度等原属运筹学的内容也进入了控制领域。
同样,系统动态演化过程,信息反馈和调度控制的概念,特别是离散事件和混杂系统控制等前沿分支,也自然地进入了系统工程。