科普-中华学生百科全书-第55章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


然科学和数学之大成而产生出来的多学科综合体，即具有形成结构上的多学
科性，研究方法上的综合性等显著特点。因此，控制论享有“交叉科学”、
“边缘科学”和“横断科学”的美称。
　　　　我们可以看到，当今众多的学者和科技人员，都在他们自己的领域，如
政治学、经济学、社会学、工程学、生物学、医学、教育学等方面，探讨和
运用以控制论方法为主的现代科学方法。控制论与每门学科的具体方法有机
地结合以后，又产生了一个又一个的边缘学科。

控制论的诞生

　　　　美国科学家维纳是世界公认的控制论的奠基人。他于　1048　年出版发行的
《挖掘论》一书被认为是控制论学科诞生的重要标志。
　　　　说起维纳创立控制论学科的过程，还有一段传奇般的故事呢！
　　　　那是在本世纪　30　年代末期，美国马萨诸塞州府波士顿市附近的剑桥，一
家装修并不豪华的小酒店里，每月都可看到一群年轻人在这里围着了一张大
圆桌饮酒、交谈。有的衣冠楚楚、西装革履，有的衣衫不整、不修边幅，让
人猜不透这群人的真实身份。他们偶尔轻言细语偶尔又争论不休。交谈和争
论的话题也是海阔天空、相当广泛，涉及数学、物理、生物、医学、工程、
机械、社会、经济等。他们的思想和观点，在当时是非常新颖而略显出格的，
但听了使人耳目一新。
　　　　别以为这是一群年轻人在发酒疯、过酒瘾，其实是哈佛医学院的神经生
理学家阿托罗·罗森勃吕特博士领导的关于科学方法论的午餐讨论会。讨论
会的成员包括许多学科的年轻科学家，大都在本专业和其他科学领域有着广
博的知识，思想异常活跃，具有独特的科学见解。该讨论会的一些积极成员，
后来都成为名闻遐迩的大科学家，如诺伯特·维纳（创立控制论）、冯·诺
依曼（V·Neuman）（计算机科学之父）、C．E．申农（Shannon）（信息论的
奠基人）等。
　　　　正是因为积极参与这个讨论会，维纳的思想受到极大的影响。首先，维
纳认识到，在科学发展上可以得到最大收获的领域，是已经建立起来的各门
学科之间容易被人忽视的科学边缘（维纳称之为“科学处女地”）。控制论
的创立正是他在这块“科学处女地”上辛勤耕耘的结果。其次，讨论会集中
了大批的各种学科的杰出人材，讨论中往往是从不同科学领域的不同角度去
谈论问题，同时也从本学科的角度去理解别人提出的问题。这使维纳极大地
开阔了眼界，增长了见识，活跃了思想，融汇贯通了他自己过去在许多领域
中的独特见解。再加上他本人渊博的知识，以及与几位合作者（如罗森勃吕
特、别格罗以及当时在麻省理工学院任教的中国学者李郁荣博士等）的共同
研究，最后才形成了控制论的基本思想。
　　　　诺伯特·维纳不仅勤奋好学，还十分聪慧。正如他自己在自传《昔日神
童》中写的：“我曾经是个名副其实的神童。因为我不到十二岁就进入大学，
不到十五岁就获得学士学位，不到十九岁就成了哈佛大学的哲学博士。”他
又是一位数学家，曾经在赫赫有名的英国数学家罗素教授的影响下专攻数
学，在纯数学理论上取得了很大进展。但是他成长为一个著名的数学家却相
当缓慢。他从小无书不读，家庭教育过分苛刻，使他成为一个性格奇特的人。
他对数学、物理学、博物学等许多学科都有着浓厚的兴趣，加上他严谨的科
学态度、孜孜不倦的探索精神和敢于创新的意识，使他成为一个对社会、对
人类大有贡献的杰出人物。

钱学森与控制论

　　　　与控制论其他分支比较起来，工程控制论是最早形成的一门学科，其研
究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法，
在各自领域内开展研究。工程控制论，也就是人们通常说的控制理论，是我
国著名科学家钱学森创立的。他于　1954　年出版的专著《程控制论》，标志着

这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理
作了全面总结和探讨，奠定了工程控制论的基础，指出了工程控制论的发展
方向，推动了自动化技术在工程中的广泛应用，是世所公认的工程控制论经
典著作。
　　　　纵观控制理论几十年的发展过程，人们习惯上把它分为经典控制理论、
现代控制理论和大系统理论　3　个阶段，下面我们就分别加以叙述。
　　　　1．经典控制理论（40～50　年代末）
　　　　本世纪　40　年代，为了改善工业自动调节系统，特别是第二次世界大战中
为解决军事装备自动控制系统的性能，逐渐形成了以分析和设计单变量（即
一个物理量）控制系统的经典控制理论和方法。这期间，着重研究的是单机
自动化或局部自动化。例如，用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电
压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准、飞机、舰艇的
自动导航和舵位控制系统等。经典控制理论应用于工程实践，最成功的例子
是美国的陆军于　1944　年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜
索和跟踪目标（敌机），同时控制高炮自动对准飞行中的敌机，自动计算出
炮弹发射方向，自动装入定时起爆引信，炮弹自动上膛和发射，直到击落敌
机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程，居然能够全部自动化，而且
比人操作更灵巧，命中率也高得多，在当时看来，的确是个奇迹。
　　　　2．现代控制理论（60　年代初～现在）
　　　　50　年代以来，控制理论在航空航天部门的应用进展很快，许多更复杂、
更精密的自动控制系统相继出现，如自寻目标导弹、人造卫星、登月飞行、
火星着陆、载人飞船等。与此同时，随着电子计算机技术的发展和普及，许
多重要的工业生产部门也逐渐由局部自动走向综合自动化，因为这样可以最
大限度地提高劳动生产率和产品质量，节约原材料和能源，从而实现现代化
生产的最优化。
　　　　随着自动化水平的不断提高，控制系统本身也日渐复杂，系统中的控制
变量数也随之增多，对控制性能的要求也逐步提高，很多情况都要求系统的
性能是最优的，如时间最短，误差最小、燃料最省、产量最高、成本最低、
效益最大等，而且要求对环境的变化有较强的适应能力，但现在所依据的稳
定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了适应航空航
天事业和生产综合自动化的需要，1960　年出现了以状态空间描述为基础，以
最优控制理论为核心的现代控制理论。现代控制理论这一概念，最早是在
1960　年由美国著名科学家、控制理论界权威人士卡尔曼（R．E．Kalman）（时
年仅　27　岁）提出的。其主要标志是卡尔曼提出的能控性和能观测性的新概
念，还有贝尔曼的动态规划和庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼滤波器。
　　　　3．大系统理论（70　年代初～现在）
　　　　70　年代以来，控制理论向深度和广度进一步发展，进入了所谓的“大系
统理论”阶段。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和
最优控制等问题，所以在国际上受到了日益广泛的重视。一方面，许多国家
的研究机构、大学、军事部门，都在积极进行各种大系统的研究、分析、设
计等工作；另一方面，国际上相继成立了跨国的大研究机构，如　1972　年在维
也纳成立的国际应用系统分析研究所（ⅡASA），旨在专门研究涉及全世界范
围的大系统问题，如地球资源问题、能源问题、人口问题、世界模型等。
　　　　但是，什么是大系统呢？因为它尚处于不断发展和完善之中，很难给它

下一个确切的定义。通常所说的大系统，指的是包括工程技术、社会经济、
生物、生态等各个领域的复杂系统。如各类文献中提到的大型钢铁厂、化工
厂的多级计算机控制与管理系统；区域性火力电网的动态稳定、自动保护与
最佳运营系统；水源供应系统、农田水力灌溉网、输油、输气管道系统；铁
路、航空、城市交通管理与控制系统等等。

现代经济控制论

　　　　对于一个家庭而言，每个月的经济总收入是有限的，而要消费和支出的
项目又很多，如衣、食、住、行，购买书籍、文具和其他娱乐消费等。如何
合理安排和控制各项开支，做到既满足生活要求，又能略有节余以应不时之
急需，乃是家政管理的一大学问。
　　　　对一个家庭是如此，对一个企业、一个地区乃至一个国家，更是如此。
国民经济发展水平，是衡量一个国家综合国力的重要依据。而对国民经济的
宏观遥控和微观搞活，就正如一个善于理财、精打细算的好管家对于一个家
庭一样，是国民经济适度增长的必要保证。
　　　　经济学，作为一门完整的学科，已有数百年的历史。发展到今天，就像
是一棵大树，深植在社会经济活动的土壤中，其粗壮的主干上分枝丛生，花
繁叶茂，色彩缤纷。近几十年来人们尝试用控制论的思想和方法给这棵古老
的参天大树嫁接上一枚并不显眼的新芽。在斗艳争芳的盛况中，在绿叶浓荫
的掩映下，这枚嫩芽默默地成长着。通过母体发达的根系吸收土壤中的养分，
以自己强大的生命力，迅速成长壮大起来。短短时间里，崭露头角，成了经
济学这棵大树上独树一帜的新分支——经济控制论。特别是近十几年来，这
一新的分支更是奇葩竞放，硕果累累，令人刮目相看。
　　　　我们说，控制论与经济学的结合产生了新的边缘学科经济控制论。但这
并不意味着是先有控制论，而后才有经济控制论。事实上，早在控制论诞生
之前，从古典经济学起，就有大量的经济学者在研究经济系统的调节、反馈、
控制及稳定性问题，只是他们还没有上到控制论的高度来分析罢了。很明显，
无论是古典政治经济学家还是现代经济学家，都在一定程度上认识到价值规
律对经济发展起着重要的“调节器”作用，任何一种社会经济过程中都存在
着某种自动调节与控制现象，用控制论的术语来说，就是“负反馈调节”。
　　　　经济控制论的最终形成是建立在现代自然科学和社会科学基础上的。
1952　年在法国巴黎召开的世界控制论大会上，与会学者首先提出了“经济控
制论”一词。1951～1953　年间，美国加利福尼亚大学史密斯教授运用电子模
拟装置模拟资本主义经济体系，分析体系的稳定性和各种干扰影响的反应，
指出了资本主义危机的必然性与周期性。1953　年，英国电子工程学教授　A．
图斯丁（A·Tustin）发表了《经济系统的机制》，把二次世界大战中发展起
来的经典控制理论应用于进行控制的问题上，1954　年和　1957　年，美国数学
家　A．菲利甫斯（A．Phillips）在《封闭经济中的稳定政策》和《稳定政策与
滞后反应的时间形式》等文中，开始用二次常微分方程来描述宏观经济系统，
讨论了它的开环控制与闭环控制问题，并提出了一种新的控制方案来改进经