《工程控制論》(新世紀版)2007 年1月由上海交通大學出版社出版的圖書,是自動控制與系統科學領域的一部經典著作,作者錢學森。
《工程控制論》一書是錢學森先生于1954年在美國加州理工學院噴氣推進中心任教時用英文發表的一本專著,由美國麥格勞-希爾集團出版。1956年《工程控制論》俄文版問世;1957年德文版刊出;1958年中文翻譯版正式出版。《工程控制論》漢文版是在錢學森先生的指導下,翻譯英文版并且參照俄文譯本略加修改和補充而成,由科學出版社出版。2007年,上海交通大學出版社出版了該書的新版——《工程控制論(新世紀版)》。《工程控制論(新世紀版)》的目的是把一般性概括性的理論和實際工程經驗結合起來,對工程技術各個系統的自動控制和自動調節理論作一個全面的探討。該書將控制論應用于工程技術領域,建立受控工程系統分析、設計與運行的理論體系,提出系統辨識、最優控制、容錯系統等核心理論。它一方面奠定了工程控制論這門技術科學的理論基礎,另一方面指出這門新學科今后的幾個研究方向。
《工程控制論》是自動控制領域里中國內外引用率最高的文獻之一。著作開創了工程控制論學科框架,其理論方法應用于機械、電力、航空等領域,并衍生出社會控制論、生物控制論等交叉學科。《工程控制論》的講授和錢學森在科學研究及工程上的指導,奠定了中國“自動控制”研究的基礎,更為中國培養了一代自動控制領域的專家。它前瞻性的學術思想獲得了國際科學界的一致肯定和高度贊揚。《工程控制論》成為自動控制領域的一本經典著作,它的一些內容被納入專業教科書,并于1956年獲中國科學院自然科學一等獎。
成書背景
作者背景
錢學森(Qian Xue Sen,1911年12月11日 --- 2009年10月31日),出生于上海市,浙江杭州人,中國空氣動力學家,中國科學院院士、中國工程院院士,中國兩彈一星功勛獎章獲得者之一。1989年6月29日在美國紐約召開的1989年國際技術與技術交流大會授予錢學森“威拉德WF小羅克韋爾國際公司(Rockwell.Jr.)獎章”和“世界級科學與工程名人”、“國際理工研究所名譽成員”的稱號,表彰他對火箭導彈技術、航天技術和系統工程理論作出的重大開拓性貢獻。是享譽海內外的杰出科學家、中國航天事業的奠基人,他主持完成了兩彈一星的研制和試驗,是“兩彈一星”功勛章的獲得者,亦是 “國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號的唯一獲得者。中國著名軍事家蔣百里的女婿。曾任麻省理工學院教授、加州理工學院教授,“工程控制論”創始人(1954年),為中美兩國的導彈和航天計劃都曾作出過重大貢獻。被譽為“中國航天之父”和“火箭之王”。2009年10月31日早上在北京逝世,享年98歲。錢學森是享譽海內外的杰出科學家、中國航天事業的奠基人,他主持完成了兩彈一星的研制和試驗,是“兩彈一星”功勛章的獲得者,亦是 “國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號的唯一獲得者。
社會背景
錢學森先生曾在1950年計劃回國時被滯留五年,直到1955年6月10日錢學森才得以順利回國。但錢學森滯留之際并未因此沉淪,而是主動尋找“學術出路”。如其所言:“在這種心情的支配下,我決心要'另起爐灶’,搞一門新的學問,以便能順利回到祖國。”由于錢學森先生滯留之際被取消所有涉密資格,因而無法參加涉密科研項目,但仍擔任加州理工學院古根海姆噴氣推進中心羅伯特·哥達德教授,承擔研究生的教學任務。即在教學過程中,錢學森通過“邊學邊教邊寫”逐步推動研究廣度和深度,最終經過近五年時間完成1篇序言和18章正文的定稿,并于1954年交由麥格勞·希爾公司(簡稱MHP)出版發行。
創作背景
著名的法國物理學家和數學家安培(A.MAmpère)曾經給關于國務管理的科學取了一個名字:控制論(Cybernétique)。安培企圖建立這樣一門政治科學的龐大計劃并沒有得到結果。20世紀80年代,各國之間的戰爭促進了另一個科學部門的發展,這就是關于機械系統與電氣系統的控制與操縱的科學。諾伯特·維納(N.Wiener)就借用安培所創造的名稱“控制論”來稱呼這門新的科學,這門科學卻是對于現代化戰爭非常重要的。維納的控制論(Cybernetics)是關于怎樣把機械元件與電氣元件組合成穩定的并且具有特定的性能的系統的科學,這門新科學的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素,在其他各門自然科學中這些因素卻是十分重要的。控制論所討論的主要問題是一個系統的各個不同部分之間的相互作用的定性性質,以及整個系統的總的運動狀態。
工程控制論的目的是研究控制論這門科學中能夠直接用在工程上設計被控制系統或被操縱系統的那些部分。因此,通常在關于伺服系統的書里所討論的那些問題當然都包括在工程控制論的范圍之內。但是,工程控制論比同服系統工程內容更為廣泛這一事實,只是二者之間的一個表面的區別,一個更深刻的,更重要的區別在于:工程控制論是一門技術科學。而伺服系統工程卻是一種工程實踐。技術科學的目的是把工程實際中所用的許多設計原則加以整理與總結使之成為理論,因而也就把工程實際的各個不同領域的共同性顯示出來,也有力地說明一些基本概念的重大作用。理論分析是技術科學的主要內容,它常常用到比較高深的數學工具。關于系統的部件的詳細構造和設計問題在這本書里幾乎是不予討論的,關于元件的具體問題更是根本不談的。
流體力學就是一門技術科學,它與空氣動力學工程師,水力學工程師,氣象學家以及其他在工作中經常利用流體力學的研究結果的人的實踐是“分割”開來的。可是,如果沒有流體力學家的話,對于超音速流動的了解和利用至少也要大大地推遲。因此,把工程控制論建成一門技術科學使我們可能有更廣闊的眼界用更系統的方法來觀察有關的問題,因而可以得到解決舊問題的更有成效的新方法,工程控制論還可能揭示新的以前沒有看到過的前景,控制與導航技術已經有了多方面的發展,把理論從工程實踐分出來研究,用這樣一種統觀全局的方法來充分地了解與發揮這種新技術的潛在力量。
出版歷史
《工程控制論》是我國著名科學家錢學森先生為世界科技領域貢獻的一本經典科學著作,自出版以來已經成為世界范圍內“自動控制領域中引用率最高的著作”。《工程控制論》先后有三個版本的出版發行,即“1954年英文版”、“1958年中文版”和“1980-1981年修訂版”。其實,《工程控制論》并非錢學森的學術初心,1954年英文版實為“另起爐灶”之作;1958年中文版作為學術“回流”,無疑助力了新中國科技事業的發展;而當1980-1981年修訂版以錢學森和宋健合著的形式再現學術界時,其研究體系已經全面地“提質升級”。以歷史視角考察三個版本的形成過程,可以廓清錢學森科學思想的發展歷程以及蘊含其內的創新精神所具有的價值。以史為鑒,由此激勵當下科技工作者從中獲取歷史啟示,從而為新時代科技創新事業作出積極貢獻。
英文版《工程控制論》
1954年《工程控制論》英文版的出版,是“歷史偶然”和“歷史必然”的結合。錢學森先生曾在1950年計劃回國時被滯留五年,直到1955年6月10日錢學森才得以順利回國。但錢學森滯留之際并未因此沉淪,而是主動尋找“學術出路”。如其所言:“在這種心情的支配下,我決心要'另起爐灶’,搞一門新的學問,以便能順利回到祖國。”錢學森先生選擇了工程控制論作為新的研究對象,并于1947年提出著名的技術科學思想。技術科學思想的核心觀點是科學理論和工程實際的結合,其結合點就是工程實踐經驗的理論化,即能以數學計算解決工程實踐問題。技術科學的目的是把工程實際中所用的許多設計原則加以整理與總結,使之成為理論,因而也就把工程實際的各個不同領域的共同性顯示出來而且也有力地說明一些基本概念的重大作用。
由于錢學森先生滯留之際被取消所有涉密資格,因而無法參加涉密科研項目,但仍擔任加州理工學院古根海姆噴氣推進中心戈達德教授,承擔研究生的教學任務。即在教學過程中,錢學森通過“邊學邊教邊寫”逐步推動研究廣度和深度,最終經過近五年時間完成1篇序言和18章正文的定稿,并于1954年交由麥格勞·希爾公司(簡稱MHP)出版發行。
《工程控制論》的出版引起世界科技界廣泛關注,英國培格曼出版社以及《英國皇家航空學會期刊》《本機械學會志》等紛紛刊登書訊。著名華裔科學家李耀滋曾評價說:“錢學森原是流體力學的專家,他回到了CIT則用數學把控制工程加以發揮,很受專家們的欽佩。錢學森選擇工程控制論還有科學報國的深層次原因。錢學森曾言:“通過在Jet PropulsionCenter 開這門課以示我已離開軍事技術而已。”但工程控制論決非純理論研究,錢學森曾說:“因為工程控制論并不是脫離實際的東西,它與生產過程自動化,與電子計算機,與許多國防問題都有著密切的關系。”正如1956年2月15日出版的英國《自然》科學期刊的書評所言,這是一本“卓越”的著作,而作出此評皆因其對“生產自動化,導彈、飛機的控制都有價值”。這就是為何錢學森回國能夠成為“中國導彈之父”原因所在,概因《工程控制論》凝聚著前沿科學理論。
中文版《工程控制論》
《工程控制論》英文版出版不久,蘇聯就以英文版為基礎進行了翻譯并于1956年4月由蘇聯國外文獻出版社出版了俄文版。這是因為《工程控制論》出版之際恰逢美蘇冷戰時代,美國和蘇聯兩國都在舉全國之力發展導彈、人造衛星以及核彈等,而蘇聯此舉意在第一時間掌握美國科學界的最新科學成果。此后,《工程控制論》又于1957年翻譯成德文版,1960年翻譯成捷文版,而中國則是在1958年8月由科學出版社出版了戴汝為與何善堉兩人共同翻譯的中文版。
《工程控制論》中文版翻譯和出版之前,曾在1957 年以英文版獲得“中國科學院科學獎金”一等獎。中國科學院科學獎金委員會在“建議給予一等獎”的說明中評價甚高。一方面,指出《工程控制論》作為“自動化技術的理論基礎”具有的價值,即“對奠定工程控制論的理論基礎,開拓今后研究的領域,是有極大貢獻的”;另一方面,又突出強調《工程控制論》的實際價值,指出“不論在學術上和國民經濟上都有它的重要意義”。此外,還總結出四個方面的優點:①理論嚴謹。②)數學運算簡單明了,全部內容能被廣大技術工作者接受。③本書中有些內容是作者本人的創造,是其他的書刊上看不到的。④作者指出了若干舊的理論的新應用。正因如此,錢學森先生回國不久便決定先在中國科學院講授“工程控制論”課程,以向國內科學界傳播科學新知,從而使國內科學界盡快了解工程控制研究領域的學術前沿。
但錢學森先生在講課過程中發現,《工程控制論》英文版已經無法滿足“祖國的自動化專業在黨的領導下正飛速發展”的現實需求,于是決定“重寫一遍”,此外“蘇聯因素”也是重要原因。一方面,1956年4月蘇聯國外文獻出版社出版《工程控制論》俄文版時,由翻譯者搜集并整理出蘇聯科學家有關工程控制論的學術成果作為附錄,從而使錢學森意識到此前研究過程中忽略了蘇聯的研究成果。另一方面,錢學森在俄文版出版之后不久就受到蘇聯科學院邀請,于6月20日至7月21日前往蘇聯訪問:其間,他前往蘇聯中央流體空氣動力學研究院、蘇聯科學院力學研窮所、莫斯科大學力學實驗室等17個科研機構參觀并上聯科學家座談,因此對蘇聯在工程控制論領域的研究有了直接感受。由此兩方面因素使錢學森決定有必要重新思考,因而也就有了“重寫一遍”的動因。
但此后由于種種原因,錢學森先生決定請戴汝為同何善堉兩位同志根據作者1956年春季在中國科學院力學研究所講工程控制論的筆記,在譯英文版的基礎上加以補充”;此外,他還請兩位助教將俄文版的附錄翻譯成中文“加注”到中文版。經兩位助教花費兩年多時間整理、編譯和校對,《工程控制論》中文版于1958年8月由科學出版社出版。
由此可見,當《工程控制論》中文版出版之際,已非純粹的翻譯著作,而是比原先英文版具有更為廣闊的學術視野。且在史實上,中文版出版后就成為中國科技和工程領域內經典的“教材級”科學著作;而從版本形成的角度看,中文版的翻譯和出版是一次典型的學術“回流”對新中國科技事業的發展起到積極作用。正因如此,后來有學者研究新中國成立以來的主題出版時,便將錢學森的《工程控制論》中文版定性為“建設社會主義國家的主題出版”。然而錢學森卻一直未曾放棄“重寫一遍”《工程控制論》的學術鳳愿,并終究在20多年之后得以實現。
修訂版《工程控制論》
錢學森先生晚年通過學術研究取得眾多成果,其中就包括修訂《工程控制論》。1963年錢學森就曾組織人員進行過修訂,且經過兩年多時間完成修訂稿。但未能順利出版,幸而錢學森秘書王壽云妥善保管了大部分修訂稿。1977年錢學森決定以王壽云保管的修訂稿為基礎重啟修訂工作,并組織了包括宋健、于景元、林金、郭孝寬、唐志強以及王壽云等人在內的學術團隊“集體攻關”。學術團隊按照預案原定計劃用一年時間完成修訂工作,但修訂從“立項”到“結項”最終歷時近五年。這主要是因為修訂版擴大了研究的范圍和深度,比英文版和中文版新增了五章的篇幅,使其在體量上擴容為上、下兩冊而增加了修訂的工作量。但更重要的是,此次修訂決非簡單的體量擴容,而是整個研究體系的一次“提質升級”從系統工程視角看,整個修訂過程可以分為以下四個階段。
第一個階段是學術討論,即由錢學森先生和學術團隊成員按照學術民主和學術集中相結合的原則,對修訂立意、目的和方法作充分探討。錢學森不僅負責思路“抓總”,而且將學術討論貫穿修訂始終,從而充分吸收學術團隊中每個成員的“專家意見”,集思廣益。第二個階段是分工執筆,即由學術團隊成員根據各自分工執筆。錢學森承擔新序和部分新增章節的撰寫工作。尤其是新序《現代化、技術革命與控制論》充分體現了修訂初衷,亦是錢學森科學思想發展萬程上一篇重要文獻。第三個階段是統稿修改,即由宋健負責統稿工作并廣泛征求學界反饋意見;書稿的插圖和各章參考文獻便由王蘭完成,且其還搜集了國內科技界自1949年以來有關工程控制論的研究成果目錄作為附錄。第四個階段是出版發行,即由科學出版社負責書稿的編輯以及出版和發行。最終經過學術團隊和出版社的共同努力,完成了《工程控制論》修訂版的修訂、編輯、出版和發行。
錢學森先生晚年“退居二線”后仍要修訂《工程控制論》,根本原因仍在于錢學森創新精神的內在驅動,尤其是改革開放之后世界科技和工程研究成果涌人國內,使其意識到中國在控制領域已經落后世界先進水平,有必要與時俱進,通過修訂追趕世界科技前沿,例如數字計算機、人工智能等。但更重要的是,錢學森由此挖掘和培養出幾位優秀的青年學者,可以說,錢學森通過修訂《工程控制論》完成了一次“學術傳承”。
內容結構
《工程控制論》的目的是把一般性概括性的理論和實際工程經驗很好地結合起來,對工程技術各個系統的自動控制和自動調節理論作一個全面的探討。它一方面奠定了工程控制論這門技術科學的理論基礎,另一方面指出這門新學科今后的幾個研究方向。
錢學森的《工程控制論》(英文版)在1954年應運而生。它包括18章,其篇幅按1958年的中譯本計為33萬字,其內容特點可概括如下:
面向工程應用的理論
書中指出,控制論(Cybernetics)一詞,安培曾于1845年用于描述一種關于國務管理的科學;工程中廣泛應用的古典(伺服)控制系統理論(1930~1940年)是關于機械系統與電器系統的控制與操縱的科學;維納控制論(1948年)則是一種較為普遍的關于動物體和機器的控制與通訊的科學;錢學森進而將控制論的主要問題概括為“一個系統的不同部分之間相互作用的定性性質,以及由此決定的整個系統總體的運動狀態”的研究;而工程控制論則被界定為研究控制論這門科學中能夠直接用在控制系統工程設計的那些部分,它除了應當包括伺服系統工程實際的內容之外,更深刻更重要的在于作為技術科學,應把工程實際中各種原理方法整理總結成為理論,以顯示其在不同領域應用中的共性,以及許多基本概念的重要作用,它的重點在于理論分析,而不是系統部件的詳細構造和設計問題。作為技術科學,工程控制論使我們可能以更廣闊的眼界、更系統的方法來觀察有關的問題,從而得到解決老問題更有效的新方法,并揭示新的前景。書中建立的數學模型與自適應控制原理為自動化系統設計奠定了重要理論基礎,離散控制理論也被應用于計算機算法開發,進一步拓展了理論的實際應用場景。
《工程控制論》是自動控制理論的思想基礎和方法學基礎,自動控制理論都是由《工程控制論》衍生而來,《工程控制論》是自動化學科或“控制科學與工程”學科的基礎和核心。工程控制論的研究對象和理論范疇在不斷擴大,該學科的各個方面都有了很大的發展。截至2014年,它所包含的主要理論和方法有下列6個方面:系統辨識和信息處理:用濾波、預測、相關處理、逼近等方法從噪聲中分離出具有本質意義的信息以及尋求各變量之間的相互關系,這是屬于信息處理理論和方法的范疇。模型抽象:根據實驗數據用數學工具去抽象受控工程對象,精細地描述受控客體的靜態和動態特性深刻地、集中地和準確地定量反映受控系統的本質特征。最優控制:以最小的代價達到控制的目的的最優控制理論,尋求以最短時間達到控制目的的最快速控制理論,解決最優控制的工程實現問題的最優化技術等。自我進化:適應控制系統、專家系統、自組織系統、基于自動決策能力的智能系統等。容錯系統:冗余技術以及自診斷理論、檢錯糾錯理論、最優備份切換理論和功能自恢復理論等。仿真技術 :物理仿真、數學仿真、驗證性試驗等。
承前啟后
從理論結合工程實際的角度極其精煉地介紹了從應用拉普拉斯變換和傳遞函數概念解決線性常系數反饋伺服系統問題到非線性、變系數、時滯、多變量解耦(自治)、交流伺服、采樣(離散時間)系統、自尋最佳點、噪聲過濾和最速開關控制,以及自行鎮定超穩定性和可靠性設計等當時最新甚至超前的研究成果。處于“古典(傳遞函數,頻域法)”和“現代(狀態空間)”控制理論的轉折,起到承前啟后的作用。隨著工業、國防等方面不斷提出新的技術需求,以及電子計算機的日益廣泛應用和數學理論方法的發展,錢學森于1961年建議由關肇直、宋健等組織了現代控制理論討論班,引導一批青年學者投身這一領域,使我國控制理論研究能較快趕上世界潮流。1980年與宋健等人共同完成的《工程控制論》中文修訂版,更完整地反映了近期的進展,特別是中國學者的工作。
綜合集成
錢學森在對維納的控制論、申農的信息論、貝塔瑯菲的一般系統論、馮·諾意曼的博弈論以及信息論、系統論等基本肯定的同時,也指出其簡單化的傾向。書中就其精華所做的精辟概括及突出強調貫穿全書的技術科學方法論,具有重要的指導意義。特別是他明確給出控制論在系統科學體系結構中的定位以及復雜巨系統及其從定性到定量的綜合集成方法論,為這類重要系統的建模、分析、運籌和控制問題提供了理論和方法論的依據。
重要意義
經典控制理論的凝練
科學的發展是由萌發經發展到豐富與相對成熟的過程,而后則需要提煉,找出最本質最核心的部分以迎接新的發展。錢先生在書中用不足50頁的篇幅從Laplace變換開始將上述兩個方向的工作中最核心的部分進行了敘述。是對經典控制理論主體內容很好的凝練,同時錢伯初在這本著作中還在工程允許的假設條件下通過對回路中諧波分析等物理角度的考量,討論了也可歸于經典控制理論范疇自然擴展的具時滯的系統、采樣系統和交流伺服系統。
?新控制問題的闡述
控制科學是技術科學,工程問題特別是運動體控制的問題是當時推動其發展的主要動力。最早的運動體控制是用Watt發明的離心調速器來控制蒸汽機的轉速,這對應經典控制理論中的調節或鎮定問題,次世界大戰出現的雷達和隨即出現雷達與火炮系統的聯合控制則對應經典控制的跟蹤問題。針對這兩個控制問題設計控制器構成了經典控制理論的核心,并有效地在各類工程控制問題中得到應用。到了20世紀50年代,人們對運動體包括各種發動機的要求日益多樣,而使這類系統日益復雜,并不能將其都納入到可以用單回路系統刻畫與用經典控制理論方法解決。錢學森的“工程控制論”正是適應這一需求,突破了經典控制理論的框框,針對問題采用了新的描述和使用了有別于傳統理論的方法。而對簡單的二階繼電系統采用相平面和物理上對運動的分析所得繼電器的最優開關特性的結果已經是二階系統最速控制的結論,對這些結果從工程控制的角度進行闡述是很有意義的:對于在平穩隨機過程作用下的線性系統,在介紹Wiener-Kolmogoroff的數學理論的同時還針對這類系統中發生的工程問題做了不同的討論;他在書中闡述的具積分指標的系統的控制,這實際上已是最優控制的框架;此外他還從工程應用的角度闡述了當時剛出現不久的能適應環境的、白鎮定和自尋最優工作點系統的控制。所有這些闡述和研究方法都超出了經典控制理論的范疇。
?技術科學思想的典范
技術科學的目標首先是為工程技術服務,為工程技術提供有科學基礎的工程理論,進而帶動和領導產業的發展,而自然科學的核心是為了理解和認識客觀世界的規律。技術科學的思想在書中主要表現在:1) 該書對各類系統控制問題的闡述幾乎均有實際的控制理論與方法的同時均配合以工程或物理意義的闡明,使得控制是一個與實際系統的工程和物理的實際緊密聯系的動態決策的產物而不是一個簡單的數學表述。這樣對施加控制后對系統性能的改進就有了實際的而非純理論的理解。2)控制科學的研究十分需要數學特別是應用數學的支撐。《工程控制論》一書涉及的數學包括:微積分、線性代數、微分方程、概率與隨機過程、積分變換、超越亞純函數按極點展開乃至變分法等。該書只對運用這些數學工具解決相關控制問題作闡述使有關研究者學會利用數學進行分析、推演,結合物理實際解決控制問題而并不關注數學基于邏輯推理的嚴格證明.即對研究控制的人說來會用數學工具比完全弄明白數學的嚴格理論更重要。基于該書的內容與特色,該書出版后的5年內便先后出現了俄文、德語、中文等的譯本。
?現實的意義
從20世紀50年代中期起,隨著工業生產過程的大型化、連續化、自動化:隨著人造衛星、導彈和空間探測器的推動,要求控制高速度、高精度的復雜受控對象,使得控制系統更加復雜;這就要求解決多變量、非線性和時變系統的控制器設計問題,因此迫切需要建立新的控制理論和方法。20世紀60年代興起的現代控制理論使控制理論的研究不再于單輸入單輸出系統而擴大了其理論研究和實際應用的范圍。這一時期的工作由于系統模式、問題提法以及相應的性能指標的一般化與理論化,使得控制理論的數學研究獲得了巨大的發展動力,并迅速成長出一門新的數學分支并在Mathematic Review這個報道數學進展的文摘刊物上作為一個獨立的數學學科而占有一席之地。在這大量的理論工作中像Pontryagin最大值原理那樣深刻的理論工作和具廣泛應用前景的Kalman濾波理論方法畢竟還只是少數,一方面是控制理論中數學理論的深入與一般化,另一方面是控制工程由于系統、環境與性能要求的復雜化大都依靠計算機的計算和仿真,而且工程師一般也更加喜歡直觀的經典控制理論與計算機技術緊密結合的PID方法,以及其他一些原因使得在一定程度上控制理論與應用的發展各自走自己的路,并不密切相關.這種理論與實際嚴重分離的現狀有其一定的必然性,即數學家在研究控制問題時把著眼點放在數學的興趣而不是控制工程問題的解決,使追求抽象化、一般化的理論成為時尚。但數學理論能嚴格證明的有應用價值的控制問題僅是浩瀚的控制領域數學問題中的個別現象,而且從現實的控制工程中提煉出可操作的理論問題并加以解決本身就是一項十分困難的任務,這就使得功底不深而體量較大的控制數學工作者轉而走向另一個途徑,即為已有的理論與方法配上控制系統的例子以利發表科學價值不大的“論文”,并以此造成控制理論虛假的繁榮,面對這一怪象,重溫“工程控制論”的思想與處理問題的方法是十分有益的。
當今的時代特征之一是信息豐富,表現在:廉價的數字化傳感器、發達的通信手段、數據化、網絡化和功能強大的計算機。前4個進入系統是當今控制科學面臨的新的時代特征,這一特征將帶來控制科學嶄新的變化,帶來新的挑戰和問題.解決這些問題當然需要數學,但卻不能指望嚴格的數學理論證明能對問題的解決提供有效的幫助,而新的強大的計算機則是時代贈予當今控制科學家最有力的工具。今天發展控制科學的思想自然應該是:對新形勢下控制科學與控制工程的問題,用計算機與數學結合控制系統的實際信息去加以解決。
重要影響
錢學森先生蟄伏五年,把控制論發展為一門技術科學,潛心撰寫了《工程控制論》,并于1954年在美國正式出版。這本書以系統為對象,以火箭為應用背景討論自動控制系統地揭示了控制論對自動化、航空、航天、電子通訊等科學技術的意義和影響,充分體現并拓展了諾伯特·維納《控制論》的思想,是對控制與制導方面進行創造性論述的專著。《工程控制論》迅速引起了美國科學界乃至世界科學界的關注,相繼被譯為俄文、德語、中文等多種文字,贏得了國際聲譽,吸引了大批數學家和工程技術專家從事控制論的研究,形成了控制科學在20世紀50年代和60年代的研究高潮。60年來正是錢老享譽國際學術界的《工程控制論》以及他的系統科學思想和方法,特別是他在領導中國“兩彈一星”的成功實踐中,運用、發展了這一思想和方法,繼而把系統科學理論和系統工程實踐推廣到社會、經濟、管理等各個領域,產生了深遠的影響。
《工程控制論》是自動控制領域里中國內外引用率最高的文獻之一。《工程控制論》的講授和錢學森在科學研究及工程上的指導,奠定了中國“自動控制”研究的基礎,更為中國培養了一代自動控制領域的專家。它前瞻性的學術思想獲得了國際科學界的一致肯定和高度贊揚。《工程控制論》成為自動控制領域的一本經典著作,它的一些內容被納入專業教科書,并于1956年獲中國科學院自然科學一等獎。
《工程控制論》是自動控制理論的思想基礎和方法學基礎,自動控制理論皆由《工程控制論》衍生而來,《工程控制論》是自動化學科或“控制科學與工程”學科的基礎和核心.工程控制論的研究對象和理論范疇在不斷擴大,近20年來該學科的各個方面都有了很大的發展.
相關評價
一位美國專欄作家這樣評論《工程控制論》:“工程師偏重于實踐,解決具體問題,不善于上升到理論高度;數學家則擅長理論分析,卻不善于從一般到個別去解決實際問題;錢學森則集兩個優勢于一身,高超地將兩只輪子裝到一輛戰車上,碾出了工程控制論研究的一條新途徑。”
錢學森導師西奧多·馮·卡門教授評價錢學森說:“我為你感到驕傲,你創立的工程控制論學說,對現代科學事業發展是巨大的貢獻,你在學術上已經超過了我。”
中國科學院科學獎金委員會在“建議給予一等獎”的說明中評價甚高。一方面,指出《工程控制論》作為“自動化技術的理論基礎”具有的價值,即“對奠定工程控制論的理論基礎,開拓今后研究的領域,是有極大貢獻的”;另一方面,又突出強調《工程控制論》的實際價值,指出“不論在學術上和國民經濟上都有它的重要意義”。此外,還總結出四個方面的優點:①理論嚴謹。②)數學運算簡單明了,全部內容能被廣大技術工作者接受。③本書中有些內容是作者本人的創造,是其他的書刊上看不到的。④作者指出了若干舊的理論的新應用。
《工程控制論》于1954年交由麥格勞 -希爾公司(簡稱 MHP)出版發行。《工程控制論》的出版引起世界科技界廣泛關注,英國培格曼出版社(Pergamon Press Ltd)以及《英國皇家航空學會期刊》(Joumal of the Royal Aeronautical Society)《日本機械學會志》(Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers)等紛紛刊登書訊。著名華裔科學家李耀滋曾評價說:"錢學森原是流體力學的專家,他回到了 CIT則用數學把控制工程加以發揮,很受專家們的欽佩。"
1956年2月15日出版的英國《自然》科學期刊的書評所言,這是一本“卓越”的著作,而作出此評皆因其對“生產自動化,導彈、飛機的控制都有價值”。
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創作背景
錢學森的科學成就與貢獻不僅充分反映出他的科學創新精神,同時也深刻地體現了他的科學思想和科學方法。這是寶貴的知識財富和精神財富,值得認真學習和研究,為了把錢學森所開創的科學事業繼續發展下去并發揚光大,中國系統工程學會和上海交通大學編輯出版《錢學森系統科學思想文庫》(以下簡稱“文庫”)。
“文庫”收集了錢學森在不同時期有關系統科學的主要著作和文章,包括《工程控制論》、《論系統工程》、《創建系統學》。這三本書構成了“文庫”的一、二、三卷。按照系統科學體系結構,工程控制論是處在技術科學層次上,系統工程屬于應用技術,而系統學則屬于基礎理論層次。這三卷著作集中反映了錢學森在系統科學及其不同層次上的科學成就與貢獻,從中可以學習和研究錢學森的系統科學思想、系統方法、系統理論、系統技術與系統應用。這三部著作,培育和影響了幾代在這個領域中從事研究工作的專家、學者。他們之中的一些同志,應邀為“文庫”出版撰寫了自己的研究心得與成果,將這些文章編輯成冊就構成了“文庫”的第四卷,即《錢學森系統科學思想研究》。
叢書信息
《工程控制論(新世紀版)》
《工程控制論(新世紀版)》的目的是把一般性概括性的理論和實際工程經驗很好地結合起來,對工程技術各個系統的自動控制和自動調節理論作一個全面的探討。它一方面奠定了工程控制論這門技術科學的理論基礎,另一方面指出這門新學科今后的幾個研究方向。
《創建系統學(新世紀版)》
《創建系統學(新世紀版)》集中地反映了錢學森在這一方面的學術成果。共分兩篇,著述與講話篇匯集了錢學森42篇講話與論文,書信篇匯集了就系統學與系統科學研究錢學森致77位(組)同志的信函計130余封。附錄收錄了4篇論文,都是在錢學森指導下完成的,反映了他對系統學研究的思考,但他未署名。
《論系統工程(新世紀版)》
《論系統工程(新世紀版)》的著者是一個群體,因為本書中除有錢學森與他人合作寫成的文章外,還按照錢學森的意愿收入了其他一些人的文章的緣故。
《錢學森系統科學思想研究》
《工程控制論》《論系統工程》《創建系統學》這三部著作,培育和影響了幾代在這個領域中從事研究工作的專家、學者。他們之中的一些同志,應邀為“文庫”出版撰寫了自己的研究心得與成果,將這些文章編輯成冊就構成了“文庫”的第四卷,即《錢學森系統科學思想研究》。
參考資料 >
中科院院士戴汝為:我與錢學森的《工程控制論》——中新網.中國新聞網.2024-03-07
工程控制論.豆瓣讀書.2023-12-09
錢學森 Xuesen Qian.豆瓣讀書.2024-03-07
錢永剛:這是戰略科學家錢學森一生最具亮點的學術創新.澎湃新聞.2024-03-07
《工程控制論》三個版本形成過程的歷史考察.出版發行研究.2024-03-08
錢學森與控制論.同濟大學CIMS研究中心.2024-03-08
錢學森系統科學思想文庫.豆瓣讀書.2024-03-07