纪念人民科学家钱学森诞辰112周年系列之三：钱学森：工程控制论简介

编者按：

2023年12月11日，我们将迎来战略科学家、“两弹一星”元勋钱学森112周年诞辰，为了从钱老身上学习其爱党爱国情怀、终身学习精神和科学思想等，笔者简要编写有关钱老的系列纪念小文。

第一篇为“听钱学森说”，从其铿锵有力的话语中感悟他作为中国人的气节、骨气与底气，并领悟其人生的真谛！

第二篇为“钱学森从自身悟成才之道”，以此启发当代家庭教育、学校教育与社会教育。除此之外，笔者认为，还要加上体育教育及体能训练，这个对于培育当代青年的心理韧性与意志力，进而造就坚韧不拔的意志品格、提高思维能力等均具有非凡的意义！

此为第三篇：钱学森钱老谈《工程控制论简介》（原文载于《科学大众》1957年5月号）。

工程控制论简介

中国科学院力学研究所所长钱学森

（《科学大众》1957年5月号）

工程控制论是一门为工程技术服务的理论科学。它的研究对象是自动控制和自动调节系统里的具有一般性的原则，所以它是一门基础学科，而不是一门工程技术。

什么是自动控制和自动调节的工程技术呢？这个工程技术包含生产过程自动化，机械、电机的自动调整，飞机的控制和稳定系统，以及导弹的制导系统，高射炮的炮火控制等等。而工程控制论呢？它并不单独研究生产过程自动化的理论，也不单独研究导弹的制导理论，它所研究的是具有一般性的理论。这种理论对生产过程自动化既然有用，对飞机的控制和稳定系统的设计也有用；只要是自动控制系统，只要是自动调节系统，它们的设计就得应用工程控制论。各种不同的自动系统的具体体现，因为实际情况的差别，要采用各种不同的元件。例如控制巨型水轮发电机组的元件一定是强大的，小了就不能转动重大的机械。但是控制导弹的元件就不能笨重，一定要小巧，不然就装不进导弹弹体的有限体积里面去。工程控制论既然专门研究各个不同自动系统里面的相同点，自然就不能兼顾不同系统里面的不同点，也就是不能研究自动系统里面像元件那样具体的东西。所以工程控制论是一门理论科学，是一门为工程技术服务的理论科学，我们可以叫它是一门技术科学。

工程控制论既然是一切自动控制和自动调节系统的基础理论，那么自然要等到自动系统已经在工程技术中广泛地被应用，已经从实践中取得丰富的经验，我们才有可能发展工程控制论。就因为自动控制和自动调节系统在近二十年才有了突飞猛进的发展，所以工程控制论的建立和研究也不过只有十年的历史，并且在最近这几年，才把部分的、个别的研究成果加以系统化，形成了一门比较全面的学科。

什么是工程控制论里面的主要概念呢？这里是专门研究什么控制什么、什么影响什么的，这里特别注重的是一个元件、一个部分同另一个元件、另一个部分之间的关系。所以工程控制论里面的最主要的概念是物件之间的关系，我们可以把工程控制论叫作"关系学"。这也表明了工程控制论的内容必定同其他工程技术的理论有很大的区别，在其他工程技术里面，我们最注重"力"、"能"、"功率"、"速度"、"加速度"、"温度"等等，而这些东西在工程控制论里都不占主要的地位。因为这个着重点的差别，其他工程技术的专业者，一开头研究工程控制论总会感到陌生，感到有点"怪"，一定要钻研一段时间才能把新的着重点、新的概念代替早已习惯了的着重点和概念，才能在这里"运用自如"。

更具体地来讲，在工程控制论里面的一个最主要概念就是"反馈"。所谓反馈也就是说我们随时测定被控制系统的运行情况，利用这种情报来帮助我们决定应该怎样来控制，也就是利用控制的结果来改进我们控制的方策。其实这个反馈作用在自然界中到处都是，只要我们一分析就可以看得出来。举一个例子来说：我们人走路就非用反馈不可，不然就一定会撞到墙上或树上去。如果我们在开步走以前，仔细地辨认一下要走的道路，然后把眼睛蒙上，照我们脑筋里的印象来走，我想无论什么人也不能把路走对，不出十步就一定会开始有偏差，更不要说到达目的地了。所以我们可以说人的走路性能在本质上不是很好的。平常我们所以能不走错路、能到达目的地，主要是靠眼睛看。看，就是测定我们走到了什么地方，就是测定被控制系统的运行结果。利用眼睛看到的情况，我们的脑筋就进行计算，相应地作出校正走路方向的决定，也就是利用反馈作用控制的方策，这个方策由腿的肌肉来执行。就是这样地随时调节，我们才能避免错误。从这里我们可以体会出反馈作用的重要性，它把一个本来性能不很好的系统，比如我们的走路体系，改变成一个具有高度准确性的、灵活的系统。正如上面的例子，在一切自动控制和自动调节系统里，就包含有测定装置、反馈路线、控制计算部分和控制执行部分。也正如走路这一个例子，通过自动控制和自动调节，我们能把本来性能不好的系统改变成为具有优良性能的系统。原来不准确的变为准确的，原来不稳定的变为稳定的，原来反应迟钝的变为反应灵敏的。做到这些自然是工程技术上伟大的成就，也就说明工程控制论为什么成了现在技术科学里面一个非常重要的部门。

当然，发展是不会停止的，对自动系统的要求也是越来越高的，这就推动了对工程控制论的更进一步的研究，提出了新的研究方向。其中一个方向就是发展包含自动随时测量系统性质的控制方法。这又是什么呢？我们可以这样来说：要利用反馈情报进行控制计算，做出控制决定，我们自然不能没有依据，我们一定要预先知道被控制系统的性质，这是我们控制的本钱。对各种性质我们知道得越清楚、越精确，控制也就越准确；如果对被控制系统的情况糊里糊涂，就是再好的工程师也没有办法设计出性能优良的自动系统。但是我们预知系统的性质是有限度的，系统的性质可以随时因为磨损或者因为外界环境的改变而改变，既使对系统性质的资料本来很准确，也会变成不准确，因而使整个自动系统的准确度降低。要维持系统的高度准确性，我们就得随时随刻不断地测量系统的性质。显然，进行这个测量必须是自动的，也必须能自动地利用这些测量的结果来校正控制计算，这就自然地把自动系统引入到更复杂的一个阶段。

系统复杂了，里面包含的元件数量必定大大地增加，这又产生了另一个新问题，就是，整个系统的可靠性的问题。我们知道，如果每个元件都有一定的失效的可能性，而一个元件失效就能使整个系统运转不正确，那么一般来说，元件越多，出毛病的机会也就越多，整个系统也就越不可靠。但是这并不是一定非这样不可的，我们有办法利用不十分可靠的元件做出非常可靠的系统。这自然不是随便可以做到的，元件需要有一定的组合方案，这组合方案就是工程控制论的又一个新的研究题目。我们可以看得出来，这是一个几率的问题，做这个工作就得引用统计数学。其实在工程控制论的另几个新的研究方向，像外界的干扰问题，信息传送效率问题等等，都需要引用近代统计数学里的成果。所以我们可以肯定，统计数学对工程控制论的发展是非常重要的。

最后，也许有人要问：说了半天工程控制论，那么什么是控制论呢？我们可以这样回答：控制论是更广泛的一门学问，它不但是工程技术里自动控制和自动调节系统的理论，它也包含一切自然界的控制系统，像生物的控制系统。所以反过来说，工程控制论就是控制论里面对工程技术有用的那一部分，它是控制论的一个分支。