大师经典系列连载第1期

『知控制』微信公众平台联合飞控漫谈交流QQ群（239920039）推出大师经典系列连载，组织群内翻译小组对控制领域大师级人物的作品进行翻译，与各位控制、无人机爱好者以及从业者一道站在巨人肩膀上看世界。

  译者序

      我们生活在一个信息技术主导发展的时代，计算机基础技术的革命几乎是这个时代所有技术进步的根本动力。而现代的控制科学和控制工程同计算机技术互相影响，融合为信息技术整体中无孔不入的成分。但凡信息技术能够波及的领域，都如燎原之火一般在这些领域引发了各自的技术革命，航空技术就是其中一个典型。航空技术发轫于上世纪初，而它的几次重大技术变革都来源于电子信息领域的影响，特别是飞行控制。最近，信息技术在电子消费品领域的飞速发展让业已成熟的航空领域再次焕发生机。新元素与传统航空媾和，使无人机相关领域在短短的近几年内爆发出空前的高潮。商业资本的灵敏嗅觉也成为了这次高潮的催化剂，大量投机者跟随着金融浪潮卷入无人机江湖。

      由于飞控系统是无人机的核心，对飞控开发人员的需求也因这次高潮而突然增加。因此，大势所趋使得大量IT界人士转入了飞控开发的大军，并因为人数优势成为了主力。而原本的控制和自动化专业的人才却沦为大军中的小众。因为IT人士不熟悉控制学科背景，导致很多在其他应用领域成熟而好用的控制学科宝贵遗产没有在飞控开发中承接过来，传统有人机飞行控制也没有在无人机飞控领域得到全面继承。同时，由于社会历史渊源，控制学界盛行的沽名钓誉、华而不实之风造成理论与应用间的鸿沟日益扩大，以至于很多控制专业的人默认了这种割裂，更多自诩为“学控制”的人则沦为所谓“学术声望”的奴隶。这样堪忧的态势也让一些控制学界的领袖们做出了振聋发聩的呼吁，本文的第一作者K.J.Åström就是毕生致力于构建连接鸿沟两岸桥梁的大师。真正理论与应用的统一才是控制的至美之境，哪怕现在仅能取得一小点贯通都令人欣喜若狂。而最近的无人机高潮却为隔岸相对的两类人提供了水到渠成的沟通契机。这两类人不应因学科语言差异而互相歧视，因为只有两者紧密合作、加强交流才可能从各自的此岸顺利到达彼岸，才能利用现在这个历史机遇期共同实现至美之境。不拘财富、名声与权位，这些真正向往技术、追求真理、渴望寻求至美之境的人才是人类文明的真正推进者，才是贵族精神的代表。翻译小组水平有限，翻译大师的作品难免流于孤陋，只希望以此译作让更多初心未泯的芸芸众生略微公平地享有接近至美之境的权利，让这些人类文明的真正推进者不再因孤军奋战中遭遇的全方位打击、排挤和重重困难而感到走投无路。

                                                                                                                                     序作者： 一字并肩王

本期文章信息

Control: A perspective

Karl J. Åström,

Department of Automatic Control, Lund University, Lund, Sweden

（瑞典隆德大学自动控制系，kja@control.lth.se）

P.R. Kumar,

Department of Electrical & Computer Engineering, Texas A&M University, College Station, USA

（美国德州农工大学电子与计算机工程系，prk@tamu.edu）

Karl J. Åström

早年就读于斯德哥尔摩的皇家理工学院 (KTH) 。为IBM研究院工作了5年后于1965年在隆德理工大学/隆德大学创建了自动控制系，被聘为该系的客座教授。

他现在是隆德大学的高级教授。Åström对于控制的兴趣广博，位于国际自动化学会高引作者之列（ISAHighlyCited）。是IEEE终身会士，

他的Erdös数为3。他收获了众多殊荣，包括1987年的国际自动控制联合会（IFAC）Quazza奖章、1990年IEEE控制系统奖、1993年

IEEE荣誉奖章和6个荣誉博士学位。他是瑞典皇家科学院、瑞典皇家工程科学院以及美国工程院的院士。

P.R. Kumar

来自德州农工大学。之前曾在马里兰大学巴尔的摩郡分校（UMBC）的数学系、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的电子和计算机工程专业

（ECE）与该校的计算机科学实验室（CSL）效力。他是IEEE会士、美国工程院院士和发展中国家科学院（the Academy of

Sciences of the Developing  World）院士。

他曾被苏黎世联邦理工大学（ETH）授予荣誉博士学位，获得过国际计算机学会（ACM）可移动系统特殊兴趣团体（SIGMOBILE）的突出贡献奖、

IEEE控制系统领域奖、IEEE通信学分会的Ellersick奖、美国自动控制委员会（AACC）Eckman奖。他是印度理工学院孟买分校（IIT

Bombay）的D.J. Gandhi杰出访问教授、印度理工学院海得拉巴分校（IIT

Hyderabad）的荣誉教授，还是清华大学无线通信客座教授组的带头人。他获得了印度理工学院马德拉斯分校（IIT

Madras）的杰出校友奖、华盛顿大学校友成就奖和UIUC的Drucker Eminent教师奖。

                                      控制：一种视角

                                                               连载1

                                                                摘要

      反馈是个古老的想法，但反馈控制却是个年轻的领域。很久以前，大自然就发现了反馈，因为它是生命与机体平衡所必需的。在工业革命中，反馈控制对于利用能源至关重要，而今天反馈控制在我们身边随处可见。这个领域的发展涉及工程师、数学家、经济学家和物理学家所做的贡献。反馈控制是第一个系统学科；它代表了一种思想变革，因为反馈控制不仅深刻影响了诸如航空、化学、社会、电气和机械等工程学科，也深刻影响了经济学和决策研究。控制的视野使得它成为经典的多学科领域。这个学科发展历程的复杂故事引人入胜，本文给出的视角关乎这个学科的成长。本文还讨论了工业、应用、技术、理论和研究这几者之间的交互影响。

1.简介

      很久以前，大自然就发现了反馈。它创造了反馈机制并且在各个层次利用这些机制，它是机体平衡和生命的核心。控制作为一项技术至少可以追溯到两千年前。古代有很多控制的例子（Mayr，1969）。Ktesibios（公元前285-222年）发展了一种调节水流的反馈机制来改善水钟的精度。在现代，吉姆斯.瓦特（JamesWatts）把离心调节器用于蒸汽机成为了工业革命的基础。从此以后，自动控制成为了如下的十九和二十世纪工程体系得以成功的关键。这些工程体系包括：发电和输电、远程通讯、过程控制、船舶驾驶、车辆和飞机的控制、生产决策和仓储系统以及互联网上数据包流量的调节。它照例连同大系统中的传感器和执行器等工业部件共同使用。今天，控制无孔不入地存在于我们的家庭、汽车和基础设施中。在如今的后基因组时代里，系统生物学研究者的关键目标是理解如何干扰导致疾病的有害生物学路径的反馈。控制的理论和应用正在各个领域快速增长。

      控制从一个古老技术到现代领域引人入胜的发展历程是现代工业社会繁荣的缩影。这个调研除了本身的乐趣外，还洞察了理论、技术和应用在学科发展中如何互动的细节。关于控制的发展以及它如何出现、如何发展起来，本文提供了一个视角，但绝不是包罗万象的。为了描述这个领域，我们已经些许随机地选取1940年、1960年和2000年作为四个时期的分界点，后面章节的题目概括了这四个时期：初尝反馈控制威力（1940年前）、领域初现（1940年-1960年）、黄金年代（1960年-2000年）和未来体系（2000年后）。我们将理论与应用交互的复杂性反映在后续的章节中。

      直至20世纪中叶，自动控制才作为独立但多学科的学科出现。国际自动控制联合会（IFAC）成立于1956年（Kahne，1996；Luoto，1978；Oldenburger，1969），第一次IFAC国际大会于1960年在莫斯科召开，而《自动化》期刊（Automatica）出现于1962年（Axelby，1969；Coales，1969）。截至2000年，IFAC已经扩大至66个技术委员会。控制作为一些技术领域的关键必备因素，是多学科的典型。这种多学科性明显反映在在各色组织中，如美国航空航天学会（AIAA）、美国化学工程师学会（AIChE）、美国机械工程师协会（ASME）、美国电气电子工程师学会（IEEE）、国际自动化学会（ISA）、国际建模仿真学会（SCS）和美国工业与应用数学学会（SIAM），这些组织都包含在美国自动控制委员会（AACC）和IFAC中。控制的多学科性的另一层含义是，当为控制搜罗可用的理论和原理时，物理学家、工程师、数学家、经济学家和其他人都对它的发展做出过贡献。物理学家麦克斯韦（Maxwell）奠定了调节器的理论基础（Maxwell，1868）。后来，James、尼克尔斯（Nichols）和Phillips分别作为物理学家、数学家和工程师合著了最早的一部控制书籍（James, Nichols, & Phillips,1947）。数学家理查德.贝尔曼（Bellman, 1957b），Solomon Lefschetz（Grewal & Andrews,2010） 和L.S.庞特里亚金（Pontryagin, Boltyanskii, Gamkrelidze, & Mischenko,1962）对现代控制理论的早期发展做出了贡献。确实，对于数学严谨性的尊重是控制系统研究的特质，这一点或许从电路理论那继承而来（Bode,1960; Guillemin, 1940）。控制理论就像工程科学的很多其他分支一样，它的发展模式和诸多自然科学相同。虽然自然科学与工程科学有强烈的相似性，但也存在一些基本的差别。一方面，自然科学的目标是理解自然现象。其核心目的向来是发现自然定律、赢得盛名和诺贝尔奖。自然科学向来大力强调简化主义，需要对特殊的现象分离，一个极端的例子就是粒子物理学。但另一方面，工程科学要理解、发明、设计和维护人造工程系统。一个主要挑战是发现那些有助于有效地理解和设计复杂物理系统的系统原理。反馈，作为控制的核心，就是这样的原理。虽然纯粹的简化主义已经在自然科学取得极大的成功，但它对于工程科学却不那么给力，因为对于工程系统互动是必需的。已经做出的很多对于控制的综述都会联系到各种周年纪念。IFAC于2006年9月在Heidelberg举办了一个研讨会来庆祝它成立50周年（IFAC, 2006）。《自动化》期刊于2014年庆祝了它成立50周年（Coales,1969）。一篇通俗的关于传感器和工业控制器的综述发表在国际自动化学会（ISA）的59周年庆典上（Strothman,1995）。美国机械工程师协会（ASME）在1993年发表了一系列关于控制历史的论文，这些发表与《Journal Dynamic Systems, Measurement, and Control》杂志的50周年庆典有关（Rabins,1993）。IEEE控制系统学会支持了由编委会挑选出的25篇经典控制理论论文的重印工作（Başar, 2001）。《The European Journal of Control》杂志在2007年1月发表了一个专栏：X世纪控制科学的黎明和发展，在专栏中研究者们反映了他们关于控制科学发展的看法（Bittanti & Gevers,2007）。一篇关于控制系统工程历史的专栏发表于1984年，正值IEEE百周年纪念。IEEE控制系统学会2009年在德国的Berchtesgaden组织过一次关于控制影响的研讨会：过去、现在和未来。来自研讨会的材料汇集了大量的成功案例和重大挑战，被总结进一个通俗报告（Samad & Annaswamy, 2011）。美国工程院（National Academy ofEngineering）发表了两本则关于世纪之交未来工程的调研报告（NAE, 2004,2005).）他们指出了系统与日俱增的重要性和建模仿真在基于计算机设计与工程中所担当的角色。美国空军科研办公室（AFSOR）支持了关于控制、动力学与系统未来方向的一系列调研，得出了一个通俗报告（Murray,2003），这个报告是由Murray,、Åström、Boyd、Brockett和 Stein (2003) 总结的。控制这个领域甚至在吸引历史学家，或许这意味着控制的复杂发展过程需要被澄清。有的书关于控制历史(Bennett, 1979,1993; Bissell, 2009)， 有的书关于个人研究者(Hughes, 1993)， 还有的关于组织和工程(Mackenzie,1990; Mindell, 2002, 2008)。在很多控制会议中也安排有关于这个领域历史的分会。

       有违常理的是，尽管控制被广泛应用，但在专家群体外却不常被论及；实际上，控制有时被叫做“隐性技术”(Åström,1999)。其中一个原因可能就是它成功隐形以至于全部注意力都被钉在了最终的设备产品上。相比于讨论设备，讨论反馈观点更加困难。另一个原因是控制科学家还没有对于科普写作给予足够的关注；但1952年的科学美国人却青睐于“自动控制”这个专题，是个突出的例外(Brown &Campbell, 1952; Tustin, 1952)。截至1940年，控制被大范围地应用于电气系统、过程控制、远程通信和船舶驾驶。数千的调节器、过程控制器、陀螺-罗盘系统和陀螺驾驶仪被生产。基于机械、液压、气动和电动技术，控制器被用作特殊目的的模拟设备。为了从非线性器件中获得鲁棒线性行为，反馈被大范围地使用；最初发明它是用来模拟控制系统(Holst,1982)。对于过程控制和火力控制系统，中心控制机房的需要驱动了通信(Holst, 1982)，从控制威力中得到的收益成为了驱动力。

      在这个时期，虽然不同工业中的基本原则是相似的，而系统的共性却没有被广泛理解。一个震撼的例子就是，诸如积分和微分行为的特点在不同应用领域反复被发明和多次申请专利，而它们的理论基础是线性化模型和劳斯-赫尔维茨（Routh–Hurwitz）稳定性判据。一些教材已经出现 (Joukowski,1909; Tolle, 1905)。这时期的研发主要在工业部门进行。由于控制经历了第二次世界大战的发展，它在1960年产生为一个领域。伺服控制理论成为了理论基础。基于数据的建模工具即频率响应的使用，连同分析与综合方法这时都得到确立。模拟计算机既用作一种控制器应用技术，也用作仿真工具。很多发展是由应用和实际需求所驱动的。经历了长期和复杂的进化后，才终于出现了理论与应用乃至不同领域应用的整体性观点。控制系统被大量生产，大公司有了控制部门，而且有的公司专营控制。国际组织IFAC成立了，它的第一次世界大会于1960年在莫斯科召开。这个时期主要的研发是在研究所，或以一些大学同工厂合作的方式完成的。截至1960年，60多本关于控制的书籍已经被出版。

      但是，很多改变起始于1960年前后；数字计算机、动态规划(Bellman, 1957b)、控制的状态空间方法(Kalman,1961a)和线性二次型调节器(Kalman, 1960)出现了，而卡尔曼（Kalman）滤波器也即将登场(Kalman,1961b)。控制的发展开始活跃，因而这个时期被誉为黄金时代。这个时代的挑战来源于太空竞赛、计算机控制引入过程工业中以及很多其他应用，例如汽车和便携电话。这个时期，应用增长快速、理论进展非常活跃且很多附属专业也随之发展。相关大学教育在本科生和研究生层次迅速扩大。这些现象导致的一个结果是经历数十年而取得的理论与实践间的平衡被再次破坏，但这一次失衡的方向却与上次相反。纯理论很大程度上抓住了人们的注意力，并且在一些人中出现了一种观念：“鸿沟”出现(Axelby, 1964)，整体观点已经丢失(Bergbreiter, 2005)。

      关于最近的事件当然很难提供一个好视角，但我们的观点是：有迹象表明还有其他的重要发展和突破正在进行。截至大约2000年，由于有线和无线网络的出现和增殖、传感器的发展、计算机的强大和软件的复杂，技术方向已经出现了变迁。那么在世纪之交出现了新的挑战：网络控制与通过网络控制、可验证的安全嵌入式系统设计以及复杂系统的基于模型设计和自主性。那么技术能力戏剧性的增长提供了很多机遇，也呈现出很多挑战，应对这些挑战需要控制同计算机科学和通信紧密集成到一起。这个认识产生很多重要研究项目，例如欧盟的ARTIST2 (0000)和ArtistDesign(0000)项目聚焦于嵌入式系统，还有美国的数字化物理系统（Cyber–Physical Systems）(Baheti & Gill,2011)。物理、生物和医药正在更加紧密地互动。控制在诸如自适应光学和原子力显微镜等设备中成为关键因素。量子和分子系统的控制也正在被探索。使用系统与控制的观点可能获得更深的生物学视野，对于这类需要和兴趣业已增加。系统生物学领域已经诞生，而且创建了控制科学家和生物学家的共同团队；值得一提的是工程学院设立了生物工程系。

                                                                                                                  （未完待续）

翻译：。。。。

爻King灬

夜行

有梦才能飞翔

luoshi006

yestoday

一字并肩王

校审：一字并肩王

联系邮箱：1063603770@qq.com

交流Q群：239920039

知控制

扫描二维码

关注更多精彩