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[交流] 控制科学与工程学科的性质

控制科学与工程学科的性质[席裕庚教授转贴]

控制科学与工程是一个覆盖面宽、层次跨度大的一级学科，它由控制理论与控制工程、模式识别与智能系统、系统工程、制导·导航与控制、检测技术与自动化装置五个二级学科组成。

控制科学是以控制论、信息论、系统论为其方法论基础的，因此它首先是一门科学，它研究的是人们实现有目的行为的一般原理和方法，在这个意义上，控制科学对于人们认识自然、改造自然具有普遍的意义，工程控制论固然是其中最重要也最富有成果的分支，但随着人类社会不断发展和进步，控制科学也在广泛的非工程领域得到应用，如人口控制论、经济控制论、生物控制论等都是控制论原理在这些领域的具体发展。控制科学的精髓是它的概念和方法，特别是作为其核心的模型、控制、反馈、优化等概念和方法，几乎被应用于所有领域的科学研究中，而这些概念和方法，正是哲学中认识自然、改造自然的一般原理的具体化。可以说，控制科学与其它技术学科相比较，具有更基础的性质，它的成就是通过其原理和方法在各应用领域中的物化来体现的，这是控制学科值得自豪之处，但也往往是其作用和地位得不到正确认识和评价的原因。

控制工程是控制论一般原理在工程系统中的具体体现，这种工程系统包括各类传统和先进的制造系统、电力系统、核工程系统、航天航空航海系统等，控制在这些工程系统中的重要地位，甚至还促成了相应专业领域内独立的工程控制学科。由于控制原理和方法所具有的普遍意义，今天的工程控制系统已广泛地延伸到社会经济的各个分支，如各类农业、建筑、物流、环境工程。控制工程作为控制科学原理的具体实现，必须从工程系统的角度进行技术的集成，因此必然涉及到各行各业的技术和工艺背景，从宏观上讲，控制系统只是整个工程系统中的一部分，但要实现工程系统既定的目标，如保证工艺条件、优化资源、提高产量、降低能耗、抗御干扰等，它是关键的部分。从微观上讲，控制系统的实现不仅需要有好的控制思想和方法，而且要与传感技术、执行机构紧密结合，否则就只能是纸上谈兵。因此，控制工程从来就不是控制学科的专利，它应该也必须在与各工程领域的结合和各种相关技术的集成中得到发展。

从上面的介绍可以知道，控制科学与工程作为一门通用的技术学科，并没有明确的行业背景，但在各行各业均起着重要的作用，而且其基础理论研究、技术发展、应用开发各层次有着完全不同的特色和评价体系，用通俗的话来说，这一学科包含的内容软硬俱全，软可以软到控制数学，在抽象层面上以数学和逻辑为工具研究控制系统的一般规律，如能控性、能观性、最优性、稳定性、离散系统状态变迁等，硬可以硬到完全与硬件打交道，用元器件、集成电路搭建控制器，与传感器和执行机构组合成一个实实在在的控制系统。因此，不同特长的人在这门学科里都能找到自己发挥才能的兴趣点，是一门内涵丰富、外延宽广的综合性技术学科。

2．控制与自动化的含义

目前在许多场合，控制与自动化似乎是同义词，在我国学位体系下，采用的是控制科学与工程的学科名称，但在基金委信息科学部下，原设有的学科名称为自动化，在国家863计划中，自动化是其中一个领域，而在各种评奖体系下，有采用自动化，也有采用自动控制的名称，如此等等，两者区分并不显著。但严格说来，控制与自动化的含义是不同的，控制较强调科学思想和方法，自动化则较强调系统的实现。通俗地讲，控制既可以是自动的，也可以是人工的，其最简单的例子就是我们常说的遥控，此外如经济控制、人口控制等，均无自动可言，但这些例子在控制的意义上是完全准确的，因为它应用了控制的原理和方法去实现有目的的行为，不管这种实现是依靠人还是自动机器。另一方面，自动化最直接的含义是使系统自动运行，这里并非一定需要有控制行为，其典型例子就是办公自动化，它仅仅是用计算机和网络实现信息的自动处理以取代人工的各种文件和报表，这里并没有控制的要求。虽然如此，我们还是要承认控制与自动化在大多数情况下是一致的，因为我们希望控制最好能自动实现以减少人工控制的负担和不稳定性，同时我们也希望自动化系统的性能更优更好，常常会用控制的思想和方法提高系统的质量。事实上，我们面临的控制系统，除少数社会经济系统外，通常都有相应的技术手段实现全部或部分的自动化，特别在工程控制系统中更是如此，而对于绝大多数自动化系统，它的自动化从一开始就是以通过信息处理实现优质高产节能等目标来规划设计的。在这个意义上，我们即使把两者统一起来，也是有道理的。

3. 自动化学科是怎样形成和发展的？它的主要特征是什么？

自动化，顾名思义是指实现过程或系统的自动运行，但它比用机械取代人的肢体劳动即机械化有着更深更广的含义，其核心就是用控制论、系统论和信息论的思想去实现有目的的行为，这里不仅包含了人类肢体行为的机械化延伸，而且包含了人类高级传感行为和思维行为的信息化延伸。鐼?扏緥轷

人类对自动化的追求，可以追溯到相当古代，如早期的指南车和三国时期的流牛木马，都可以说是自动化设备的雏形，但真正以控制原理实现的自动化设备，是工业革命时期瓦特发明的离心调节器。工业革命有力地推动了各类机械系统的自动化，使人类社会进入了机械化时代，但直到20世纪40年代维纳提出控制论后，以信息和控制为特征的自动化才正式进入了科学技术舞台。揚 ?閅盝?

自动化科学和技术的发展，大致经历了这样几个阶段，20世纪40年代出现的经典控制理论，首次为自动化学科奠定了理论基础。它以系统的频率域描述和分析设计方法为基础，通过对系统输入输出的频域测试，建立系统的模型，并通过设计前馈补偿和反馈校正，使系统稳定运行，并使输出达到期望值。这通常被认为是以控制为基础的自动化的第一代理论。20世纪60年代，随着航天航空事业的发展，出现了以状态空间法为基础的现代控制理论，这一理论通过深入到对系统内部状态的描述，从信息层面上更深刻地刻划了系统的特征，在此基础上发展起来的状态空间设计方法不仅可以处理多变量系统的控制问题，而且在控制中开始渗入优化的概念，为实现高质量的自动化提供了有力的手段。在此期间，自动控制的理论和应用得到了蓬勃发展，系统辨识、最优控制、自适应等新理论和新思想不断涌现，并在航天航空、工业、工程领域得到了广泛的应用。20世纪70年代以来，随着计算机技术的发展和普及，人们处理复杂信息加工的能力得到了显著加强，从而有力地推动了自动化技术的全方位发展，其最主要的应用领域是：以计算机控制为代表的工业过程控制和工业机器人，以计算机集成信息处理为代表的制造系统CIMS。在此期间，由于信息处理能力的加强，解决高维大系统控制、优化问题的大系统理论、解决带有不确定性控制问题的鲁棒、自适应控制理论、解决难以数学建模系统控制问题的智能控制理论等都成为自动化研究领域中新的热点，并迅即在各领域中得到了应用。 ?zf%?�?

自动化学科有着其鲜明的技术特征。首先，自动化是信息科学与技术的重要组成部分，它是在信息获取、传输和处理的基础上，实现信息的利用，是人类改造自然目标的最终落实；其次，自动化不仅包含利用信息实现目标的原理和方法，而且包含作为其载体的技术和装备，并最终将它们集成在自动化系统中，涉及到从理论、方法、技术到设备的各个层面，具有包容数学、软件、电子、电气及各类专业技术人才的特点；第三，自动化科学与技术是以控制论、系统论、信息论为基础的通用科学与技术，与各领域具体实践相结合，可形成各门各类的自动化，如机械制造自动化、化工自动化、核工程自动化、农业自动化等，因而其理论、方法和技术对各行各业具有普适性；第四，自动化的水平和程度不仅取决于控制的思想和方法，而且与检测技术、执行装置、特别是各类信息技术密切相关，因而在信息技术飞速发展的今天，始终面临着新的挑战而充满发展生机。

4. 自动化和信息化的关系及其对推动工业化的作用

信息技术是由信息获取、信息传输、信息处理和信息利用四部分组成的。基本的自动化系统至少包含有信息获取、处理和利用三部分，而带有计算机网络或通信网络的自动化系统则更是包含了以上全部内容，这正是为什么自动化专业人才必须具有计算机、通信、信号处理和控制的全面知识、并往往可以在不同信息技术领域就业的原因。但需要指出的是，以控制为基础的自动化虽然涉及到信息技术的全部，但其重点是在信息的利用上，即如何利用信息去实现有目的的行为，信息的获取、传输和处理，则是为了实现这一目的的手段和工具。因此，自动化离不开计算机、通信和信息处理，但与这些信息技术相比，更体现了人类改造自然的直接目的。在这个意义上，自动化技术显然是信息技术中最核心的组成部分之一。

在人类社会走向信息化的今天，计算机、通信、信息处理技术正为越来越多的人们所熟悉和掌握，并在社会、经济的发展乃至人类生活中占有越来越重要的地位。这些信息技术的发展，为自动化技术进步带来了新的动力，但与此同时，我们不能忽视了蕴藏在背后的信息技术，即自动化技术。信息的获取、传输和处理，增加了人们对信息的掌握，但要推动社会进步、经济发展，还必须有效地利用信息，实现信息的物化。因此，自动化必然是社会信息化发展中的重要部分。我们提出的以信息化带动工业化，不是仅仅停留在计算机联网、报表打印的层面上，而是要对传统工业从企业结构到生产过程进行优化，实现资源优化配置、管理科学化、生产合理化、高产优质低耗及快速应变等，在这里，正是自动化技术提供了包括CIMS、先进控制与制造技术在内的改造传统工业的实体技术。因此，在以信息化推动工业化的进程中，以信息为特征的计算机、通信、信息处理技术固然重要，以控制为特征的自动化技术也是不可缺少的，而且是最终体现工业化水平的关键技术。

5．自动化学科是与时俱进、充满机遇和挑战的学科

当前，从全球范围来看，自动化学科正面临着空前的挑战和发展机遇。这种挑战首先来自社会经济和科技的发展，随着经济全球化及市场竞争的日趋激烈，自动化作为一种高科技，其作用已远不止传统理解上的以自动机器取代人工劳动，而成为优质高产、节能降耗、快速应变、整体优化的关键技术，不仅传统工业领域，而且各种新兴工业领域，乃至诸多社会工程，如建筑、交通、物流、港口、环保、通信等，以及农业、经济、生物等广泛领域，都对自动化提出了以提高效率、实现优化为目标的各种要求。其次，现代信息技术的发展使人们获取信息的能力大为提高，但紧接着的问题就是：面对从网络获取的大量信息，有着处理能力不断提高的新型计算机，应该如何充分有效地利用这些信息去实现人们改造自然的最终目标，这一任务又落到了自动化的身上。可以说，发展的需求和信息技术的支撑，从不同角度为自动化学科的发展注入了新的活力。

早在上世纪80年代，人们就已看到了新技术革命对自动化学科产生的影响。应对这一挑战，自动化学科把复杂系统控制作为其理论发展的新方向，针对工业和非工业领域中自动化问题的各种复杂性，如过程控制中的不确定性、制造过程中的离散性、社会经济等领域所表现出来的复杂巨系统性质等，开展了相应的研究，形成了一系列新的热点，为自动化从原来的回路、装置向系统发展提供了思想和方法。在技术层面上，自动化充分利用了现代信息技术和电子技术的成果作为实现其方法的手段，一方面在概念上把建立在数学模型基础上的自动化延伸为基于信息处理的自动化，加强研究综合应用各种模型和非模型方法，包括人工智能、神经网络、模糊论、进化算法等实现优化与控制的技术，另一方面，则把传统由传感器、控制器、执行器组成的自动化回路发展为把网络通信、计算机信息处理综合集成在内的自动化系统，研究现场总线、网络控制系统等新一代自动化系统，并在计算机控制的基础上进一步把DSP、并行处理芯片等技术应用于其控制和优化算法的实现。自动化本来就是一门宽口径的学科，当前它的应用领域正在不断扩展，它与其它信息技术的结合越来越紧密，这两方面的推动力正在改变着自动化学科的传统研究内容。

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