http://m.007sbw.cn 2009-11-01 16:37 來源:科技日報
“錢學森高超地將工程和數(shù)學兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上,碾出了工程控制論研究的一條新途徑……”
1954年,一本名為《工程控制論》的學術(shù)著作引起了控制領域的轟動。這本書甫一問世,就贏得了國際聲譽,吸引了大批數(shù)學家和工程技術(shù)專家從事控制論的研究,并形成了控制科學在上世紀50年代和60年代的研究高潮。
書的作者就是錢學森。在美國遭受軟禁期間,他5年磨一劍,開辟了研究的全新領域,并獲得了意料之外又是情理之中的成功。
多年后,回憶《工程控制論》的寫作與付梓,錢學森說:“研究工程控制論只是為了轉(zhuǎn)移美國特務們的注意力,爭取獲準回歸祖國。當時并沒有想到建立一門新學科?!?
那么,工程控制論的思想是如何誕生的呢?
還是把時光追溯到1937年,在美國加州理工大學讀博的錢學森和幾個同學組成了火箭技術(shù)研究小組,并得到了導師、力學大師馮·卡門教授的支持。從此,開始了他與火箭和航天技術(shù)的不解之緣。
上個世紀的30年代,火箭技術(shù)和理論尚未成熟,倒是多在科幻小說的情節(jié)中出現(xiàn),遠沒有被納入傳統(tǒng)科學研究議程。
但是,錢學森很早就認識到自動控制技術(shù)在火箭技術(shù)中的重要作用。早在出國留學之前,他的志趣就從設計火車頭逐漸轉(zhuǎn)向航空,其間,他還到杭州筧橋飛機場實習。當時的飛機都是機械手動控制,控制已逐漸進入了他的思考。
“到了上個世紀四五十年代,雖然有了電子儀器,但還存在可靠性問題,因此飛機控制仍在相當大程度上依靠純機械方式。火箭技術(shù)的發(fā)展對控制系統(tǒng)提出了很高的要求?!卞X學森早年的學生、《錢學森手稿》的主編鄭哲敏院士說。
后來德國成為世界上航空與火箭研究的翹首。1945年二戰(zhàn)結(jié)束前夕,錢學森隨馮·卡門率領的科學考察團赴德國考察情況,第一次見識了火箭??疾靾F一行帶著數(shù)噸研究材料,回到了火箭研究還相對落后的美國。大家召開研討會出版文集,展望美國空軍發(fā)展戰(zhàn)略,這其中就有專門章節(jié)談到制導技術(shù)。
“在他的視野中,制導是非常重要的事情”,鄭哲敏回憶,二戰(zhàn)后,錢學森對于迅速發(fā)展起來的控制與制導工程技術(shù),作了深入的研究,并成為此類工作的先驅(qū)。
“如果說,錢學森的早期研究主要是針對阻礙當時航空、航天技術(shù)發(fā)展一些關鍵力學問題,那么后來,他的視野更加廣泛,前瞻性更強,著眼點已不限于個別問題,而是開辟新的學科前沿領域,以推動航空、航天技術(shù)整體與長遠的發(fā)展。與此同時,他的學科領域也已不限于應用力學,而是他所倡導的更為廣闊的技術(shù)科學領域?!?
《工程控制論》的誕生,就是對鄭哲敏這句評價的最好注腳。
錢學森從事空氣動力學、彈性力學、噴氣和火箭推進器等航天領域科學研究,而這些與美國軍事國防密切相關,正如美國當局所說:“他隨時都值3—5個師的兵力?!闭蛉绱?,在1950年,正當美國政府麥卡錫主義猖獗之時,錢學森被拘留兩周,保釋之后,又遭受美國政府長達5年之久的軟禁,回國阻力重重。
就在1950年至1955年受特務監(jiān)視時期,為了使美國政府放心,錢學森決定從事遠離軍事和國防問題的科學研究。當然,他也不可能有以往的實驗研究條件,因此,他選擇了需要數(shù)學手段的理論研究問題。
作為世界級的導彈和火箭專家,錢學森很自然地把關注目光轉(zhuǎn)移到一門新興學科———控制論。
1948年,美國科學家維納的《控制論》出版。這本書的副題是《關于在動物和機器中控制和通訊的科學》,從書名就可以看出,《控制論》是關于既是機器中又是動物中的控制和通訊理論的一門學科,它研究的是一個系統(tǒng)的各個不同部分之間相互作用的定性性質(zhì)以及整個系統(tǒng)的運動狀態(tài)。
《控制論》中晦澀的哲學思想難于被人理解。人們更難于透過《控制論》發(fā)現(xiàn)其與科學技術(shù)的聯(lián)系。前蘇聯(lián)對于《控制論》更是采取了批判的立場,并將該書定性為“反動的偽科學”。另外,維納在《控制論》中將動物與機器相提并論,引起了宗教人士的抗議,認為這冒犯了造物主和人的尊嚴。
然而,就是這樣一本書,卻引起了錢學森的濃厚興趣。憑著具備火箭技術(shù)的豐富經(jīng)驗,他敏銳地認識到維納《控制論》的價值,迅速意識到其與火箭制導工程問題的相通性,立即運用控制論原理研究解決了一批噴氣技術(shù)中的問題。
他很快發(fā)現(xiàn),不僅在火箭技術(shù)領域,在整個工程技術(shù)的范圍內(nèi),幾乎到處存在著被控制的系統(tǒng)或被操縱的系統(tǒng);而且事實上,有關系統(tǒng)控制的技術(shù)已經(jīng)有了多方面的發(fā)展。
擺在錢學森面前的任務是:要以更廣闊的眼界,用更系統(tǒng)的方法來觀察有關問題。也就是說,用一種統(tǒng)觀全局的方法,來充分了解和發(fā)揮導航技術(shù)和控制技術(shù)等新技術(shù)的潛在力量,從而可以更有效地用新方法解決舊問題,并且可以解釋前所未見的新的前景。
1953年底,錢學森在加州理工大學開設了一門新課程《工程控制論》。當時對于像鄭哲敏這樣的博士生來說,老師講是全新的領域。力學,電子,通訊等各類學科融會貫通,還有“正/負反饋”“用不完全可靠的元件組成高可靠性系統(tǒng)”等新鮮的概念讓學生們耳目一新。
在麥卡錫主義的陰影籠罩之下,錢學森蟄伏五年,潛心撰寫了一本著作《工程控制論》,并于1954年在美國正式出版。
這本書以系統(tǒng)為對象,以火箭為應用背景談自動控制,系統(tǒng)地揭示了控制論對自動化、航空、航天、電子通訊等科學技術(shù)的意義和影響,充分體現(xiàn)并拓展了維納《控制論》的思想,是繼該書之后,對控制與制導方面進行創(chuàng)造性論述的又一經(jīng)典專著。
就這樣,在軟禁期間,錢學森從導彈制導控制慢慢進入到控制范疇,從一個空氣動力學家轉(zhuǎn)變成一個控制論學家。而《工程控制論》的出版,則標志錢學森已從力學跨界到系統(tǒng)學界。
于是,一門新的技術(shù)科學———工程控制論誕生了。
《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,并相繼被譯為俄文、德文、中文等多種文字。
該書澄清了國際控制學界的混亂局面。當時蘇聯(lián)哲學界由于該書的問世,才從原來對控制論的批判轉(zhuǎn)為后來加以贊揚。1956年,前蘇聯(lián)發(fā)行了俄文版的《工程控制論》,并將辭書中的“控制論”定義為:“研究信息和控制一般規(guī)律的新興學科”。
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(shù)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。錢學森則集中兩個優(yōu)勢于一身,高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上,碾出了工程控制論研究的一條新途徑……”
“工程控制論已不完全屬于自然科學領域,而屬于系統(tǒng)科學范疇。自然科學是從物質(zhì)在時空中運動的角度來研究客觀世界的。而工程控制論要研究的并不是物質(zhì)運動本身,而是研究代表物質(zhì)運動的事物之間的關系,即這些關系的系統(tǒng)性質(zhì)。因此,系統(tǒng)和系統(tǒng)控制是工程控制論所要研究的基本問題?!痹教觳?10所副所長于景元認為。
1955年,在錢學森即將離開美國返回中國時,他將《工程控制論》送給自己的導師馮·卡門。馮·卡門對錢學森說:“我為你感到驕傲,你創(chuàng)立的工程控制論學說,對現(xiàn)代科學事業(yè)發(fā)展是巨大的貢獻。你在學術(shù)上已經(jīng)超過了我?!?
這年冬季,錢學森返回祖國后,任剛剛建立的中國科學院力學所所長。他在中關村化學所禮堂,講授了一門全新的課程———工程控制論?!豆こ炭刂普摗?中文版)翻譯者之一戴汝為院士回憶道,以前很少聽過講得這么好的課。
1957年,《工程控制論》獲得中國科學院自然科學獎一等獎。同年9月,國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立大會推舉錢學森為第一屆IFAC理事會常務理事。他也成為該組織第一屆理事會中唯一的中國人。
在《工程控制論》的第18章闡述了一個很重要的觀點———“通過工程控制協(xié)調(diào)的方法,即使用不太可靠的元器件也可以組成一個可靠的系統(tǒng)?!?
這個思想已遠遠超出了自動控制領域,進入到系統(tǒng)科學的范疇。