科学基础技术历史 18

第二十三章综合性科学的出现存在着适用于一般化系统或子系统的模式、原则和规律……我们提出了一门称为普通系统论的新学科。普通系统论乃是逻辑和数学的领域，它的任务乃是确立总体上适用于“系统”的一般原则。----贝塔朗菲：《普通系统论的历史与现状》信息论光、声、电可以是信息的载体，语言、文字、旗帜、哨音、电报、电话、无线电通信、电视等都是人类创造的传递信息的工具。但在信息论产生之前，人们主要从语义角度对待信息，不注重用数学和定理来描述信息。信息论正是用数学方法来描述信息传递过程中某些基本规律的一门科学。电报、电话和无线电通信发明以后，人们开始研究传递消息的可靠性和效率问题，这便是信息论研究的基本问题。信息传递的效率问题。1832年，莫尔斯编制点划电报码(莫尔斯电码)时，采用最简单的符号表示英文中出现概率最多的字母e，出现概率最小的z则采用了较复杂的表示符号。在符号种类和字母数量确定的情况下，这样就提高了电报通信的效率。信息传递的可靠性，是指信息在传递到接受者那里没有发生错误和歧义，没有误传。

1922年美国人卡松(1887-1940)在关于通信的边带理论中提出信号保护法则，考虑了信息传递中的可靠性问题。

1924年，美国人尼奎斯特(H.Nyquist)和德国人库普夫米勒(KKpfmller)几乎同时独立发现，要以一定速率传递电报信号，需要一定的频带宽度。这说明确定的设备传递的消息是有限制的，不能任意增加。四年后，美国人哈特利(1888-1959)证明：设备所传递的信息量和它的频带宽度与时间的积有关。

1936年，阿姆斯特朗(FHArmstrong)提出可用增大传输的频带宽度来抑制躁声和干扰。这些研究都已从数学的角度接近了信息论的基本问题。BiographyofJohnRenshawCarson

1887-1940.

JohnRenshawCarsonwasborninPittsburgh,Pennsylvania,onJune28,1886.HegraduatedfromPrincetonUniversityin1907withaBachelorsofSciencedegree.HethenattendedMassachusettsInstituteofTechnologyforoneyearbeforereturningtoPrincetontocontinuehisstudies.PrincetonUniversityawardedhimadegreeinElectricalEngineeringin1909andamasterofSciencedegreein1912.From1912to1914JohnCarsonwasaninstructorinElectricalEngineeringandPhysicsatPrincetonUniversity.In1913hewasofferedapositionatAmericanTelephoneandTelegraphCompanyandin1914heresignedhispositionattheuniversity.AtAmericanTelephoneandTelegraphhewasatransmissiontheoryengineerinvolvedinearlyradiotelephoneexperiments.In1917heinventedthe“sideband”systemwhichallowedseveraltelephonecallstobetransmittedsimultaneouslybyasingleelectricalcircuit.HewasresponsibleforthefirstinstallationofthissystembetweenPittsburghandBaltimore.Carsonalsodevelopedthemathematicalbackgroundfortheuseofmetalpipestoguideradiowaves.In1924theInstituteforRadioEngineersendowedhimwiththeLiebmanMemorialprize.From1925untilthetimeofhisdeathin1940heworkedforBellTelephoneLaboratoriesasamathematicianandelectricalengineer.HereceivedanhonoraryDoctorofSciencedegreefromBrooklynPolytechnicInstitutein1937,andwasgiventheElliotCressonmedalfromtheFranklinInstituteofPhiladelphiain1939.Carsonwastheauthorofapproximatelyfiftyprofessionalpapers.HisbestknownworkistheElectricCircuitTheoryandtheOperationalCalculus.AthisdeathonOctober31,1940,hewassurvivedbyhiswifeFrancesAtwellCarsonandhissonJohnJr.HarryNyquist(right)withJohnR.Pierce(left)andRudolfKompfner(center)-allscientistsworkingforBellLabs(1960).BellLabsscientistJohnR.Pierceuncoveredtheprinciplesandmathematicsforthestableoperationofthetravelingwavetube,adevicethatamplifiesmicrowavefrequenciesatveryhighpower.Thetechnologyisusedinspace-vehiclesandsatelliteguidancesystems,andincommunicationsnetworks.

SomeofNyquist'sbest-knownworkwasdoneinthe1920sandwasinspiredbytelegraphcommunicationproblemsofthetime.Becauseoftheeleganceandgeneralityofhiswritings,muchofitcontinuestobecitedandused.In1924hepublished"CertainFactorsAffectingTelegraphSpeed,"ananalysisoftherelationshipbetweenthespeedofatelegraphsystemandthenumberofsignalvaluesusedbythesystem.His1928paper"CertainTopicsinTelegraphTransmissionTheory"refinedhisearlierresultsandestablishedtheprinciplesofsamplingcontinuoussignalstoconvertthemtodigitalsignals.TheNyquistsamplingtheoremshowedthatthesamplingratemustbeatleasttwicethehighestfrequencypresentinthesampleinordertoreconstructtheoriginalsignal.ThesetwopapersbyNyquist,alongwithonebyR.V.L.Hartley,arecitedinthefirstparagraphofClaudeShannon'sclassicessay"TheMathematicalTheoryofCommunication"(1948),wheretheirseminalroleinthedevelopmentofinformationtheoryisacknowledged.ClaudeEShannon

1948年，美国的应用数学家申农

(1916-)与韦弗(1894-)合作所写的

《通信的数学理论》一书出版，标志着信息论的产生。在书中，申农给出了测量每个消息平均信息量的数学公式(概率和对数形式)。申农超越了具体的通信系统，认为一般的通信系统包括信息源、发送机、信道(传输信号的渠道)、接收机、消息接受者等五个部分，从而避开了复杂的语义问题，而仅仅从技术和数学关系的方面来研究消息的传递，使问题显得简单化了。申农像哈特利一样，把传递中的消息视为随机序列。以英文电报为例，传送过程中各个字母出现的概率不同，后面字母出现的概率要受前面字母的影响，这种过程便是概率论中的马尔可夫链。根据申农给出的数学公式，当每个字母符号在传递电报的过程中出现的概率相等时，电报传递的信息量便达到极大值。在一定的信道中，信号传递太快会分辨不清，造成错误。通信过程中的噪声也会干扰，使信号发生错误或失真。申农的研究表明，有噪声的信道在一定条件下可以可靠地工作，信道容量就是信道几乎能无误差地传递信息的最大速度。这便是信道定理。申农指出了信道的这个极限，但却没有指出如何计算具体信道的这个极限的方法，也没有说明如何通过最佳编码来达到这个极限。为了使一个通信系统达到没有差错的最大速率，通信工程师们一直在寻找所谓最佳编码，但今天仍然未能如愿以偿。信道定理在某种意义上可看成热力学第二定律在信息中的特殊形式。自然界的封闭系统的熵会不断增加而趋向无序，通信过程同样会使消息的不确定性增加，因而使失真情况增加。申农信息论的局限申农最初建立的信息论范围局限在通信问题上，实际上是一门通信的理论。在信息论的发展过程中，它曾指导通信工程师解决了不少实际应用问题。有些人曾试图用信息论的概念和方法解决过多的问题，申农本人则对此采取了谨慎的态度。事实表明，申农信息论不是包医百病的万应灵药，它只是研究通信过程中的概率信息的理论。客观世界中的信息、信源和信息接受者远比申农所描述的复杂，在某些信息传递过程中，不能把语义问题排除出去。信息论：

模糊与广义的概念

20世纪60年代以来，为适应图像识别和视觉研究的需要，在模糊数学的基础上产生了与申农的概率信息论完全不同的模糊信息论。

70年代以来，又有人提出了有效信息、语义信息、无概率信息(主观信息)、广义信息等新的信息概念。显然，信息已不再仅仅是通信领域中的概念，而和人类社会生活的各个方面联系起来了。模糊数学公认的创史人是Lotfi

Zadeh

...

信息和材料、能源一起被视为人类文明的三大支柱

70年代、80年代的未来学家认为人类正在走向信息社会，信息和材料、能源一起被视为人类文明的三大支柱。

信息科学正在成长信息论的方法正在被应用到生命科学(含神经生理学)、物理学、化学、心理学、经济管理、电子学、人工智能、控制论控制论学者维纳和艾什比在信息论方面曾做出了许多理论贡献。、系统论等一系列学科。一个内容广泛的信息科学正在成长。控制论

控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运行一般规律的科学。汉代的记里鼓车和马钧发明的指南车，北宋苏颂等人发明的水运仪像台和钟等，以及瓦特发明的蒸汽机中，都有控制机构。在动物行为中，鹰追猎运动中的兔、以及人抓取物体的动作等活动，都是在神经系统的控制下进行的。显然，以上例子的一个共同点是具有目的性，并通过一种调节系统来在动态过程中实现目的。机器及其稳定性

工业革命以来，由于机器生产的发展，人们对机器的调节问题越来越重视了。如蒸汽机转速调节，瓦特已采用离心式转速调节器，1874年俄国工程师契柯列夫开始按调节量偏差进行调节。

1877年，英国人劳斯和德国人赫尔维茨(Hurwitz)提出了只根据系统特征方程系数，用代数方法判定自动调节系统是否稳定的方法。这种方法今天仍然是自动调节机械系统设计的一种稳定性判据。AdolfHurwitz

livedfrom1859to1919

马克斯韦尔（J.C.Maxwell）.1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克.斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的...

他18岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。

HurwitzstudiedthegenusoftheRiemannsurfaceandworkedonhowclassnumberrelationscouldbederivedfrommodularequations.机械系统稳定性此后，俄国人李雅普诺夫于1892年明确给出机械系统稳定性的定义。系统稳定性是调节原理中一个极重要的概念，以发电机为例，如果机器转速在经过过渡过程后上升到额定转速时不再上升，系统是稳定的；如果转速不稳定或越转越快，电机有可能被破坏，则系统是不稳定的。反馈20世纪初期，机器工业进入了流水线生产阶段(如福特工厂的汽车生产线)，电气机械和电子技术有了进展，对机械和电力系统的结构、功能和稳定性的研究又有了进步。

1932年，尼奎斯特在研制电子管振荡器的同时提出了用传递函数作为系统稳定判据的方法，并提“反馈”概念。所谓反馈就是把输出量的一部分回输到输入端来影响输入的方法。正反馈可以加大输入信号，但有可能破坏系统的稳定状态。负反馈是纠正偏差的调节方法，广泛地存在于工作稳定的控制系统中。NorbertWiener

1894-1964

第二次世界大战期间，美籍犹太人维纳(1894-1964)参加了防空火炮随动系统的研究。这个系统要确定瞄准运动飞机的提前量。维纳用机械系统来模拟炮手跟踪空中目标的行为，进一步研究了负反馈原理，提高了负反馈概念在自动控制系统中的地位。这方面的工作使维纳对控制论的关键问题有了深刻的理解。1943年，维纳与罗森布吕特、毕格罗(JBigelow)三人合写了《行为、目的和目的论》一文，从反馈角度找出了神经系统和自动调节机器之间的一致性。接着，维纳将他的思想进一步总结在1948年出版的《控制论》一书中。这本书将控制论定义为关于机器和生物的通信和控制的科学，标志着控制论的诞生。美國數學家。控制論的創始人。1894年11月26日生於密蘇里州的哥倫比亞，1964年3月18日卒於斯德哥爾摩。12歲進入土夫茲學院學習，15歲時獲數學學士學位。1913年以關於數理邏輯的論文獲哲學博士學位。其後到歐洲旅行從師於羅素、哈代、李特爾伍德、希爾伯特等人。1915年返美後，擔任過哲學、數學和工程方面的教學工作。1919年到麻省理工學院任講師之後，開始了他的數學學術生涯。1932年以後一直為該校教授。1933年成為美國國家科學院院士。維納早期曾在數理邏輯、概率論、巴拿赫空間、布朗運動和分析等方面取得過重大成果。第二次世界大戰結束後，維納和多種學科的專家一起對控制論作了深入的探討。1947年他寫出了劃時代的著作《控制論》，1948年出版後，立即風行世界。《控制論》一書中體現的維納的深刻思想引起了人們的極大重視。它使用了通訊理論的術語，如控制、反饋、信息、輸入、系統等幫助人們進行思維，對整個科學界產生影響。经典控制论

一般来说，控制论产生时所涉及的系统主要是单输入单输出的线性系统。在机械方面这种系统有自动镇定系统(如转速调节系统)、按给定时间函数工作的程序控制系统、随动跟踪系统等。50年代控制论出现了两个较活跃的分支：生物控制论和工程控制论。在生物控制论方面，美国神经生理学家艾什比(WRAshby)写了《大脑设计》(1954)和《控制论导论》两本书，从反馈和信息角度进一步研究了生理调节系统和神经系统的控制机理。1954年出版的中国科学家钱学森(1911-)的《工程控制论》一书，以及1956年苏联人庞特里亚金发表的《极大值原理》等文献，都是工程控制论方面的重要经典之作。50年代的控制论主要处理单输入单输出的自动调节系统，采用建立在传递函数和频率特性基础上的动态分析和综合方法，被称为经典控制理论。LtoR:Ashby,McCulloch,Walter,&Weiner,Paris1956庞特里亚金

Первую

самостоятельную

научную

работу-усиление,азатемиобобщение

закона

двойственности

Александера,Л.С.Понтрягин

делаетв1927г.,ввозрасте19лет.Для

доказательства

он

использовал

введенный

ранее

Брауэром

коэффициент

зацепления.Это

позволило

придать

теореме

двойственности

более

алгебраическийиболее

эффективный

характер:

на

место

негативного

свойства

цикла(негомологичность

нуль)было

поставлено

позитивное

свойство-существование

другого

цикла,зацепленногоспервоначальным.Использование

коэффициентов

зацепления

для

доказательства

теорем

двойтсвенности

оказалось

необычайно

удачной

находкой:сэтого

момента

начинается

первый

большой

цикл

топологических

работЛ.С.Понтрягина,завершающийсяв1932г.доказательством

классического

результата-знаменитого

закона

двойственности,связывающего

группы

гомологий

любого

ограниченного

замкнутого

множества,лежащеговевклидовом

пространстве,сгруппами

гомологий

его

дополнения.Лев

Семенович

Понтрягин3сент.1908г.Москва.-3мая1988г.Москва-русский

математик

极大值原理Общематематическоезначение

закона

двойственности

Понтрягина

не

исчерпывается

влиянием,оказанным

этой

теоремой

на

дальнейшее

развитиетопологии:не

менее

важным

является

то

обстоятельство,что

теорема

Понтрягина

послужила

поводом

для

построения

Львом

Семеновичем

общей

теории

характеров

коммутативных

топологических

групп.Эта

теория

является

не

только

исторически

первым

действительно

выдающимся

достижениемвновом

математическом

направлении-топологической

алгебре-ноиодним

из

фундаментальных

продвижений

всей

математикиXXстолетия

现代控制理论

60年代以来，大量的工程实践，特别是空间技术的发展，提出了全新的控制问题。以火箭运载的卫星、飞船、导弹等的飞行为例：火箭的质量特性要用变质量力学来描述；控制是在远距离上实现的，因而是一种远距离控制；火箭的距离、速度、加速度、飞行姿态、多级工作程序等参数都需要控制，因而是一种多输入多输出的多路控制；控制要求高度精确；地面系统复杂而庞大，控制问题复杂。在这种情况下，产生了现代控制理论。

卡尔曼-状态空间方法

改进“黑箱方法”一般认为，现代控制理论的奠基者是匈牙利出生的美国人卡尔曼(1930-)。他从1960年起先后发表了《控制系统的一般原理》等论著。卡尔曼引入了数字计算方法中的校正概念，并和布西(R.S.Bucy)一起将状态变量引入滤波理论，提出了卡尔曼滤波法。现代控制理论用考虑系统内部参数的状态空间方法改进了只考虑输入量和输出量的“黑箱方法”，强调最佳化控制，发展成解决多路控制、多变量控制、时变系统控制、最佳控制、系统识别、自组织和自适应控制问题的第二代控制理论，成了自动化技术发展的重要理论基础。ControlTheoryScientist;Professor,SwissFederalInstituteofTechnology,Zurich(ETH)

Thecreatorofmoderncontrolandsystemtheory.Kalmantheory,whichwasestablishedintheearly1960s,broughtafundamentalreformationtocontrolengineeringandsincethenlaidthefoundationfortherapidprogressofmoderncontroltheory.RudolfEmilKalman(bornMay19

1930inBudapest,Hungary)isanAmerican-Hungarianmathematicalsystemtheorist,whoisanelectricalengineerbytraining.Heismostfamousforhisco-inventionoftheKalmanfilter,amathematicaltechniquewidelyusedincontrolsystemsandavionicstoextractasignalfromaseriesofincompleteandnoisymeasurements.卡尔曼，R.E.(卷名：自动控制与系统工程)

RudolfEmilKalman(1930～)

美国数学家和电气工程师。1930年5月19日生于匈牙利首都布达佩斯。1953年在美国麻省理工学院毕业获理学士学位,1954年获理学硕士学位,1957年在哥伦比亚大学获科学博士学位。1957～1958年在国际商业机器公司(IBM)研究大系统计算机控制的数学问题。1958～1964年在巴尔的摩高级研究院研究控制和数学问题。1964～1971年到斯坦福大学任教授。1971年任佛罗里达大学数学系统理论研究中心主任，并兼任苏黎世的瑞士联邦高等工业学校教授。1960年卡尔曼因提出著名的卡尔曼滤波器而闻名于世。卡尔曼滤波器在随机序列估计、空间技术、工程系统辨识和经济系统建模等方面有许多重要应用。1960年卡尔曼还提出能控性的概念。能控性是控制系统的研究和实现的基本概念，在最优控制理论、稳定性理论和网络理论中起着重要作用。卡尔曼还利用对偶原理导出能观测性概念，并在数学上证明了卡尔曼滤波理论与最优控制理论对偶。为此获电气与电子工程师学会(IEEE)的最高奖──荣誉奖章。卡尔曼著有《数学系统概论》(1968)等书。

李宝绶

20世纪70年代以来，控制论的发展日益同电子计算机的发展联系在一起，又同包括战略防御系统、经济管理系统、生态系统、社会系统等大系统理论问题联系在一起，受到了人们的日益重视。系统论系统是自然界中客观存在着的东西。从太阳系、地球生物圈、动物的机体，直到人类社会本身，都是一种系统。人类的知识产品也是一个系统，如欧几里得的几何学体系以及现代自然科学的各个学科等，都构成了一个知识的系统。近代以来，解剖学的研究使人们对人体和动物机体中的组织、器官和系统有了相当完整的认识。工业革命以来，机器工业和电力网的建设又使人们对技术和工程系统有了既直观又深刻的印象。现代系统论发展有两个主要线索，一个是从研究生物有机体角度产生的一般系统论，另一个是从研究技术工程及劳动管理角度产生的系统工程学。贝塔朗菲一般系统论的知识基础是近代生物学。1924-1947年间，奥地利出生的美国生物学家贝塔朗菲(1901-1971)提出有机体系统和一般系统论的思想。贝塔朗菲强调生物机体的整体性、动态结构、能动性和组织等级，把有机体看做具有高度自主性的活动系统，同时又是一个开放系统，并和环境组成一个大系统。

1948年，贝塔朗菲又出版《生命问题》一书，描述系统思想在哲学史上的发展，认为存在适用于一般化系统及其子系统的模式，可以用逻辑和数学方法来确定适用于一般系统的原则。这些原则包括：整体性原则、相互联系的原则、动态原则和有序性原则。贝塔朗菲还强调系统是开放的，它要和周围环境进行物质和能量的交换，并将生命和生物现象的有序性和目的性与系统的结构稳定性联系起来。贝塔朗菲的工作标志着一般系统论的诞生。Bertalanffy,Ludwigvon(1901-1972)

60年代，系统论作为一般的方法论受到更多注意。贝塔朗菲于1968年出版了《一般系统论：基础、发展和应用》一书，进一步阐述了他的思想，成为一般系统论的主要著作。由于一般系统论只有很少的具体和定量的结果，主要部分仍然是概念的阐述，它的影响不如控制论和信息论。1972年，贝塔朗菲发表了《一般系统论的历史和现状》一文，又大大扩展了一般系统论的范围。系统工程学本质上是以运筹学为工具和方法的工程管理学。古代埃及人修建金字塔、大禹治水、李冰对都江堰工程的设计和实施等，都体现了将工程视为一个整体来统筹安排和实施的系统思想。然而，只是近代以来机器大工业的发展，才