控制与反馈导论：探索自然与工程世界的基础

我们着手撰写一部关于控制与反馈导论的书始于意识到很少有人从学术研究圈子外介绍其主要思想。尽管我们自我介绍是控制工程师，实际上我们被反复提醒一个事实：对于控制工程和控制技术，大众并没有普遍的了解。所以，也就免不了得到一个“什么是工程师？”的回复。我们不禁怀疑大部分控制工程师甚至都不这样自我介绍，因为这势必导致一场糟糕的交流。

同事、朋友和合作者们会经常问我们一些相当本质性的问题，比如：“你在控制中研究的是什么？有没有这个领域的非专业性导论？我能不能通过阅读一些资料来对这个领域的系统理论有一定的了解？你们主要尝试解决什么问题？主要结果是什么？”。为了回答以上问题，我们可以给出一大堆以数学为基础的技术文献，这对于工程师或数学系毕业生来说是完全可以接受的，但是对于大多数人来说却是一个难以跨越的障碍。我们这种欠妥的回复充满了对该领域的历史和系统原理的亵渎，这不禁让人紧皱眉头，引起惊讶、质疑和反对。

但是你怎样才能撰写一个能针对一切事物并能应用到任何地方的理论呢？很显然，抽象化是一个好的方法，对于工程师来说，具有一定精度的抽象化是一条通往数学的道路。

这个任务看上去很难。其实我们可以很容易地理解为什么在使大众广泛接受控制理论与控制工程方面我们做得这么少。事实上，理由非常容易找到。

·有一些更合格、更有资格的人应该或者将要去做这件事。

·我们的同行不会赞成我们草率的做法，或者其他人可能发现了现在的形势仍然很严峻。这是一个值得称赞的追求，但是失败的可能性大于成功。

·我们可能不能做这样的判定，因为这个领域包罗万象，发展得太快而且还不成熟，应该晚一点再提出完整的想法。

·做研究更重要，还有很多事应该做并且能做，至少做研究可以拓宽知识面。

在一些朋友的鼓励下，特别是PetarKokotovic和我们家人诚挚的支持，我们终于冲破了以上的托辞，充分地挑战自己，开始撰写任何人都能看得懂的控制。并不是因为我们相信一定会把它做好，而是我们没有把成败当回事。控制理论和控制工程都是工程世界的一种手段，反馈是自然世界的基础，也是工程世界的基础。反馈与控制值得被广泛关注。

本书撰写的方式与地点：

我们的写作过程历经了整整五年，整个过程就好像走两步退一步，再走两步再退一步。在与我们的朋友KarlJ.strm讨论如何让青少年和儿童了解这些复杂的问题时，我们发现了一本具有挑战性的书籍，叫《生命工作的方式》（Ho_- agland和Dodson1995），这本书指出将关键的概念用简单的语言表达出来是可能的。在这本书中，作者运用了大量的实例说明，虽然我们不会像他这样做，但是我们会参考他的做法并且开始了相关的工作。

我们日常生活之外的思维集中时段（研究、教学、管理、日常事务，都在一个熟悉的环境）是将这本书应用到生活中的关键。我们经常会拿出一周的时间，与朋友、家人和同事隔绝，在陌生的学术场景中，从网络和移动电话中解放出来，专心撰写、修改这本书，还有更重要的就是以批判性的眼光审视我们的工作：“这里数学公式太多了”“不，这太欠缺了”“你可能看不懂我们想在这里阐释的微妙想法”“到底有没有人能够明白我们想说的是什么”“显然这个太难了”“抱歉，这样太浅显了”“这里没有讲到任何实质性的内容”。

所以，直接回到我们所熟悉的领域是很简单的事，但我们面临的挑战是让每个人都能看懂这本书。从这个意义上说，我们非常感激大批高中生和我们学校的二年级学生自愿去阅读本书并提供极富价值的“反馈”意见。事实上，在这些年轻的“合作者”阅读之后，我们还增加了另外的事例和进一步的解释。非常感谢Miguel、Sergio、Carmen、Tamara、Pablo、Miguel Angel、Felix、Saul、Isma-el、Pura、Alvaro、Mercedes等人。

我们去了墨尔本、瓦伦西亚、布拉格、塞维利亚、新加坡、圣地亚哥和雅典，最后又回到墨尔本，在这些地方完成了本书的撰写。对那些曾经热情招待我们的朋友表示深深的感谢！

期待什么：

如果你期待从这本书中找到优美的数学公式，想对“控制是什么，它的最大贡献是什么”这类问题寻求精确的表达，请不要继续了，你现在就可以把书放下了。我们已经放弃了尝试任何精确的、一般性的或完整的表达。简洁的表述往往无法做到精确性和一般性，我们有限的知识导致无法做到完美的表达。尽管简洁的表述胜于精确的表达，但由于精确表述的重要性和细节信息的缺失，所以在这些问题上，我们不想误导大众。我们的主要目的是提供一种直观性和激励性，传达一些主要思想的魅力以及工程成就的影响。如果我们能够激发一些人继续研究下去，去阅读或者学习技术文献的热情，那对我们来说是莫大的鼓励。

如果你期望这本书中没有一点公式，抱歉，又一次让你失望了。虽然我们删减了大量的数学公式，但是，显然控制和系统理论是数学领域的问题。它需要抽象的数学去支撑，如果将其全部去掉，那将会扭曲它的本质。数学公式的使用非常有限，大部分的文本都没有依赖数学公式。但一些地方偶尔会出现方程和数学表达，但是在首次阅读时可以跳过大部分的数学公式，而且这些公式都有文字注解。对于那些和我们一样充满兴趣，愿意学习信号和系统背后的思想，或是推动其发展的人来说，高级数学知识和计算机专业知识将会是生活的一部分。这个历程不无艰辛，但是收获一定会不少。

我们的目标是，通过对微积分的基本理解，就能理解本书中的大部分内容。我们也希望这本书能够给予那些希望略过数学表述也能理解书中内容的读者足够的空间。由你们来评判我们的工作。

除了一些思想之外，我们还想通过实例对工程技术进行一些说明，包括它能做什么，被应用到哪里，在哪里有发展。毕竟技术创新是工程师要做的事。

怎样阅读本书：(www.xing528.com)

从本质上说，我们通过直觉和简单的例子来阐述什么是重要的，什么是无关紧要的。

你可以随机地阅读不同的章节，不需要太多背景作为依托，你就可以在每个章节找到我们想表达的思想。这些思想的发展有特定的顺序，因此读者不难理解书中的内容。第1章是对本书的一个总结和统领，其内容在后面的章节中都有体现。有一些“审稿人”建议我们最好先定义概念，然后通过具体事例及应用对其进行阐述。从这本书开始，我们决定不这么做，确切地说，是在第3章，列举了很多不同的例子，在这些例子中，反馈和控制的存在具有不可辩驳的重要性。

第1章绪论部分，介绍了该领域的一般性，并给出了一些通用的词汇。大部分的思想和概念都会在后面被反复大量的描述。余下的章节对这里用到的例子从不同的角度进行了分析和重现。和其他章节的结尾一样，本章的结尾会揭示主要的观点，并为后面的阅读和学习提供线索。

第2章介绍了类比法在信号和系统中的应用，我们将类比视为抽象概念的核心，并将它广泛应用在信号和系统中。主要目的就是使人们相信只要限制条件清晰，对任何事情建立一个有意义的理论并付之应用是可能的。类比并不是只应用在系统理论研究领域。事实上，类比在心理学和社会科学应用更为广泛。它作为一种方法论，能够有效地从简单的环境到更加类似且复杂的情形下进行理论扩展。

在第3章，描述了一些以反馈和控制作为基础的过程。此外，我们还挑选了一些生产过程中的工程实例，比如瓷砖生产、洗车、大型灌溉的分布系统和无线电天文天线。我们主要关注什么被测量了，这些测量信息怎样决定下一步工作，以及决定是怎样执行的，进而控制未来的过程行为。如果感知、推理、计算和决断都能自动进行，说明我们正在处理的是一个自动控制系统。如果控制响应于测量，说明反馈起了作用。许多人造的控制系统都来源于自然，在这些自然控制过程中，反馈无处不在。在人体内部，内稳态亦是基于反馈的。不仅如此，大多数心理学和社会学过程均直接或间接地得益于反馈。

我们需要理解的两个关于反馈的基本概念是信号和系统；一方面在反馈执行之前，必须测量信号；另一方面系统的行为受到反馈的影响。此外，无论何时，当谈到能产生和修正信号的系统，信号和系统总是交错在一起。信号会在第4章里展开介绍。什么是信号？它有什么性质？我们怎样来描述它？我们怎样来处理它？像以往一样，我们会用启发性的例子来传达这些信息，每个人都能在他周围的环境中识别很多信号：声音（音乐、噪声、鸟鸣）、感觉（温度、湿度、亮度、嗅觉）以及很多其他物理或心理上的数值量（力、速度、位移、重量、幽默、疲劳、注意力）。因为定量推理是反馈的核心，所以这里的主题从工程学的角度展开，而信号的数学表达形式占极其重要的部分，因此某些特定的数学方法将被用到。但是，讲述的方式和推理过程并不是数学形式的。

模型是系统理论和反馈的核心。第5章介绍了在处理系统和模型时用到的一些基本概念和工具。对真实过程，模型是一种便捷的描述，而便捷通常意味着“估算”。我们主要阐述一些简单的例子来展现模型的效力，并简要地讨论怎样完成建模以及关注它结构上的特性。

某些系统特性在反馈中至关重要，比如稳定性、敏感度和鲁棒性等，这些将在第6章作简要介绍。当然，这些概念也是非常严谨的。事实上，在研究系统里，理论上没有终点。毕竟它是一种关于所有事物的理论，所以仍需投入大量的人力。尤其是在处理大规模复杂的系统时，该理论还处于初级阶段。

第7章介绍了本书的核心问题，即反馈。关于反馈的概念在前面的章节中已介绍了大部分概念，本章重点讨论反馈的优点与缺点。优点是反馈在很大程度上改善了系统的行为，虽然它也在可行域上增加了限制。

这里需要重点强调的是，控制或反馈的某些形式在表现良好的系统中是很有效的。控制子系统和控制交互过程中可能存在的结构是第8章的主题。在本章中，读者可以了解到很多控制与过程交互的方式，以及如何改变控制效用和控制能力的方式。结论是，如果在设计之初，综合考虑过程和控制，系统可以获得最好的性能。

科技是反馈发展的重要动力，反过来，反馈又是科技的主要驱动力。构成控制子系统、传感器、通信、滤波器、执行机构、计算机和软件的不同元素将在第9章进行介绍。本章介绍了一些现存的、可以实施控制的硬件和软件。

接下来介绍设想、设计和测试。许多计算工具支持的设计以及实用方法都可用来进行控制设计，其中一些方法将在第10章作简要描述。参与控制设计的模型、目标、约束和信号的多样性使列举出的所有方法无法实现。因此，在这个领域仍有很多需要做的工作。控制设计需要源源不断的创新和创造力，以及很多成功的方法。此外，尽管我们已经表明正确的控制方法是在设计之初就把它视为总设计的一部分，但据我们所知，在工程设计上沿用这个控制方法并未获得实质性的进展。

很明显，我们相信反馈和控制至关重要，而且它给社会带来很多益处，在第11章将重点介绍这部分内容。我们希望读者还能发现其他益处。事实上，本书的目的就是让读者了解合理地利用反馈和控制带来了多少益处、实现了多少益处，从而使这项隐藏的技术清晰地展现在众人面前。客观起见，我们也指出了反馈所带来的风险，能意识到这些弊端的读者，表明已经对这个问题了解得很清晰了。

在第12章，将会对控制进行总结，并对不可预测的未来作出展望。一些未来的发展趋势已经很明了。一些即将发生的技术革新也很容易发现，但我们将作出一些更大胆的预测。未来是开放的，我们期待看到我们的读者在“反馈”的路上能取得更大的进步。

阅读顺序：

读者可以依照正常的阅读顺序，或者也可以按一个更简单的顺序来阅读，例如，从第1～3章，然后跳到最后两章，然后从第8～10章，这里只用了一些很简单的数学，最后读第4～7章，这4章涉及一些数学公式，以便更好地理解其中介绍的概念。

此外，每个章节将用一张插图来重点阐明该章节提到的概念要素。我们要感谢Arturo细致的工作使得书中的工程术语可以有正确、简单的表达。

作者