中国自动控制开拓者张钟俊：引领未来技术创新

张钟俊（1915—1995年），出生于浙江嘉善，自动控制学家，电力系统和自动化专家，中国自动控制、系统工程教育和研究的开拓者之一，如图3.2 所示。

1990年7 月，上海交通大学和上海科学技术协会隆重举行“张钟俊教授执教50 周年学术研讨会”。张钟俊教授50年来的科研与教育生涯是一本优秀的教材，其中虽无惊天动地的事迹，却无时无刻不闪烁着他崇高的理想和不断进取的精神。

1915年9 月，张钟俊出生在浙江嘉善的一个普通的教员家庭。11 岁那年，他离开家乡赴嘉兴求学，不久到上海就读于南洋中学。青少年时代，张钟俊就表现非凡，他博学强记，思维敏捷，兴趣相当广泛。他辗转各地，进过许多学校，成绩一直名列前茅，而且一次又一次得到跳级的荣誉。

1930年9 月，才过15 岁的张钟俊以杰出的成绩考入国立交通大学电机工程学院。交通大学严格的基础教育为张钟俊的成长奠定了扎实的基础。

1934年7 月，张钟俊在交大毕业，获得了电机工程学士学位，并以其出色的学绩取得中美文化教育基金会的奖学金，进入美国的麻省理工学院电工系读研究生。

麻省理工学院堪称世界工程科学的骄傲，在那里云集着一批优秀的科学家。学院一贯以培养创造性人才为宗旨，对学生的教育强调开拓而不是知识的堆积。在那里，优越的设备条件、丰富的图书资料汇成了知识的海洋。张钟俊如鱼得水，如饥似渴地学习，废寝忘食地钻研。他的天赋和勤奋使他很快地在麻省理工学院崭露头角。两个学期之后，他获得了硕士学位，又经过5 个学期，他获得了科学博士学位。张钟俊作为麻省理工学院第一个博士后副研究员留校工作，协助哥爱莱明（Guillemin）教授研究网络综合理论。

麻省理工学院对于攻读科学博士学位的研究生要求几近苛刻。研究生除了要攻读本专业课程之外，还必须在理学院选择一门专业作为副科；不但要求掌握该副科专业大学本科核心课程知识，而且要求选读该专业的两门研究生课程。电工是张钟俊的主科，副科他选择了数学专业。在数学系进修期间，张钟俊结识了控制论的创始人——R.维纳教授。维纳给他讲授傅里叶分析，这是维纳极有造诣的一门课程。维纳深入浅出的讲解、他的渊博知识以及非凡的综合能力，给张钟俊留下很深的印象。他暗暗将维纳作为自己的楷模，因而除了听课他还经常单独去向维纳求教，讨论的内容已经远远超出了傅里叶分析。

图3.2　张钟俊

麻省理工学院是当时美国少数几个有权授予科学博士学位的院校之一。为了自己的声誉，学校要求博士学位论文不但内容要完整而且必须有独特的见解。在导师列昂（Lyon）和斯脱莱通（Stratton）的指点下，张钟俊选择了单相电机的短路问题作为博士论文的研究课题。他研究了凸极电机短路的暂态过程。这是一个多年来悬而未决的难题，其中要涉及求解一个含周期变化参数的常微分方程。渊博的知识使张钟俊联想到天体的运行，这也呈现一种周期变化的特征，而天文学家是利用傅里叶级数进行探讨的。他大胆地将这种方法推广到单相凸极电机的短路动态方程上，经过周密的论证和巧妙的推理，他终于获得了成功，第一次在理论上获得了这类电机的一个模式常数。这个常数在另一个硕士研究生的实验中得到证实。张钟俊的博士论文《单相电机短路分析》在1937年12 月进行答辩，与会者对文章给出极高的评价，认为其中提出的方法不只是对电机学，并且对数学研究也是一个创新。

由于学业上的出类拔萃，毕业后张钟俊被推荐到美国有名气的大学里担任助理教授。然而种族偏见剥夺了他这次机会，面对这种不公正的待遇，张钟俊义愤填膺，他下定决心：学成之后一定要为中华儿女争这口气。后来，学校继续留他做博士后副研究员。自1861年麻省理工学院创办以来，张钟俊是该校电工系第28 位科学博士，也是第一位博士后副研究员。他协助哥爱莱明（Guillemin）教授研究网络综合理论。在网络综合领域，哥爱莱明是公认的创始人之一。当时这门理论还处于启蒙阶段。从1937年12 月到1938年10 月，张钟俊不但熟悉了网络综合的背景，而且开始能够独立地从事这个领域的研究工作。

1938年，日寇的铁蹄踏进中国的华东。9 月，张钟俊接到家书，信中说杭州沦陷，全家内迁避祸江西。国破家危，年轻的张钟俊热血沸腾。10月，他经香港回到上海。

张钟俊在海外学成，名声早已流传到中华。他刚刚踏上国土，西南联大、浙江大学、广西大学和武汉大学竞相聘请他担任教授。美商上海电力公司也以高薪相聘。回想起海外华人所受的侮辱，再看眼前民众的疾苦，张钟俊断然拒绝了外商的聘请，他要与国人同甘共苦。1938年11 月他毅然离沪进川，担任武汉大学（当时已迁至四川省乐山县）电机系教授，时年24 岁。

不久，日寇飞机在乐山投下燃烧弹，劫后的乐山遍地断砖残瓦，校舍也不能幸免。张钟俊即去重庆，转任国立中央大学电机系教授。一年后，适逢交大校友在重庆小龙坎筹建交大分校。母校情笃，张钟俊积极参与此事。当1940年交大小龙坎分校正式成立时，张钟俊被聘为教授，任电机系主任。

1942年2 月，鉴于上海的交通大学名称已不存在（改为南洋大学），原交大分校在现有基础上扩充并在重庆九龙坡另建新校舍，成立重庆交通大学。学校新设置电信研究所，聘张钟俊担任电信研究所主任。1943年秋，电信研究所正式招收研究生，课程设置参照美国的哈佛大学和麻省理工学院。张钟俊亲自讲授高等电工数学、电信网络等课程，还指导学生从事网络综合理论的研究。到1948年，张钟俊在网络综合领域里已经很有造诣，他将这一时期的研究成果写成《网络综合》一书。这是国际上第一本阐述网络综合理论的专著，书中采用了复频率概念来表征两端口和四端口网络的阻抗函数，它们分别是复变量的标量和矩阵的有理函数。这个概念与经典控制理论及以后的现代控制理论中的传递函数和传递函数矩阵是一致的。书中还提出了正实函数与网络的物理可实现性间的关系。

在电信研究所的后期，张钟俊开始研究自动控制理论。他在电信研究所讲授伺服原理。后于1950年到长春中国科学院机电研究所再次讲授这门课程，从此开创了我国控制理论和控制技术的研究历史。

1945年秋，日寇投降了。重庆交通大学和南洋大学汇合，他返回上海徐家汇。两校汇合后继续设置电信研究所，仍然由张钟俊担任该所主任。入冬后，张钟俊便举家搬迁至上海。

到上海之后，张钟俊应聘兼任了上海市公用事业管理局的技术室主任（按照现在称呼为总工程师）。当时，该局经管上海全部的公用事业，包括电力和电讯、电车和公共汽车、煤气和自来水，以及市轮渡、地下铁路（筹建）共8 个方面。其中固然有张钟俊熟悉的领域，但也有他生疏的方面。作为技术室主任他必须掌握科学管理的方法和具备科学管理的能力。当时大部分的公用事业都由外商经营，同他们打交道他必须懂得契约和合同法规及关于社会关系的各种知识。就是这段经历为张钟俊日后在中国开创系统工程研究准备了条件。

1948年末，国民党政府摇摇欲坠，正在那时，张钟俊收到了麻省理工学院校长斯脱莱通的信，邀请他赴美担任该校电工系教授。但张钟俊决意留下来，和广大人民一起迎接上海的解放。

上海解放了，军管会请张钟俊留任公用事业局，协助搞好公用事业的接管工作。原先各租界的电网是独立的，各电厂的输出电压和频率也不尽相同，为了能够对全市的供电进行统一管理，张钟俊领导并具体指挥了电网合并工作，改造了部分发电机组，统一了电压和频率。接着他又建议抽调干部组织电力调度培训班，培养电力管理人才。张钟俊还主持了上海黄浦区第一条过江电缆的设计和安装，改变了浦东地区缺电的局面。

1950年初，震惊中外的“二·六”轰炸使杨树浦发电厂遭到严重破坏。为了预防再次空袭，其他电厂也在准备转移设备。这使上海的电力供应显得非常紧张。针对这种情况，张钟俊提出了一系列措施缓和电力供需矛盾，协助人民政府战胜困难。为了错开供电高峰负荷，他建议实行轮流休息制度和三班制；为了保证工业用电，他建议禁止使用电炉等耗电量大的家用电器和临时提高民用电价等，其中的一些措施很快在全国推广。

根据高教部关于合并研究所的决定，上海交通大学的电信研究所于1950年停止招生，次年最后一届研究生结业。1950年夏，张钟俊赴长春接洽电信研究所的转交事宜。他在长春中国科学院机电研究所讲授伺服原理，这是中华人民共和国成立以后首次开设的自动控制课程。

电信研究所结束后，张钟俊转入了电力系的发电专业。他科研的重点也随之转入了电力系统。为了集中精力搞好新的教学工作，张钟俊辞去了公用事业管理局的职务。在他的精心培养下，一批又一批的中国电力建设的专门人材脱颖而出，活跃在祖国的各个地方。

1956年，高教部指派张钟俊出席国务院召开的全国长期（12年）科学规划会议。出席会议的有全国各地的300 多位专家。会议分成几个专业组，张钟俊是电力组成员，并在会议的最后阶段执笔编写了电力系统这部分的长期规划。会议之后，张钟俊被委任为国家科委电力组成员。

同年，张钟俊根据电厂的实际情况研究用线性规划等运筹学工具来讨论电力系统优化的可能性，他和他的助手首次提出了在各发电厂燃料消耗增益相等时的负荷经济分布的条件，首次给出了选择补偿器位置及其配置容量的计算方法，在国内的同行中引起很大的反响。1957年，他们又提出了在众多的约束条件下的电力经济分布方程。他的有关论文中的优化设计的思想和方法与以后提出的系统工程中的最优化原则是吻合的，在当时国内工程界是相当罕见的。

1958年起，上海交通大学开始设置军事性质的专业。为了保证和提高这些专业的教育质量，张钟俊调任无线电系和自动控制系主任。后来，鉴于张钟俊在自动控制领域的造诣和声望，他又被委任为国家科委自动化专业组副组长。

1966年以后，现代控制理论迅猛发展，控制技术步入了一个新的阶段。张钟俊依然坚持学习这些最新发展的理论，时刻关注着它们的新成就。(www.xing528.com)

1973年，为了解决潜艇的惯性导航，张钟俊和部分同事组织了讨论班。他主讲现代控制理论，同时编著了《矩阵方法和现代控制理论》一书，该书成为我国最早阐述现代控制理论的著作。同年，他又撰写了《现代控制理论综述》，向国内同行介绍现代控制理论的发展状况。经过两年的努力，导航问题获得完美的解决。他们将主要结论写成论文《陀螺角速度漂移数学模型的辨识》。文章应用卡尔曼滤波技术对惯性导航系统的反馈信息进行处理，从而大幅度提高了控制精度。这项研究后来获得全国科学大会奖和上海市重大科技成果奖。

1976年10 月，“四人帮”垮台了。科学界像沐浴在春风中，充满了勃勃的生机。春风吹进了张钟俊的心扉，尽管这时候他已两鬓挂霜了，但仍感到浑身充满了春天的活力。

为了夺回失去的时光，张钟俊积极展开了3 个方面的工作。他一方面积极投身于国际学术交往中，利用自己的学识和地位为中国的自动化事业扩大影响，争得荣誉；一方面坚持在校内带领同事和学生学习新知识，研究新课题，承担理论和实际的攻关项目；一方面不辞辛劳地奔波在祖国各地，讲课，做报告，传授新知识，介绍新动向或者推广科研成果，为经济建设服务。

1978年秋，张钟俊参加了上海交通大学访美代表团，并负责电子、电工和自动控制等领域的交流和调研。在短短的45 天的访问中，张钟俊敏锐地注意到微电脑的开发和应用是一项关键性的突破。从航天事业到污染治理，从工业控制到音乐作曲，从政府机构到家庭和个人都广泛地使用了微电脑。他每到一地总提出要参观计算机房，询问机器的性能，了解它们的用途。在张钟俊的提议下，代表团带回了王安计算机和INTEL 开发系统。张钟俊认识到，要把我国的生产水平和管理水平搞上去，必须大力推广应用微电脑，普及微电脑的应用知识。回国后，他即组织微电脑开发的研究，筹建计算机应用的学术组织。

在美国访问期间，张钟俊还发现系统的思想正在广泛地渗透到自然科学和社会科学的各个领域，特别是系统工程作为一门科学管理的方法论有着重要的应用价值。他发现作为自动控制与工程技术的结晶，机器人的研制正在美国崛起，前途无量。回国后，他立即着手进行这些课题的研究。1980年，张钟俊再次访美，并应邀在密执安大学和佛罗里达大学作短期讲学。在佛罗里达大学，张钟俊和现代控制理论的创始人R.E.卡尔曼相遇了。卡尔曼倾听了张钟俊题为“系统工程在中国”的演讲，对他在系统工程方面的见解表示赞赏。共同的事业将两位科学家联系在一起。应张钟俊的邀请，翌年，卡尔曼来我国讲学。

在这次访问中，张钟俊参观了美国最大的咨询机构——兰德公司，听取了公司人员的介绍。张钟俊再次体会到系统工程方法在预测和决策中的重要地位，他联想到祖国正在进行现代化建设，深感大有必要推广系统工程理论。这项工作将对现代化建设的科学管理和科学规划带来裨益。在他的提议下，上海交大在系统工程研究所的基础上于1981年又成立了系统工程跨系委员会。

1978年以来，张钟俊不顾自己年事已高，出席自动化领域的各种国际会议十多次，美国、法国、英国、瑞士、联邦德国和中国香港等许多地方都留下了他的足迹。鉴于他的名望和成就，他多次被邀请担任会议的主持人或者讨论会的召集人。

“文革”以后，张钟俊历任上海交通大学的计算机系主任、电工和计算机科学系主任。在国家号召领导班子年轻化的时候，他主动退居二线。

1978年恢复研究生制度以后，张钟俊即担任硕士研究生导师。1983年设置博士学位的时候，他被批准为博士导师。1986年国家建立博士后流动站，他又被委任为博士后导师。他的科研领域相当广泛，并且与国家的重点科研项目紧密结合，涉及最优控制、系统辨识、自适应控制、预测控制、电力系统、大系统、经济控制、计算机辅助设计、智能控制、机器人学、非线性控制等很多方面。其中大部分在当时都是控制学科的前沿课题。从1982年以来他和他的学生们的研究成果3 次获得“国家科技进步奖”二等奖。

在指导研究生的同时，张钟俊还带领同事们做了大量的实际课题。其中比较突出的是地区发展规划的咨询。

张钟俊具体负责了上海交通大学接受的新疆维吾尔自治区长期发展规划的咨询课题。1983年11 月底，年近古稀的张钟俊率领首批考察组进疆考察。1984年，张钟俊等人对50 万个关于中华人民共和国成立后新疆经济发展状况的统计数据作了整理和分析，从中萃取了5 万个数据作为建立数学模型的依据，并决定了以定量为主、定性为辅的建模方针。在大家的努力下，建立了描述宏观经济的系统动力学模型，反映各生产部门间相互依赖关系的投入产出模型和用状态空间描述的动态经济控制模型，并完成了一个附属的特尔菲型专家咨询系统。根据模型，课题组在计算机上模拟获得了新疆地区在1990年至2000年能够达到的各项经济指标指数，提供了实现这些指标的具体方案，描绘了21 世纪新疆的远景，还预测出了潜在的问题。

“新疆宏观社会经济模型”是我国第一个采用系统工程理论建立起来的大型地区性的社会经济模型。这项研究获得了上海市科技成果奖。这项研究采用的方法为规划的科学化提供了一个范例。之后他还负责完成了牡丹江、常熟等市的远景规划和我国钢铁工业发展规划等的咨询任务。

1986年，张钟俊已入古稀之年，他辞去了校内所有的行政职务，然而从那时起他显得更忙碌了。他一年四季奔波在祖国各地，担任了华侨大学、西安交通大学、北方交通大学、重庆大学、合肥工业大学等23 所高等院校的顾问教授或者名誉教授和湖南科技大学等两所院校的名誉校长。他担任了厦门经济特区、常熟和嘉兴等市的高级科技顾问，为经济和技术发展出谋划策。他担任了国家自然科学基金会信息科学部评审组成员和奖励委员会委员。他还曾担任过国务院学位委员会自动化小组的召集人、中国自动化学会和中国系统工程学会的副理长，以及中国微电脑应用学会名誉理事长和上海微电脑应用学会的理事长。

1988年8 月，全美电子电工工程协会的SMC 专业委员会在中国举行国际学术会议。闭幕式上举行了隆重的赠旗仪式。会议主席将一面协会的会旗赠送给张钟俊教授，表彰他在中国开创了自动化的教育和研究。

与世界上许多杰出的科学家一样，在20 世纪60年代初期张钟俊便以极大的热忱关注着卡尔曼和庞得里亚金在控制理论方面的新进展。在1962年卡尔曼和布西提出新的滤波设计的时候，他就认识到一门新的理论已经脱颖而出了。1964年，张钟俊将卡尔曼滤波技术应用到“远航仪”的接收信号的处理中，成为我国第一批将现代控制理论应用于实际工程的科学家。1973 他在主持核潜艇的惯性导航这个研究课题中，又应用了现代的系统辨识技术建立了陀螺角速度漂移的数学模型，而且再次应用卡尔曼滤波设计了信号反馈装置，大幅度提高了潜艇定位的精度。

如果说第二次世界大战促成了经典控制理论的诞生，而空间技术和计算机发展导致了现代控制理论的话，那么当前的世界问题，例如能源问题、环保问题、人口问题和经济问题等，又对控制理论提出了新的课题。张钟俊注意到了这样的事实。现在需要讨论的系统结构更加复杂：一方面这种系统的运行过程常常夹杂着人的思维活动，系统的行为变得更加不确定起来；另一方面需要讨论的系统规模更加庞大。它常常是由一些小系统按照递阶或者完全分散的形式耦合生成，经典的信息结构被打乱了。这些新特点使得传统的控制手段变得几乎是一筹莫展。根据20 世纪70年代以来需要解决的问题的新特点和理论的新进展，张钟俊支持“控制理论进入了第三个发展阶段”的看法，认为现在已经是大系统理论时代。这个观点一直指导着他的研究方向。

张钟俊在自动控制领域中的贡献众所归望。1981年他当选为中国科学院技术科学部学部委员。

张钟俊带领同事们和同学们进行了大量的研究，他们总选取领域的前沿课题作为自己的研究对象，在研究中讲究实际与理论并重。例如，预测控制是20 世纪70年代才提出的一种实用的控制技术，张钟俊及其同事们在这项技术刚诞生之际就予以重视，他们进行了许多理论上的探索，提出了预测控制中控制和校正分离的新框架，提出了双重预测和分散信息的预测控制方法，并正着手应用到化工工业控制中，在普遍注重算法设计的预测控制领域中，他们在工作方面称得上是佼佼者。此外在广义系统、设计技术等领域，他们都取得了重要进展。

也许是早年在上海市公用事业局工作的那段经历，张钟俊一直关注着管理科学的发展。20 世纪60年代前后，系统工程逐步形成了一门独立的学科，它以全局的观点出发，综合应用现代科学技术和先进的管理技术，追求整体最优规划、实施方案和具体运行。20 世纪60年代后期系统工程方法应用到经济学和管理学等许多领域，表现出强大的力量。1977年，祖国正从长期的动乱走向安定团结，满目疮痍亟待治理，停滞多年的经济亟待振兴，规划问题随之而来。这一年，张钟俊在广州召开的一次全国性学术会议上，提出了在我国推广应用系统工程的主张，成为我国首批倡导系统工程方法的科学家之一。在这次会议上，张钟俊结合国际上成功应用的范例，深入浅出地介绍了系统工程的观点、内容和方法，与会者颇有震耳发聩之感。

20 世纪80年代前后，张钟俊和其他学者一起，将大系统理论和系统工程方法结合在一起分析宏观经济问题，提出了新一代的经济控制论。

经济控制论的发展可以有这样一些里程碑：20 世纪60年代奥斯卡·兰格用经典控制方法详细讨论了凯恩斯理论，将可靠性理论引入了经济领域，用控制理论方法研究了经济现象的稳定性；20 世纪70年代邹至庄在经济问题中引进了最优控制方法，曼内斯库则引进了状态空间方法和对国民经济大系统的结构作了逐层剖析；到了20 世纪80年代，张钟俊和他的同事们将最新的控制理论用于经济现象的分析，他们在经济控制问题中引进了能控性和能观性，提出了经济系统建模的原则和步骤，提出了经济系统最小实现模型，提出了动态投入产出分析法，阐述了经济系统仿真的意义和特点。这些论著后由中国数量经济研究会陕西分会在1981年整理出版。这些论文开拓了我国经济控制的现代理论阶段，对于建立我国的社会经济模型具有一定的启示和指导作用。

1984年以来，张钟俊和他的同事们应用系统工程思想完成了新疆等地发展规划的咨询。张钟俊的这些理论和实践在我国系统工程发展史上无疑是一座丰碑。

有人说计算技术和自动控制是一对孪生兄弟，兴许这是确切的，许多控制理论学者都非常重视计算机科学的进展。张钟俊也持有这种观点，并进一步认为计算机科学的突破是现代控制新理论诞生的助产婆。

1984年，张钟俊又提出了以大系统理论为指导，以微电脑应用为突破手段，形成分级分布式计算机控制和信息管理的工业大系统理论，这个理论又简称为“一大一微”。他以杰出的才能和渊博的知识勾画了工业大系统的研究框架。他分析了这类系统信息结构分散的特性，论述了微电脑应用在控制中的基本作用，提出了计算机通信、计算机协调等新的研究课题。

张钟俊长期从事系统科学、控制理论与应用的研究，在将系统工程用于战略规划和将控制理论用于工程设计方面取得丰富的成果和贡献，开创了中国自动控制教育和研究的先河，他是中国自动化发展进程的开拓者和带头人，也是中国系统工程的首批倡导者和践行者，为中国的电力系统、自动化技术和科学管理等领域培养了一大批专门人才，关于其影响有“北钱（钱学森）南张（张钟俊）”之说。

张钟俊在教育、科研战线上辛勤耕耘，开拓创新，为创建中国自动控制、系统工程学科及其教育、研究和应用，为中国电力事业的建设和发展，都做出了卓著贡献。他对数代青年亲切提携引导，谆谆善教，培养和造就了成千上万名中青年科学人才，支撑了中国现代化建设的众多领域。我们应该学习他热爱祖国、奉献社会的精神，开拓创新、严格务实的学风和献身事业、提携后人的品格，为中国控制科学的发展和国家民族的复兴做出新的贡献。