序

黄杰老师在新冠肺炎疫情期间完成了《非线性系统与智能控制》一书的初稿。送我这里进行审核，并希望我为该书写序。多年来，黄杰老师一直从事机械中非线性系统理论和智能控制的研究和教育工作，刘莹老师一直从事脑科学研究。因此，他们编写这本书是水到渠成之事。

本书主要涉及智能控制。严格来说，智能控制应该叫作智慧控制，因为智能是智慧能力之意。因此，我想利用这一机会和青年学生聊一下什么是“智慧”。理解什么是智慧，对了解我们自己以及学习智能控制直到学习（或开发）人工智能都是十分有益的，这也是黄杰老师希望我写序的本意。

在现实生活中，人们对“智慧”的理解都停留在各自的自我感觉上，所以“智慧”这个词的概念是很模糊的。那么，所谓的智能控制（或人工智能中的智慧）是人们说的哪种智慧的表现呢？很少有人提出这个问题，但肯定不少人对此产生疑惑。这确实是很重大的问题，它涉及智能控制的发展和人工智能的构成。脑科学的核心就是研究人脑中出现的智慧到底是什么，其研究成果将直接影响人类今后各方面的发展。

人脑是由相当于银河系中所有星球数量级的神经细胞组成的，并固定在有限的脑空间中。神经细胞间的复杂活动引发人的各种行为，其目的就是在地球这个环境中生存下去。这一点，地球上的所有动物都是一样的。如果说人的神经细胞的活动就是一种产生智慧的活动，那么动物也一样吗？虽然现代脑成像技术能观察到脑中细胞群的活动，但无法知道这意味着什么，更无法知道动物是否和人一样在想问题。不少人对此凭空推想，长期以来，这些非科学的想象阻碍了脑科学的研究和发展。

其实，人或动物的脑神经细胞活动所产生的行为是看得见的，也是可分析的。因此，我们完全可以从人或动物的行为特性来推定脑特定部位的结构和特性，有目的地开展定向研究，慢慢揭开脑活动的真相。这一点与理工科研究机器特性时采用的由表及里的方法是一样的。

下面看几个具体的案例。如果在树上用绳子吊一个一定质量的钢球，推它一下，钢球就开始摆动起来，这实际上就是本书中研究的非线性单摆。如果一条鳄鱼看见它，由于对鳄鱼而言凡是运动的都是可吃的，于是鳄鱼会向钢球单摆发起进攻。当它发现钢球不能吃时，就会离开。下次鳄鱼看见钢球单摆时，还会重复发生刚才的行为。如果一只小狗经过该单摆，好奇心会引发它的兴趣，小狗冲向单摆开始玩耍。当小狗被单摆重重一击后，它就会离开单摆。下次它若遇到这种钢球单摆，看一眼就离开了。如果一个大人带着小孩经过摆动着的钢球，那么即使他第一次看见这种东西，他也会阻止小孩靠近它，因为他知道这很危险，他甚至会将单摆解下而避免其伤害到别人。

对同一个单摆，看见它的鳄鱼、小狗和人做出的行为反应如此不同，这说明各自控制行为的脑是不同的。鳄鱼的行为反应是一种本能反应。所谓本能，就是“凡是运动的都是可吃的”这一判断信息和随后发生的攻击、回避等动作信息是在鳄鱼出生时就被“刻”进了称为脑干的脑区中，这里称它为预记忆信息。鳄鱼这种爬行动物就靠脑干中不变的预记忆信息，不断重复同一行为，以维持个体生命和种群的延续。“凡是运动的都是可吃的”这一预记忆信息常使鳄鱼在遇到比它强大的动物时陷入危险。

小狗因为喜欢而奔向钢球，后因被击打而不喜欢就离开，它在发生靠近和离开钢球行为前，产生了喜怒哀乐的情绪。这在小狗出生时就被“刻”在其大脑边缘层的脑区中，所以情绪也是一种本能。人们曾将动物脑中预记忆的特定部位通过手术去掉，此时动物就不会再产生情绪了。和鳄鱼相比，情绪能使小狗避开危险的场景，在发生行为前有了预判的能力。再注意小狗行为中的另一个现象，以后小狗再遇到钢球单摆时，它看一眼就离开了。这表明在它的大脑边缘层中对发生过的这一情绪行为有一种记忆，该记忆完整地记录了钢球单摆、情绪的发生和接近、逃离的行为全过程。以后小狗只要看见钢球单摆这一情景，该记忆就被唤醒，所以称这种记忆为“情景记忆”。大脑边缘层中的所有情景记忆记录了小狗出生后的一切生活经验，是后天形成的。比起只有本能的鳄鱼，情景记忆使小狗不会重复危险行为。人们利用哺乳动物大脑边缘层情绪本能及情景记忆产生经验的特征，对一些有强大记忆能力的哺乳动物进行特定行为训练，让它们模仿指定的动作并作为经验而情景记忆。不管它们记忆的经验多复杂，这只是对应外部特定的情景指令。经验是练出来的，而不是动物自己想出来的。

再看人在看到钢球单摆后发生的行为和脑之间的关系。支配这一行为的脑区是大脑新皮层前端的一个叫额叶前区的脑区，称之为人脑。它是 1848 年美国佛蒙特州的一个地方发生了改变脑科学研究的历史性事件时发现的，是人类特有的最强大的脑。当人类幼儿出生时，这个脑区一片空白，随着幼儿发育成长，神经细胞构成复杂的网络，并记忆生活中学习到的各种信息。这些信息记忆的结构比起本能的预记忆和经验的情景记忆要复杂得多，最重要的特点是各记忆之间有相互搜索机能，这一搜索机能还可延伸到整个大脑新皮层，甚至新皮层以外的脑区。一个从未见过钢球单摆的人，通过额叶前区脑神经细胞对已有记忆的搜索活动，并不断对比、判断，得出新的信息：这个钢球单摆是危险物。这一新的信息不是行为结果的产物，而是在行为发生前这个脑区自己创造出来的，所以称它是人脑产生的“智慧”。同样，继续搜索还能得出“将其拆去”的行为指令，这也是这一脑区创造的智慧。人类智慧甚至能创造或改变自己的生存环境，这是鳄鱼和小狗的脑不可能产生的，因为在它们脑区中，记忆都是互相独立无联系的，不可能发生搜索活动，当然也不可能产生智慧。神经细胞通过搜索而产生的新的信息记忆在人脑中，这里称其为“搜索记忆”，其中记录了人脑自己创造的智慧。需特别注意的是，拥有这个脑区的人对自己脑区中因神经细胞搜索而发生的一系列活动有一种“我在想”的感觉，这就是所谓人的“意识”。意识仅仅是额叶前区中脑神经细胞进行搜索活动时人的一种自我感觉。更有意思的是，搜索记忆不仅存放在额叶前区，还存放在人体外的书本、计算机等一切人类生存的空间中，人脑搜索活动驱使人类活动在地球的整个生存空间，甚至向外太空扩张。

人脑中具有与行为相关的三个脑区：最里面是本能的脑干；中间是产生情绪和经验的大脑边缘层；最外层就是包含创造智慧的额叶前区的大脑新皮层。人类脑干中的预记忆就是“凡是突然出现在自己周围的运动信息都是危险的”，以此保护自己的生命。人类的三个脑区相互作用，使人类行为极为复杂。脑科学就要研究人脑中的预记忆、情景记忆和搜索记忆的具体结构和原理，特别地，人脑中自发产生的搜索活动研究是搞清楚意识和智慧的关键。每个具体人的智慧有能力高低的差异，一定和这个人的脑神经细胞天生的搜索能力及后天储存的搜索记忆的质和量相关。

有了上面脑科学的基础知识，各位就可以很有兴趣地读这本《非线性系统与智能控制》了。本书主要针对注定要发生振动的非线性机械系统，是通过人脑中搜索记忆复杂活动后创造出的一整套消除振动的智慧。将它作用在各种典型的非线性机械系统上，就会使本应产生的振动得到抑制，实现所谓的智能控制。

能做到上面所说的智能控制，主要得益于将计算机组装进了这些非线性机械系统，使机械有了自己的头脑。如果在机械的头脑中装进了上面所说的消除振动的人类智慧，使它成为机械的记忆，那么机械就能按其头脑的记忆来控制机械的行为，即控制机械的运动。在人们看来，这个机械像有了智慧，这就叫人工智能。在本书中，作者除介绍了最常用的几种非线性系统的控制理论外，还结合液体晃动、起重机械吊装和直升飞机吊装等具体实例，通过理论分析和实验论证来得出消除振动的理论和方法，这是本书作者在自己头脑中搜索记忆后产生的智慧。

本书的读者除了要学会作者搜索记忆产生消除非线性系统振动的智慧外，更要考虑如何把本书作者的智慧装进计算机，使之成为机械的记忆。按前面的介绍，机械的头脑可有三种记忆——产生本能的预记忆、通过情绪本能产生经验的情景记忆、产生智慧的搜索记忆，这实际上就是人工智能从低级向高级发展的三个阶段。人们在做这些工作时，主要研究三种记忆的数据结构和记忆的呼出方法，最难的是搜索记忆的数据结构的决定和自动搜索方法的建立。目前的人工智能大多还停留在预记忆阶段，虽然不少人在研究神经网络的各种搜索法，但安装进计算机后还是一种预记忆。要向着后两个阶段发展，还需依靠脑科学的发展和各位的不断努力和实践，希望各位读者在学习本书各章的智慧时经常考虑这些问题，这会使学习变得很有趣。

最后还要注意，鳄鱼、小狗和人对待同一外界情景发生的行为虽有很大区别，但有一个共同点——一切行为都是为了活着，或者说是为了得到维持生命的能源。又因为他们都是生命体，因此各自的脑活动都是自发产生的。但是，人类创造的人工智能机器是无生命体，它的所有活动只能依赖人类为它提供的能源来发生，更谈不上会发生所谓人工智能的进化。如果忘记了这个根本区别，就会引发人们对人工智能的误解和无谓恐慌。

北京理工大学机电一体化中心教授
东京工业大学工学博士吴平东
2020 年 6 月 27 日