作者：韓 芳 王金枝，分別系北大新聞網(wǎng)副主編、北京大學先進制造與機器人學院教授

黃琳編著的《系統(tǒng)與控制理論中的線性代數(shù)》

黃琳編著的《穩(wěn)定性理論》

2014年，黃琳與夫人在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。

學人小傳

黃琳，1935年生，江蘇揚州人。控制科學家，中國科學院院士，國際自動控制聯(lián)合會會士。1953年考入北京大學數(shù)學力學系，1961年研究生畢業(yè)，留校任教。長期擔任中國自動化學會常務(wù)理事、控制理論專業(yè)委員會委員與顧問委員、北京大學學術(shù)委員會委員。著有《系統(tǒng)與控制理論中的線性代數(shù)》《穩(wěn)定性理論》《穩(wěn)定性與魯棒性理論基礎(chǔ)》《控制系統(tǒng)動力學講義》《最優(yōu)控制理論》等。曾獲國家自然科學獎二等獎、三等獎，國家教委科技進步一等獎。

什么是控制科學？當別人問起自己的專業(yè)時，北京大學黃琳院士總是很有耐心地解釋：“過去的機械系統(tǒng)并不需要自動控制，像古代的車子，由人或者馬拉著它前行。現(xiàn)在，由于運動速度、精度和性能的要求，如果沒有自動控制裝置，飛機飛不了、火車跑不動。比如潛水艇，如果我們要求它在很短的時間停到一個指定的位置，就涉及力學系統(tǒng)的控制。”

“現(xiàn)代的機械系統(tǒng)，幾乎都需要自動控制。”為了讓飛機、火車運行得更穩(wěn)更快，為了我們的生活更加便捷，黃琳畢生致力于控制科學。

控制論有用又好玩

1935年11月30日，“一二·九”運動前九天，黃琳出生在江蘇揚州一個中學教師家庭。彼時，正值民族生死存亡之際，黃琳的童年又飽受肺病侵擾，生活十分艱辛。1937年年末，日軍殘酷的屠戮蔓延至揚州，黃琳全家開始了逃亡生活，在泰州農(nóng)村一帶輾轉(zhuǎn)避難。

“我們住在老百姓家，大半夜槍聲一響立刻就要從被窩里爬起來逃亡，這樣的情景始終歷歷在目。”黃琳曾這樣回憶自己的童年。在此期間，父親斷斷續(xù)續(xù)地在避難所附近的中學或師范學校教書，賺來微薄的薪水養(yǎng)活全家。直到抗日戰(zhàn)爭結(jié)束，全家才重新在揚州安定下來。黃琳的母親因堅持不在日本人手下做事，名字上了揚州的忠貞榜，隨后被任命為下鋪街小學校長；父親后來成為新中國成立后揚州中學第一任校長。這段顛沛流離的生活鑄就了黃琳深厚的家國情懷。

1953年，學習成績優(yōu)異的黃琳考入北京大學數(shù)學力學系。一開始，黃琳更想讀的是數(shù)學，但身為中共黨員的他，聽從組織安排進入新成立的力學專業(yè)學習。很快，黃琳發(fā)現(xiàn)這個選擇是正確的——“因為錢學森先生回來了”。

黃琳回憶，第一次與錢學森先生相見是1956年2月。那時錢學森早已名滿天下，在中國科學院力學研究所講授“工程控制論”，北大數(shù)學力學系選了15名學生前往聽課，黃琳就是其中之一。這門課持續(xù)了半年多，“有用”又“好玩”的工程控制論一下激起了黃琳的興趣。可以說，正是在錢學森先生的影響下，黃琳走上了控制理論研究的道路。

1957年，北大數(shù)學力學系請來了一位研究控制理論的學者——蘇聯(lián)專家托洛依茨基。托洛依茨基在北大開設(shè)了“非線性調(diào)節(jié)理論”課程，講授絕對穩(wěn)定性理論。聽了兩位控制理論專家的課，年輕的黃琳在很短時間里就掌握了東西方在控制領(lǐng)域的主要成果，這為他后來從事控制科學研究打下了堅實基礎(chǔ)。

也是在1957年，黃琳參加了中國科學院數(shù)學研究所秦元勛研究員主持的運動穩(wěn)定性討論班。討論班以攻讀俄國數(shù)學家李亞普諾夫的論文《運動穩(wěn)定性的一般問題》這一經(jīng)典著作為主，并將重點放在他提出的“李亞普諾夫第二方法”上。

隨著學習不斷深入，黃琳從懵懂的跟隨者逐漸成了有自主想法的研究者。1959年年初，北大和一機部四局及中國科學院數(shù)學所有關(guān)人員組成研究小組，研究擬設(shè)計的噴氣式飛機的安定性問題，這項工作歷時半年。參與項目研究的黃琳提煉出系統(tǒng)衰減時間的概念，并給出了估計。他的論文《衰減時間估計》（“On the estimation of the decaying time”）入選了1963年第二屆國際自動控制大會。這位初出茅廬的中國學者的論文，引起了一些國際知名學者的關(guān)注和討論。

1962年春，學界籌備召開全國一般力學大會，黃琳受周培源先生委派參與籌備工作，并應(yīng)邀在大會上作了題為“有控系統(tǒng)動力學的若干問題”的報告。錢學森對黃琳的報告做了詳細的點評，在肯定主要內(nèi)容的同時，還糾正了黃琳對一位美籍華人教授姓名翻譯的錯誤。錢學森對待科學一絲不茍的態(tài)度，又一次讓黃琳受益匪淺。

盡心編著前沿教材

在黃琳攻讀研究生的最后一年，也就是20世紀60年代初，為了在北大數(shù)學力學系創(chuàng)建控制學科，他開設(shè)了反映當時國際前沿的一些控制課程，包括調(diào)節(jié)原理、非線性調(diào)節(jié)原理、高精度系統(tǒng)、隨機輸入下的線性和非線性系統(tǒng)和最優(yōu)控制理論等。其內(nèi)容大都出自新出版的專業(yè)書籍或期刊。他早年間開設(shè)的這些課程為我國控制科學早期發(fā)展培養(yǎng)了一批學術(shù)骨干。

北京大學教授葉慶凱曾撰文回憶：“記得20世紀60年代初，正值困難時期，黃琳老師常常在寒冷的教室中，手里拿著一本剛出版的外文書，把控制理論中的最新成果仔細地、耐心地介紹給學生們。黃琳老師開設(shè)的課程內(nèi)容往往在北京地區(qū)是唯一的，常常能吸引其他高等院校的學生來聽課。”北京航空航天大學教授毛劍琴于1957年入讀北大，她回憶道：“黃琳老師講課時，我感覺到他的功底很深，不像是第一次講這門課。”“我后來幾十年在自動控制理論及其應(yīng)用領(lǐng)域里從事的教學和科研工作，也可以說就是在這時得到啟蒙和打下基礎(chǔ)的。”

經(jīng)過幾年的教學實踐，黃琳經(jīng)過反復琢磨，編寫了一本適合北大數(shù)學力學系特點的教材，這就是“控制系統(tǒng)動力學”講義。黃琳整理這本控制系統(tǒng)動力學講義，其基本出發(fā)點是當時的教材或講義基本上是由俄文翻譯過來的，不能適應(yīng)北大的需要，他希望自己新編的講義能體現(xiàn)有用、嚴謹和前沿的原則，使其更具有理科的特點。

也正是在這一時期，黃琳在給北大數(shù)學力學系一般力學專門化的學生開設(shè)最優(yōu)控制課程的基礎(chǔ)上，將上課的講稿進行補充編成了“最優(yōu)控制理論講義”。這本講義從最大值原理、動態(tài)規(guī)劃、基于常微分方程理論的最速控制理論三個角度講述最優(yōu)控制，在當時是很少見的。

“控制系統(tǒng)動力學”與“最優(yōu)控制理論”這兩本講義凝聚了黃琳多年心血和努力，涵蓋了當時許多控制理論最新成果，體現(xiàn)了他深厚的理論功底。值得慶幸的是，這兩本由于歷史原因被塵封了幾十年的講義，經(jīng)過黃琳校訂分別于2021年和2024年由科學出版社出版。

1969年，黃琳隨北大力學系遷往陜西漢中，開始了在漢中分校近十年的工作生活。其間，他曾給留校的大學生補習數(shù)學課程，與同事去北京、天津和上海等地的科研單位調(diào)研如何辦一般力學專業(yè)，給漢中分校招收的工農(nóng)兵學員上微積分課，還帶領(lǐng)1973級學員去綿竹漢旺的東方汽輪機廠和漢中的漢川機床廠開門辦學。

在漢中分校圖書館，黃琳讀到不少新近出版的外文影印書。他發(fā)現(xiàn)，國際上控制理論的研究已經(jīng)發(fā)展成為具有相當規(guī)模的現(xiàn)代控制理論體系，就線性系統(tǒng)而言，已經(jīng)出現(xiàn)了幾個不同學派，用好幾種方法進行研究。卡爾曼（Kalman）濾波理論與方法不僅獲得了新的發(fā)展，而且已經(jīng)廣為應(yīng)用，在控制理論領(lǐng)域出現(xiàn)了關(guān)于系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計的理論與方法，這些理論都與線性代數(shù)密切相關(guān)。線性代數(shù)起到如此大的作用，這使與國際科技界“失聯(lián)”多年的黃琳感到震撼。他有了寫一本應(yīng)用線性代數(shù)講義的想法，要用這個講義為中國控制與力學研究者彌補線性代數(shù)的欠缺。

漢中分校環(huán)境寬松，時間充裕，黃琳開始了有計劃的行動。他每天往返于圖書館與住所之間，做了很多資料卡片，邊積累資料邊寫講義。在從漢中回北京前夕，他整理完成了全部講義，并于1978年年底油印了第一版。

回到北京以后，黃琳用這套講義在國防科技大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學、南京理工大學等高校和研究機構(gòu)講課，聽取同人的意見和建議，利用北京更為豐富的圖書資料對講義進行充實和修改，最后交由科學出版社，于1984年春天以《系統(tǒng)與控制理論中的線性代數(shù)》的書名正式出版，并于1986年和1990年先后兩次重印。

《系統(tǒng)與控制理論中的線性代數(shù)》可謂是一本“全能的”線性代數(shù)工具書，控制學科需要的線性代數(shù)理論在這本書里幾乎都能找到，是當時學界、業(yè)界第一本與控制理論密切結(jié)合的線性代數(shù)基本理論著作。此書出版后，很快就成了系統(tǒng)與控制等相關(guān)學科科研和教學人員的重要參考書，為推進國內(nèi)控制理論研究作出了重要貢獻。從2014年開始，已是耄耋之年的黃琳又花費了4年時間認真修訂并補充調(diào)整了這本專著的部分內(nèi)容，該書的第二版于2018年由科學出版社出版。

黃琳的專著《穩(wěn)定性理論》和《穩(wěn)定性與魯棒性理論基礎(chǔ)》分別于1992年、2003年在北京大學出版社和科學出版社出版。這兩部書都是他依據(jù)自己多年從事科研的經(jīng)驗而編著的，包含了基礎(chǔ)理論、最新的研究成果以及前沿研究所必備的知識和技巧，書中一些內(nèi)容十分重要而在別的同類著作中很難找到。《穩(wěn)定性理論》獲得第二屆全國高等學校出版社優(yōu)秀學術(shù)著作特等獎，影響廣泛而深遠。

專注建設(shè)控制學科

20世紀70年代末，隨著堅冰漸漸融化，知識分子迎來了春天，但多年來形成的人才斷層仍嚴重制約著中國科技的發(fā)展。在這一形勢下，黃琳除了在全國多地宣講他編寫的應(yīng)用線性代數(shù)之外，還積極組織現(xiàn)代控制理論的各種學習班與講座，以盡快縮小與國外學界的差距。

1979年，他應(yīng)中國科學院系統(tǒng)科學研究所的邀請前往山西忻州主持控制理論學習班，這是改革開放后首次嘗試舉辦全國性控制理論學習班。黃琳還先后應(yīng)邀在北京、陜西、湖南、江蘇、四川等地進行有關(guān)現(xiàn)代控制理論的講學，他與同人們的辛勤付出為改革開放后我國控制學科發(fā)展起到了引導和打基礎(chǔ)的作用。

與此同時，黃琳在北大創(chuàng)建了一般力學博士點和控制學科，在學科建設(shè)、人才培養(yǎng)等方面作出了貢獻，為航空航天及相關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)了一大批學術(shù)骨干和優(yōu)秀人才。

2003年，黃琳當選中國科學院院士，其研究團隊得到進一步充實。為突出控制科學的特色，在他的努力下，“力學系統(tǒng)與控制”博士點成立，與原來的“一般力學與力學基礎(chǔ)”博士點組成了一個大的一般力學學科。多年來，該學科點一直健康發(fā)展，取得了不俗的成績，先后獲得教育部自然科學一等獎和國家自然科學二等獎，培養(yǎng)出全國百篇優(yōu)秀博士論文作者，學科點躋身“雙一流”建設(shè)的優(yōu)勢學科。黃琳也因此獲得北大教師最高榮譽蔡元培獎。

黃琳認為，有特色的學科點就像優(yōu)秀的學派一樣，除了教學和科研上的業(yè)績外還應(yīng)有其獨特的文化與精神氛圍。黃琳總對學生說，做有價值的工作但不圖虛名，關(guān)注國際動態(tài)但不趕時髦，力求結(jié)合國家需求并耐得住寂寞。這一思想在他一生的工作中貫徹始終并深深地影響著他的學生們。曾經(jīng)在北大跟隨黃琳讀碩士的中國科學院研究員洪奕光回憶：“黃琳老師的言語并不多，但一語中的，幽默且深刻。我體會更深的是他高屋建瓴的學術(shù)境界，老師教育我們不要浮躁和急于發(fā)表文章，而是要從大方向、大問題入手做科研。”

北京航空航天大學教授郝飛曾這樣描述讀博士時參加討論班的場景：“每周一次的討論班，黃琳老師從未缺席過。他總是通過簡單幾句點撥，讓我們茅塞頓開。討論班間隙，黃琳老師常用武俠小說中的一些情節(jié)來比喻學術(shù)中的問題或觀點，我在大開眼界的同時，對很多知識點也有了更深入的理解。”

黃琳認為，科學研究，最重要的是提出和解決問題，而不是這個問題是誰提出來、誰解決的。因此，當在研究工作中發(fā)現(xiàn)有價值的方向時，他會主動宣傳并通過聯(lián)合申請基金項目、舉辦討論班或研討會等形式請同行參與其中，希望通過合作更快地推出成果。

1992年，為了促進魯棒控制研究在中國的發(fā)展，黃琳和中國科學院研究員王恩平在河北樂亭組織了為期一周的魯棒控制暑期研討班。參加這個研討班的大部分都是青年學者，他們不僅得到了黃琳的當面指導，領(lǐng)略了他在學術(shù)上的深厚造詣和獨到見解，還體會到了良師益友般的關(guān)心。當時參加研討班的很多青年學者后來都成了這個領(lǐng)域的杰出人才。

堅守學術(shù)一線

20世紀50年代，托洛依茨基在指導中國年輕教師開展研究工作時曾布置了這樣一個題目：給定一個控制系統(tǒng)，并以系統(tǒng)狀態(tài)的平方積分作為評價指標，其積分指標采用兩種不同形式，通過選擇最佳參數(shù)來分析兩種指標的實際效果。針對這種解析形式的平方積分指標，能否給出一般性的理論，這是當時國際學界十分關(guān)心的問題。黃琳敏銳地注意到系統(tǒng)指標平方積分評價和李亞普諾夫方法之間的聯(lián)系，于1963年帶領(lǐng)鄭應(yīng)平、張迪兩個六年制大學生一起解決了這一問題，建立了二次型最優(yōu)控制的存在性、唯一性、線性控制律以及求解的迭代方法，并得到了單輸入線性系統(tǒng)的極點配置定理——這一研究成果早于國際類似結(jié)果近三年。由于相關(guān)研究成果是用中文發(fā)表的，文章在當時并沒有引起國際學界的重視。2014年7月，國際自動控制聯(lián)合會（IFAC）推選黃琳為會士（IFAC Fellow），他在這方面的貢獻被正式列為推選理由之一。時隔半個世紀，中國早年在控制科學研究領(lǐng)域的貢獻終于得到了國際認可和高度肯定。

1985年，黃琳赴美國訪學，結(jié)識了從事控制系統(tǒng)理論研究的霍洛特（C.V. Hollot）教授。經(jīng)過一年的合作，他們給出了有關(guān)參數(shù)不確定性魯棒控制的結(jié)果，提出了著名的棱邊定理。棱邊定理將參數(shù)空間中凸多面體的穩(wěn)定性判定問題轉(zhuǎn)化為其一維突出棱邊的穩(wěn)定性判定問題，從維數(shù)的角度已是最低，從而大大降低了計算量。這一結(jié)果對參數(shù)不確定性系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性研究作了重大推進，被視作具有里程碑意義的成果，廣被引用。

回到北大，黃琳迅速組建起以魯棒分析為主要方向的研究團隊。從20世紀90年代開始，黃琳和他的團隊經(jīng)常在他家那間并不很大的書房中展開熱烈而富有成效的討論，在多項式族穩(wěn)定性方面探索出了一批更為基本而深刻的研究成果——從方法論的高度利用集值映射等手段，給出了邊界定理及等價族的概念，由此很容易得到棱邊定理、哈利托諾夫定理和菱形族定理，為這些已存在的重要成果提供了一個共同的、一般性的基礎(chǔ)。

2006年，年過七旬的黃琳仍然奮戰(zhàn)在學術(shù)攻關(guān)一線。這一年，他應(yīng)邀參加了在新疆馬蘭舉行的“兩彈結(jié)合”試驗成功40周年慶祝活動。活動過后，黃琳心情非常激動，決心把科研方向轉(zhuǎn)到結(jié)合國家重大需求的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究。

此后，黃琳帶領(lǐng)他的團隊開始進行高超聲速飛行器的研究。他回憶：“當時有些單位仍然用傳統(tǒng)的工程辦法去做這項研究，但不能實現(xiàn)有效的控制。我們北大團隊事先做了周密的準備，以非傳統(tǒng)的方法最終一飛成功。”黃琳團隊的研究成果被研發(fā)單位認為“在我國高超聲速飛行器控制器設(shè)計和實現(xiàn)試驗飛行上起到了理論和方法的支撐作用”。

2010年，黃琳牽頭申請的國家自然科學基金重點項目“近空間高超聲速飛行器自主協(xié)調(diào)控制研究”獲批。該項目以近空間高超聲速飛行器為背景，以解決飛行器以高超聲速在近空間飛行帶來的特殊飛行控制問題為目的，對飛行自主協(xié)調(diào)控制方面所涉及的一些重要科學問題展開深入研究，通過研究新理論、探索新機制、建立新方法，取得了一批有價值的成果。

2011年，中國科學院信息技術(shù)科學部決定，依托北京大學、由黃琳領(lǐng)銜開展控制科學發(fā)展戰(zhàn)略研究。在黃琳的組織下，14位兩院院士、近百位來自各研究領(lǐng)域?qū)＜覍W者參與了這一工作。項目召開了各種研討會、工作會議近30次，其中，中國科學院信息技術(shù)科學部兩次參與主辦“控制科學的前沿與挑戰(zhàn)”技術(shù)科學論壇。經(jīng)過兩年多努力，項目組圓滿完成了任務(wù)，并由科學出版社出版了專著《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略——控制科學》。

生于抗戰(zhàn)年代，黃琳在病痛和顛沛流離中長大；成年以后，他的科研之路也是崎嶇不平。但黃琳始終堅信久久為功，從不放棄。面對困難，他會想出各種辦法努力克服，終于憑借過人的勤奮，在基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域不斷開辟新天地，為國家重大戰(zhàn)略貢獻自己的智慧。如今，黃琳90歲高齡了，對于中國控制科學的未來，他充滿期待。

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