【ZiDongHua 之人文化天下收錄關(guān)鍵詞： 控制理論  蒸汽機(jī)  信息科學(xué)  系統(tǒng)科學(xué)】

　　

　　控制理論發(fā)展的歷史啟示

 

　　

　　郭雷（中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)士） | 作者

　　

　　CAA會(huì)員服務(wù) | 來(lái)源

　　

　　控制理論處于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信和工程科學(xué)相互作用的前沿，是自動(dòng)化的關(guān)鍵與基礎(chǔ)，是信息科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)的重要組成部分，有些內(nèi)容也可以同時(shí)歸為應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域。控制理論區(qū)別于其他學(xué)科的一個(gè)核心概念是反饋。雖然前饋的概念也很重要，并且在控制系統(tǒng)中往往同時(shí)具有前饋和反饋機(jī)制，但是反饋機(jī)制能夠有效地應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外各種不確定性因素的影響。正因?yàn)槿绱耍答佉彩侵悄苄袨榈囊粋€(gè)關(guān)鍵特征。像物理學(xué)定律一樣，反饋原理在科學(xué)、技術(shù)與工程中也具有基本的重要性。歷史上，反饋的有效利用常常對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響，同時(shí)也催生和推動(dòng)了控制理論方法的誕生和發(fā)展。關(guān)于控制理論的歷史發(fā)展，下面主要談幾點(diǎn)啟示。

　　

　　一、控制理論誕生和發(fā)展的源泉

　　

　　重大實(shí)際需求是控制理論誕生和發(fā)展的源泉，盡管這是顯然的，但我們?nèi)詫⒂萌齻€(gè)典型例子來(lái)具體說(shuō)明。

　　

　　第一個(gè)著名例子是瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)。1782年，瓦特發(fā)明了其“核心技術(shù)”：用離心調(diào)速器來(lái)反饋控制蒸汽機(jī)速度，從而使蒸汽機(jī)可以大規(guī)模應(yīng)用，成為英國(guó)工業(yè)革命的主要象征。1868年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表的《論調(diào)節(jié)器》，最早把調(diào)速器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用微分方程來(lái)描述，導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。麥克斯韋可謂歷史上首位“控制理論學(xué)家”。而如何根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)來(lái)判定其穩(wěn)定性是控制理論的一項(xiàng)重要內(nèi)容，如Routh-Hurwitz判據(jù)、Kharitonov定理等。

　　

　　第二個(gè)著名例子是反饋放大器。由于電信號(hào)隨傳送距離的增加而逐漸減，需要用放大器將信號(hào)放大繼續(xù)傳送，而放大器的非線性往往導(dǎo)致信縣理直，放大器在將信號(hào)放大的同時(shí)，也會(huì)把噪聲和失真放大。20世紀(jì)30年體H.S.Black發(fā)明的負(fù)反饋放大器對(duì)遠(yuǎn)距離通信做出了重要貢獻(xiàn)。關(guān)于反健大器穩(wěn)定性問(wèn)題的研究，導(dǎo)致了Nyquist-Bode-Evans等著名的頻域分析與設(shè)計(jì)方法的誕生。

　　

　　第三個(gè)著名例子是濾波器。在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力控制和雷達(dá)噪聲濾波問(wèn)題，維納提出并定義了濾波問(wèn)題，建立了平穩(wěn)隨機(jī)值號(hào)的維納濾波理論。后來(lái)，基于狀態(tài)空間描述而建立的Kalman濾波理論在很大程度上突破了維納濾波理論的局限，在航空航天、通信與信號(hào)處理等眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。時(shí)至今日，濾波理論 (特別是非線性濾波理論等) 仍是控制理論等領(lǐng)域的重要研究問(wèn)題。

　　

　　二、推動(dòng)控制理論發(fā)展的關(guān)鍵

　　

　　眾所周知，控制理論的發(fā)展密切依賴于數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，甚至反過(guò)來(lái)還可以推動(dòng)數(shù)學(xué)自身的發(fā)展。Kalman 在總結(jié)自己的研究體會(huì)時(shí)曾說(shuō)，“首先要 (使所研究的問(wèn)題) 有正確的物理意義，之后就全是數(shù)學(xué)的事情了”，這句話很有道理。從控制學(xué)科自身來(lái)講，它有豐富的科學(xué)內(nèi)涵和獨(dú)特的研究問(wèn)題，數(shù)學(xué)理論的恰當(dāng)運(yùn)用和數(shù)學(xué)方法的創(chuàng)新雖然很重要，但是理論結(jié)果是否具有重要的控制科學(xué)意義才是最關(guān)鍵的。因此，提出原創(chuàng)性的基本概念和問(wèn)題創(chuàng)造有生命力的控制方法，應(yīng)該是最重要的創(chuàng)新。例如，現(xiàn)代控制論奠基人 Kalman 提出狀態(tài)空間法和“能控性、能觀性”等重要概念?？刂频膭?chuàng)始人 Zames 提出的“魯棒性”概念等。

　　

　　三、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步

　　

　　對(duì)控制理論的發(fā)展有重大影響

　　

　　控制理論作為一門方法性的學(xué)科，毫無(wú)疑問(wèn)，在其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。另外，其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷提供控制理論發(fā)展的需求和問(wèn)題來(lái)源，在面對(duì)各種具體的實(shí)際挑戰(zhàn)性問(wèn)題時(shí)，控制理論在不斷開(kāi)拓中發(fā)展自己。歷史上，控制論創(chuàng)始人維納的名著《控制論》，就是多學(xué)科 (特別是電子工程學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)) 交叉的產(chǎn)物，反過(guò)來(lái)，又影響了信息處理、模式識(shí)別等其他領(lǐng)域的發(fā)展。在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)控制理論發(fā)展的影響是最直接的，已經(jīng)深入到建模、分析、設(shè)計(jì)、求解和模擬的全過(guò)程，既影響研究方式，又影響研究結(jié)果。近年來(lái)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)控制理論提出了一系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題，其影響是有目共睹的。我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制理論的研究模式還會(huì)繼續(xù)受其影響。

　　

　　四、控制理論自身發(fā)展局限

　　

　　與時(shí)代發(fā)展需求并存

　　

　　控制理論盡管取得了深入和廣泛的進(jìn)展，并在科技和社會(huì)中產(chǎn)生了廣泛影響，但無(wú)論是理論自身還是面向?qū)嶋H需求，都還有許多局限并面臨發(fā)展挑戰(zhàn)。特別地，目前控制理論中證明的絕大多數(shù)結(jié)論主要還是針對(duì)相對(duì)理想化的數(shù)學(xué)模型的控制理論。面對(duì)時(shí)代需求和歷史機(jī)遇，無(wú)論是控制理論自身的結(jié)論還是控制理論目前的框架，都需要大力發(fā)展。例如，隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)不斷向極端條件和系統(tǒng)復(fù)雜性發(fā)出挑戰(zhàn)，基于傳統(tǒng)方法所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在精度、速度和可靠性等方面都難以滿足更新更高的要求了，這迫切需要控制理論不斷深化自身的發(fā)展。其次，控制理論的傳統(tǒng)研究范式也需要隨著科學(xué)技術(shù)的變化而變化甚至變革。例如，如何適應(yīng)大數(shù)據(jù)等信息時(shí)代的要求發(fā)展新一代控制理論？如何面對(duì)越來(lái)越智能化的復(fù)雜系統(tǒng)，擴(kuò)展控制理論的研究范圍乃至框架？再者，在復(fù)雜系統(tǒng)越來(lái)越成為眾多科學(xué)領(lǐng)域研究前沿的趨勢(shì)下，如何與不同領(lǐng)域?qū)W者合作研究相關(guān)重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題？這些都是控制理論應(yīng)該面對(duì)的重要挑戰(zhàn)。

　　

　　學(xué)者簡(jiǎn)介

 

　　

　　郭雷，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)士，現(xiàn)任中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院特聘研究員、中科院國(guó)家數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)中心主任、中國(guó)工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)顧問(wèn)委員會(huì)主任。曾任中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院院長(zhǎng)，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第八屆和第九屆理事會(huì)副理事長(zhǎng)、第十屆和第十屆理事會(huì)特別顧問(wèn)，中國(guó)工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)第五屆和第六屆理事會(huì)理事長(zhǎng)，2015年第八屆國(guó)際工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)大會(huì)主席。他是美國(guó)IEEE會(huì)士，中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，瑞典皇家工程科學(xué)院外籍院士，國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)會(huì)士，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)士，瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）榮譽(yù)博士。2019年他因?yàn)?quot;在自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)信號(hào)處理、隨機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的根本性和實(shí)際性貢獻(xiàn)”而獲得IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)頒發(fā)的波德獎(jiǎng)（Hendrik W. Bode Lecture Prize），并應(yīng)邀在法國(guó)舉行的lEEE控制與決策大會(huì)（CDC）上作唯一的大會(huì)報(bào)告——波德講座（ Bode Lecture），是獲此國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)榮譽(yù)的首位華人科學(xué)家。

　　

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