3月17日 自动控制发展的历程 王广雄-第2部分

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　　　　这个就是相当于我们刚才说的，逐渐的一些经验都总结起来，都形成理论了。这是一本在美国出版的书。下一本呢，第二本要介绍的是钱学森的《工程控制论》。钱学森是1954年写的书，当时他在美国写的书，我们这里也拿不到英文版，但是前苏联很重视，前苏联马上把它翻成俄文。我们看到的前苏联是1956年把他的俄文，翻译出来了，我们当时看到的是俄文版，这是在大概二十世纪50年代形成过程里边的几个主要的过程，把经验都总结出来。下一本是鲁里叶（Lurie）的非线性的一个经典著作，这个是1951年出版的鲁里叶（Lurie）的那本书。鲁里叶（Lurie）　在前苏联大概1944年他提出来，大家现在搞非线性可能都知道，提出来一个鲁里叶问题，这个问题一直解决不了，他后来写成书了，就是留着这问题。这个问题，开始到什么时候呢？我这里说一下这两个风格，英美的刚才大家已经听出来了，都是搞工程的人在搞控制，前苏联是应用数学家跟力学家在搞控制，所以两个起的作用都不一样。他这本书1951年当时是非常难看懂的，很难读懂。这个工作，他提出来的鲁里叶（Lurie）问题，一直到1960年才有人解决，提出来一个解决方案，大家可能知道的，就是波波夫（Popov）的绝对稳定性。后来就提出来超稳定性，是解决的这个鲁里叶（Lurie）问题。就是说这本书当时二十世纪50年代，二十世纪40年代后期，50年代初的一些工作，一直影响到二十世纪60年代，而且还影响到目前一些非线性的理论工作，都是以他这个为基础。

　　　　我刚才说的，是整个在二十世纪40年代，前面的是个技术的发展过程，慢慢形成理论了。我现在接下来就是谈到发展了，我习惯上用这么一个时间表来表示。50年代的时候，一般都叫经典控制理论；　60年代叫状态空间法，实际上就是状态空间方法，但是呢，当时的名称，把它叫做现代控制理论了；后来70年代是现代频域法，这么一个过程。接下来现在就是要说明一下状态空间法，完了就叫现代控制理论。这个状态空间法谁先提出来的呢？是刚才的第三本书，前苏联的这些学者。他们搞应用数学、搞力学的，他们从来就是用的是状态空间法。1960年卡尔曼把它介绍到英语世界，这个世界用英语来说是English　speaking　country　，就是说英语的国家里边去，因为本来大家都不知道，卡尔曼是个斯拉夫名字。他1960年的时候，他把状态空间法介绍给美国。但是加上人为炒作，就把这个现代控制理论炒作得好像非常神一样，当时也有些人寄予希望也是比较大。这个就是发展了十年以后，就发现期望过大了，好像也只不过如此吧！有些问题你也没解决了。所以那个时候，又有人回到频域法，就是最早50年代是频域法，60年代状态空间，70年代又回到频域法。

　　　　当然这个是螺旋上升的，这个是我们不能再讲得特别细。就这个时候的频域法就加了个名字，叫现代频域法。实际上是螺旋上升，又回到频域法。觉得频域里边来考虑设计问题还是比较恰当的，考虑一些设计要求，就出现了这个频域法。正好在现代频域法发展的这个势头上的时候，1981年有人写文章说你这个没有鲁棒性，我们现在大家搞控制理论知道要鲁棒设计。说你这个现代频域法没有鲁棒性，当时人家不信、不服，经过80年代的论证，争议慢慢形成。到1991年，就是现在的有人当然是你可能这个术语不一定统一，有人把它叫做现代后控制理论，Postmodern　control　theory。我们现在就回过来看看，为什么说这个没有鲁棒性？这个要说到，我们从多变量系统来说，多变量系统实际上是多入多出系统。多变量不太恰当，输入有好多个，输出有好多个。多变量里一个问题，叫做耦合，就是输入输出之间互相耦合。控制的时候，直观的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢！就是这个1跟输出1可以组成反馈系统，这个2呢！跟输出2可以组成反馈系统，这个设计的时候就比较容易了。但是解耦设计是个什么概念？解耦设计实际上要求输入输出之间的关系，我1控制1，2控制2，用我们的术语来说这是响应特性，并不表示我的反馈系统有些什么特点，有些什么要求。为了说明这个响应特性，我们再来看一个例子。

　　　　这是大家只要学控制的，只要和控制原理有关的课，首先碰上的一个问题，我一个控制器跟控制对象组成个系统。老师一开始讲的时候就这么讲，完了呢，说这个系统等效成为一个二阶系统，这个二阶系统输入是阶跃的时候，我输出是什么要求，完了零极点怎么配置。在谈这些问题的时候，大家注意没有。他忽略了一个最主要的什么问题呢？这么在讲的时候把上面的一个反馈控制忘了，只谈输入输出了。我阶跃你只要响应是什么样，完了你极点怎么配置。再问个问题，你前边的为什么用反馈呢？没讲！这就刚才这个多入多出系统里边的解耦设计也是一样。解耦设计就是个输入输出的响应要求，并不是说没有这个要求，但是你光有要求，就譬如我这几点，我当然是有要求，但是光有要求，你还没谈到反馈。所以就让人给抓住了，就说你这没有鲁棒性。因为鲁棒性就是跟反馈直接有关系的问题，你反馈设计的时候就没有考虑鲁棒性，那你怎么能设计完你一定有鲁棒性，那你假如有鲁棒性，那是碰上的，你就是没有考虑反馈设计的鲁棒性能，就是没有设计，就是当时在现代频域法发展的高峰的时候，就有人提出来。

　　　　但是，我看到国内有些杂志，有人对这个观点还不太同意，大家可能以后会接触到。但是主流大家都是承认，你这个现代频域法当时提出来的是没有考虑鲁棒性。这个鲁棒性是个什么问题呢？我们看下一个图，我们设计控制系统的时候，是控制器跟数学模型。你在纸面上，用计算机设计的时候，就是这么设计的。上面这一个反馈系统，你设计好了，数学模型是留在你的计算机里，你用的时候要跟下面的一个实际物理系统是连接，实际物理系统跟你数学模型总有点不一样。假如我只允许你只能在我这样的数学方程式下，系统是好的，那你没用的，你做出来系统不能用。我们的设计要允许这两个有差别，这个允许差别就叫有鲁棒性，所以鲁棒性不是我们一般数学上的问题。就是实际上提出来的问题，就是解决你这个设计到底能不能用的问题。所谓我有鲁棒性，就是你的设计允许有这个差别，允许有不确定性，你在纸面上设计的系统做成控制器以后，到实际上用，照样有这个性能，这才叫你的设计具有鲁棒性。所以这个鲁棒性的概念就是80年代提出来的，逐渐形成了我们现在说的现代后控制理论。

　　　　我们把这个刚才说的那个过程，就是把它归成这个几类，一个经典控制理论，现代控制理论，后边现代后控制理论，这个里边研究对象不一样，一个传递函数，一个状态空间模型。研究内容呢，我们讲现在我们谈的是奇异值、鲁棒稳定性的问题，在前面的经典的控制理论里边，是讲带宽、讲裕度，现代控制理论里边是特征值、方差和范数，这些是在LQG，都是属于现代控制理论的范畴，用的实际计算工具呢，就伯德（Bode）图、奈奎斯特图、尼可尔斯图。

　　　　他在那本1947年麻省理工学院出的教材里边，提出来介绍这个尼可尔斯图，这个尼可尔斯图从40年代到现在，也是有50年了。尼可尔斯50年前提出来的PID整定表，提出来设计用的尼可尔斯图。50年后的今天还在用，还在用它来做设计，可见到他这个人的水平。为了纪念这个尼可尔斯，从1996年开始，世界自动控制联合会，就是IFAC（国际自动控制联合会），专门设立了一个尼可尔斯奖，专门奖给设计上做出贡献的人。1996年给过一个奖，1999年给过奖。每三年IFAC开会的时候评审一次，就知道这个尼可尔斯这个作用了。所以大家再要有机会的话，能看到他最早的这本书实际上是经典著作。

　　　　现代控制理论用黎卡提方程。我们现在用的，现代后控制理论里用的是线性矩阵不等式，线性矩阵不等式的解法都是用MATLAB的软件来解的，所以整个计算工具，就是我们考虑的对象、研究内容等等都出现了变化。所以有人把它叫做现代后控制理论，我们今天主要把这个过程，怎么从个别的技术最后形成一门学科？这个学科分成几个阶段？给大家介绍了一下。

　　　　这个就是我主要介绍的一些内容，我这里要说的就是这里边包括一些年份，有些事实。譬如说他做了梦，这个都是有据可查的，不是我瞎说的。但是这里边对人的评论，一些观点可能就是我的，所以假如有说错的希望大家批评指正。我主要介绍的内容就这些，谢谢大家。

　　　　提问：听了您刚才的介绍，我有几个地方想向您请问一下，请问王教授，您刚才介绍的是自动控制发展的历程，那么就您个人的意见和看法，那么咱们自动控制的未来的发展方向，有可能是哪个方向？就培养我们这些学生而言，我们怎么样提高自己自身素质来向这个方向来靠拢。

　　　　答：　　自动控制我比较是有这么一个观点：你不能光从搞控制的人来说，我能想出一些方向，我就指给你往前走，我能解决你好多问题。我举例子来说，瓦特的离心调速器，这个控制系统是先有调速器，先有调节系统，为了提高精度，把这个球做大，做大了以后，系统不稳定了，出了问题去解决它。就是说首先是技术推进它的，这是一个大方向，大家可能现在学理论，就是一些新的理论里边，可能是最优控制吧，Pontryagin，中文叫庞特里亚金，庞特里亚金（Pontryagin）的那个极大值原理，到底怎么产生的，我倒想说说这个过程，所以就可能知道，我搞控制的人怎么搞。

　　　　庞特里亚金（Pontryagin）的那个极大值原理，首先在1953年，前苏联开了一个自动控制会议，当时是一些搞工程技术的人员，提出最优控制，就是我们现在说的Bang…Bang（开关）控制。这个是有名的人，是费尔德鲍曼（A。A。Feldbaum）他提出的。庞特里亚金（Pontryagin）是数学家，他在控制会议上听出点门道来了，他是数学所的，完了开完会以后，他把费尔德鲍曼请到他们数学所做讲座，讲他的最优控制。讲座完了以后，1956年庞特里亚金（Pontryagin）的那个极大值原理就出来了。我就说他数学家先能把问题抽象出来，也跟刚才瓦特的离心调速器一样，受到当时很多技术的影响，受到好多的一些知识的积累，各方面的知识积累，受到启发，才出来那个极大值原理。

　　　　所以我的想法，你从大的来说，这个控制首先应该是工业上有需要，就相当于我刚才为什么要举了一些例子呢，负反馈怎么提出来的，是这个人长时间做了反馈的放大器，他有工作基础才想出来的。所以我总觉得呢，我都要跟着工业发展，技术的进程，一点一点往前进。

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