2019年12月11-13日,国际控制系统领域影响最大的年度会议“IEEE决策与控制大会”(CDC’2019)在法国尼斯召开。
会议期间,IEEE控制系统学会举行了年度颁奖典礼,中国科学院数学与系统科学研究院郭雷院士因在自适应控制、系统辨识、自适应信号处理、随机系统及应用数学领域的根本性和实际性贡献,被授予2019年Hendrik W. Bode Lecture Prize(简称波德奖),并作了本次会议唯一的大会报告“波德讲座(Bode Lecture)”。
浙江大学数学学院教授蔡天新在《我的大学》之“维纳篇”中,介绍了自动控制这门学科及其创始人、曾在清华任教的美国数学神童维纳,同时也回忆了郭雷院士的求学岁月,以及他们大学时代共同的老师彭实戈院士。
1948年,美国数学家诺伯特·维纳同时出版了《控制论——关于在动物和机器中控制与通讯的科学》一书的英文版和法文版。维纳给这一复杂系统的理论起了全新的名字cybernetics,这是因为,“所有现有的术语不是过分偏重于这一方面就是过分偏重于另一方面,不能适应这个领域未来的发展。”这个词的希腊语词根意为“操舵术”,在柏拉图的著作中,常用它来表示管理的艺术。如此说来,中译名“控制论”并非维纳的本意。
维纳在麻省理工学院课堂上撰文,蔡天新(浙江大学数学学院教授)编辑,李晓明。我在山大读本科时的专业是自动控制,后来因为兴趣转移,考研时改为数论方向。这一改变虽然是在数学系内部,但还是挺大的,相当于从应用数学转到纯粹数学,与某些同学的选择刚好相反。没想到还挺顺利,以高代满分,数分和总分全系第一,英语全校第一考取了本校研究生。
在此我想介绍自动控制这门学科及其代表人物,借机重温一下当年,也算不枉此生就读过的唯一一个本科专业。
自动控制是一门跨学科的领域,起源于工程学和数学,后来也逐渐应用于各种社会科学,包括经济学、社会学、心理学、犯罪学及金融系统。山大的自动控制因为偏重理论,也叫控制理论。通常可用方框表示的控制系统主要由测量、比较、计算和修正组成,这与我们每个人的成长历程颇为相似。
控制理论的核心原理是反馈。反馈最初是生物学概念,是指一个系统(分子、细胞或种群)中能影响该系统的连续活动的过程,后来成为现代科学技术的基本概念。而控制理论中的反馈,是指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入,进而影响输出的过程。完成反馈功能的装置叫控制器,它可以是电路、机器,也可以是人脑,后者接受来自眼睛的暗示,比如关于伸出的手和要抓获的对象之间距离的信号。
控制理论最基本的特点和要求是稳定性。随着工业革命的到来,锅炉的压力问题和水温调节器应运而生,瓦特在蒸汽机上使用了离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制。另一方面,为了改善调速器的准确率所作的努力,常常会导致系统瘫痪,这就产生了稳定性问题。记得大学时学过几个稳定性判别准则,而对于无显性解的微分方程,则需用到李雅普诺夫判据。
经典控制理论适用于单输入、单输出的线性系统。在这种理论指导下,飞机上自动驾驶仪的性能得到提高,并为研制前两代导弹提供了基础,不过命中率并不高。因而非线性理论受到重视,这一理论帮助改进了上世纪五十年代的战术导弹系统。可是,随着导弹和航天技术的发展,对飞行器控制的精度要求不断提高,加上飞行器的飞行环境和任务更趋复杂,对控制系统提出了更高的要求。为满足这些要求,需要寻求新的理论来指导控制系统的设计。
就像其他科学分支一样,控制理论的发展也经历了从经典到现代两个阶段。现代控制理论是利用现代数学方法和计算机来分析复杂控制系统的新理论,适用于多输入、多输出的非线性系统。飞行器控制正是这样的系统,从60年代“阿波罗”登月,70年代“阿波罗”与“联盟”太空对接,到80年代航天飞机成功飞行,都离不了现代控制理论。
在控制精度方面,应用现代控制理论、计算机和新型元部件,洲际导弹的命中精度可由几十公里减小到一百米。