主講人簡(jiǎn)介
王廣雄，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授。1953年從上?？既牍枮I工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后留校任教，是我國(guó)自動(dòng)控制領(lǐng)域的著名專家。發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，出版專業(yè)著作數(shù)本。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
我今天的講座就是講自動(dòng)控制的發(fā)展，從開始階段的發(fā)生到形成一個(gè)控制理論，講整個(gè)這個(gè)進(jìn)程。我們今天主要把這個(gè)過(guò)程，怎么從個(gè)別的技術(shù)最后形成一門學(xué)科，這個(gè)學(xué)科分成幾個(gè)階段，給大家介紹了一下。
自動(dòng)控制是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下自動(dòng)進(jìn)行操作，它是圍繞著工業(yè)生產(chǎn)的需要而形成和發(fā)展起來(lái)的，已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)方面。自動(dòng)控制我比較是有這么一個(gè)觀點(diǎn)：你不能光從搞控制的人來(lái)說(shuō)，我能想出一些方向，我就指給你往前走，我能解決你好多問(wèn)題。我舉例子來(lái)說(shuō)，瓦特的離心調(diào)速器，這個(gè)控制系統(tǒng)，是先有調(diào)速器，先有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定了，出了問(wèn)題去解決它。就是說(shuō)首先是技術(shù)推進(jìn)它的，這是一個(gè)大方向。自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展是受到當(dāng)時(shí)很多技術(shù)的影響，受到好多的一些知識(shí)的積累，各方面的知識(shí)積累，受到啟發(fā)，才最終發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。
所以我的想法，你從大的來(lái)說(shuō)，這個(gè)控制首先應(yīng)該是工業(yè)上有需要，有工作基礎(chǔ)才想出來(lái)的。所以我總覺(jué)得呢，我都要跟著工業(yè)發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)程，一點(diǎn)一點(diǎn)往前進(jìn)。上面就是我主要介紹的一些內(nèi)容，我這里要說(shuō)的呢，就是這里邊包括一些年份，有些事實(shí)，這個(gè)都是有據(jù)可查的，不是我瞎說(shuō)的。但是這里邊對(duì)人的評(píng)論，一些觀點(diǎn)可能就是我的，所以假如有說(shuō)錯(cuò)的希望大家批評(píng)指正。我主要介紹的內(nèi)容就這些，謝謝大家。
全文
我今天的講座就是講自動(dòng)控制的發(fā)展。從開始階段的發(fā)生到形成一個(gè)控制理論，講整個(gè)這個(gè)進(jìn)程。我們講自動(dòng)控制就是指這樣的反饋控制系統(tǒng)，這是有一個(gè)控制器跟一個(gè)控制對(duì)象組成的，把這個(gè)控制對(duì)象的輸出信號(hào)把它取回來(lái)，測(cè)量回來(lái)以后跟所要求的信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)這誤差告訴控制器，這就是機(jī)器內(nèi)部的工作了。讓控制器完成這個(gè)控制作用，使得這個(gè)偏差消除或者說(shuō)使得控制對(duì)象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號(hào)。控制對(duì)象的輸出量一般來(lái)說(shuō)都是一個(gè)物理量，比如說(shuō)我控制一個(gè)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測(cè)量出來(lái)，才能進(jìn)行控制。
自動(dòng)控制系統(tǒng)，從一開始出現(xiàn)的時(shí)候，大家假如接觸到這門學(xué)科的話，可能都知道是瓦特的離心調(diào)速器。這是離心調(diào)速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調(diào)速器呢？就是有兩個(gè)飛球，一轉(zhuǎn)起來(lái)以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，這個(gè)下面的套筒就往上升，這個(gè)套筒在移動(dòng)，就帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。
實(shí)際上這個(gè)離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它實(shí)際上不是瓦特的發(fā)明。這是什么呢？就是在那個(gè)時(shí)期，大家看到風(fēng)力磨坊就是相當(dāng)于離心調(diào)速器的那個(gè)飛球，實(shí)際上在那個(gè)時(shí)候，已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是發(fā)明了蒸汽機(jī)，用了這樣的一個(gè)調(diào)速器，但是現(xiàn)在很多人都愿意把這個(gè)離心調(diào)速器，掛在瓦特的名下。所以一般的書上，大家看到的是瓦特的離心調(diào)速器，你要看正式的書，假如材料寫的確切的話，只說(shuō)1788年前后，不確切說(shuō)哪一天的年代，因?yàn)椴皇撬l(fā)明的。就是說(shuō)一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并不是一個(gè)人，就是說(shuō)瓦特又能發(fā)明蒸汽機(jī)又能發(fā)明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，好像什么都是他發(fā)明的，實(shí)際上他也利用了前人的很多知識(shí)的積累。這是1788年，隨后大概有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動(dòng)控制系統(tǒng)就是個(gè)離心調(diào)速器，當(dāng)時(shí)主要就是個(gè)蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，沒(méi)有別的類型，后來(lái)進(jìn)到二十世紀(jì)，就是出現(xiàn)了飛機(jī)。大家可能知道的，斯佩雷(Sperry)發(fā)明了陀螺，他想辦法把陀螺做成一個(gè)自動(dòng)駕駛儀。
現(xiàn)在再一個(gè)報(bào)道，就是1925年到1940年之間斯佩雷(Sperry)的那個(gè)工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是這樣的。它這個(gè)火力控制，這里一大堆人的地方，這是它主要的核心部分，叫火控指揮儀?；鹂刂笓]儀是指什么意思呢？根據(jù)飛機(jī)的方位角、高低角，飛機(jī)在飛還有一個(gè)前置角，打前置角，把這個(gè)呢，控制火炮，告訴火炮。就是這個(gè)地方是它的指揮儀，等到火力控制的地方，這里站了三個(gè)人，當(dāng)時(shí)的術(shù)語(yǔ)叫人工伺服，三個(gè)人，為什么三個(gè)人呢，一個(gè)方位角，一個(gè)高低角，還有一個(gè)引信。因?yàn)樗菚r(shí)候還要算出來(lái)，就是要指揮儀算，算出來(lái)我炮彈飛到你飛機(jī)的時(shí)候，需要多少時(shí)間。引信就是指一個(gè)定時(shí)器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以需要這三方面的高低角、方位角，再加上定時(shí)爆炸，才能把飛機(jī)打掉。這是1940年前的，這個(gè)是美國(guó)的火力控制的情況。但是到真正我們核心搞控制的人來(lái)說(shuō)，火炮控制部分是人工伺服，human servo.這個(gè)就是當(dāng)時(shí)的斯佩雷(Sperry)公司搞的，主要它的工作就是這個(gè)指揮儀。這個(gè)指揮儀怎么工作，大家可以看到，這個(gè)火炮上站著的，圍著指揮儀是一幫人。當(dāng)時(shí)是1940年前后，所以這個(gè)人站在上面都是很危險(xiǎn)的，因?yàn)樯厦鏀橙孙w機(jī)過(guò)來(lái)，是這么一個(gè)情況。到了1940年以后，火力控制系統(tǒng)發(fā)生很大的變化，你看這上面人已經(jīng)很少了。這個(gè)變化是誰(shuí)搞的呢？這里有一個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)室里邊的一個(gè)年輕的工程師帕金森(Parkinson)，只有29歲。就是一個(gè)一般的技術(shù)員，當(dāng)時(shí)是一般技術(shù)員，他做了一個(gè)夢(mèng)，他這個(gè)夢(mèng)在所有的正式文件里邊都承認(rèn)，他是一個(gè)什么情況呢？這個(gè)帕金森(Parkinson)，他就是一個(gè)低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計(jì)，就是1940年那天晚上他做了一個(gè)夢(mèng)。他夢(mèng)到用電位計(jì)控制的記錄筆也可以控制火炮的發(fā)射，他這個(gè)夢(mèng)就促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。
好，現(xiàn)在再回過(guò)來(lái)，我稍微舉兩個(gè)實(shí)際上我們現(xiàn)在要用到的一些例子。大家看到這是硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里邊就是個(gè)伺服系統(tǒng)，大家不要小看這個(gè)伺服系統(tǒng)，硬盤伺服系統(tǒng)里邊高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，定位的精度是一個(gè)微米，在高速旋轉(zhuǎn)的氣流下，這實(shí)際上是擾動(dòng)很大的，要求高精度。這個(gè)利潤(rùn)、產(chǎn)量都非常大，每年幾百萬(wàn)套。
下面還有一個(gè)就是日常遇上的汽車的防側(cè)滑的那個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)左邊的那個(gè)圖，就是相當(dāng)于仿真計(jì)算。仿真計(jì)算往上翹的就是一般常規(guī)的汽車，這種工作不是在紙面上做的；右邊的就是照片了，就是實(shí)際上它還是做實(shí)驗(yàn)的，這些都是目前，就是跟我們生活都有關(guān)系的一些控制系統(tǒng)。
剛才講的純粹是一個(gè)技術(shù)，但是跟技術(shù)配套的理論上，還有一些什么工作。就是我們這里看的是有麥克斯維爾，就是有這幾個(gè)人了。我把這幾個(gè)人的研究介紹一下。蒸汽機(jī)的離心調(diào)速器，剛出來(lái)的時(shí)候，大家不知道有反饋的概念，所有的問(wèn)題都集中在調(diào)節(jié)器本身，一會(huì)兒說(shuō)你是調(diào)節(jié)器重量太小了，應(yīng)該大一點(diǎn)；一會(huì)兒說(shuō)這里要有個(gè)彈簧，一會(huì)兒又說(shuō)這有彈簧也不好；一會(huì)兒說(shuō)里邊因?yàn)槟Σ亮τ绊?，就一直沒(méi)有從反饋系統(tǒng)來(lái)考慮，就是單個(gè)孤立的一個(gè)控制器。麥克斯維爾把這個(gè)系統(tǒng)看作調(diào)節(jié)器，跟調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起，用微分方程來(lái)進(jìn)行研究，這是麥克斯維爾的功勞。
但是麥克斯維爾，從我們今天來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于停留在理論上。當(dāng)然他當(dāng)時(shí)不完全是純理論，他在實(shí)驗(yàn)室做了個(gè)調(diào)速器，完了進(jìn)行研究，研究了指出這微分方程的特征根在左半面或右半面跟穩(wěn)定有關(guān)系。他正式提出的，但是他解決不了，就是判別的問(wèn)題，他只能做到三階系統(tǒng)怎么判別。
1876年，俄國(guó)的維斯聶格拉斯基，他是專門搞實(shí)際研究的，他們當(dāng)時(shí)有一種直接作用調(diào)速器。就剛才說(shuō)的，一會(huì)兒說(shuō)這個(gè)有問(wèn)題，一會(huì)兒說(shuō)那個(gè)問(wèn)題，老找不到問(wèn)題，準(zhǔn)備把整個(gè)方案都要放棄了。維斯聶格拉斯基結(jié)合了他當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)，結(jié)合了他這個(gè)蒸汽機(jī)的特性，就指出來(lái)參數(shù)更應(yīng)該是怎么選擇，才能保證穩(wěn)定。維斯聶格拉斯基，就是結(jié)合工業(yè)實(shí)際，大家對(duì)他的評(píng)價(jià)很高，他就解決了當(dāng)時(shí)差不多在一種調(diào)節(jié)器就要下馬的情況，他指出來(lái)就是一個(gè)參數(shù)問(wèn)題，所以他在工業(yè)上，是立了很大的功勞。
在這個(gè)同時(shí)，1877年，大家學(xué)判據(jù)的，有個(gè)代數(shù)判據(jù)，勞斯代數(shù)判據(jù)，勞斯判據(jù)怎么來(lái)的呢？我的記憶里邊，勞斯就是麥克斯維爾的學(xué)生，就可能相當(dāng)于我們現(xiàn)在的博士生了，麥克斯維爾就是給了任務(wù)，你把方程式根的性質(zhì)給我判別一下。最后到1877年，勞斯把這個(gè)拿出來(lái)了，勞斯拿出來(lái)行列式，得到了獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)叫做亞當(dāng)獎(jiǎng)。在這個(gè)同時(shí)，1895年，胡爾維茨(Hurwitz)也在不同的情況下，不知道勞斯的情況下。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的歐洲不像現(xiàn)在學(xué)術(shù)交流這么頻繁，當(dāng)時(shí)沒(méi)有什么學(xué)術(shù)交流。我也不知道你到底搞了些什么，所以這基本上是平行的。但是胡爾維茨(Hurwitz)的不一樣，胡爾維茨(Hurwitz)解決的是瑞士達(dá)沃斯電廠的一個(gè)蒸汽機(jī)的一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就用穩(wěn)定性理論來(lái)設(shè)計(jì)。
胡爾維茨(Hurwitz)被認(rèn)為是真正用控制理論，來(lái)用到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)例子。所以我現(xiàn)在這里列出來(lái)的這四個(gè)人，兩個(gè)人是學(xué)校里的學(xué)究式的，就是麥克斯維爾跟勞斯，但是他的功勞也不能磨滅，維斯聶格拉斯基跟胡爾維茨(Hurwitz)，都是實(shí)際上出來(lái)的，就解決實(shí)際問(wèn)題，這是兩個(gè)不同的。但是最后，勞斯，胡爾維茨(Hurwitz)，都拿出來(lái)，現(xiàn)在都有用的代數(shù)判據(jù)。
在這個(gè)里邊，還有一個(gè)人，也應(yīng)該提一下的。就是我們用的是個(gè)負(fù)反饋，真正使用負(fù)反饋是誰(shuí)呢？是貝爾實(shí)驗(yàn)室的布萊克，也是一個(gè)年輕的工程師。在1927年的8月2號(hào)發(fā)明的，都有日子。怎么發(fā)明的呢？有人說(shuō)可能是靈感，一天他去上班，那時(shí)候20年代，在美國(guó)也是上下班要坐船、坐車，他坐在渡輪上面。所以這樣的話，負(fù)反饋是1927年，布萊克首先提出來(lái)的，我現(xiàn)在為什么要提呢？就是說(shuō)他到底是不是個(gè)靈感，其實(shí)推究他實(shí)際上是必然性。
布萊克已經(jīng)在這個(gè)之前，專門研究了電子振蕩器，電子振蕩器是用反饋工作的，當(dāng)然是正反饋了，所以他有這個(gè)基礎(chǔ)。完了正好這么一想，我這個(gè)線性化為什么不用這個(gè)方法呢？就是他有工作的積累，布萊克有很多用反饋原理構(gòu)成振蕩器線路的這些工作基礎(chǔ)，完了老在想這個(gè)問(wèn)題，這樣靈感就出來(lái)了，就做出來(lái)這個(gè)負(fù)反饋放大器，這是一個(gè)人，應(yīng)該要提一下。
還有下面要上的是尼可爾斯(Nichols)，我們下面還要提一下的，尼可爾斯(Nichols)，他提出來(lái)的一個(gè)，大家現(xiàn)在學(xué)控制的可能都知道，PID的整定法。整定法是尼可爾斯(Nichols)在二十世紀(jì)40年代提出來(lái)的，他做了PID，他這人很有才能，他做了PID，他想辦法把PID調(diào)出來(lái)，想辦法參數(shù)應(yīng)該怎么整定，需要用模擬機(jī)。當(dāng)時(shí)美國(guó)惟一一臺(tái)模擬機(jī)，當(dāng)時(shí)的模擬機(jī)叫微分分析儀，麻省理工學(xué)院的。這個(gè)模擬機(jī)的制造人是誰(shuí)呢？就是剛才說(shuō)的，當(dāng)時(shí)是維布什(Vannevar Bush)，后來(lái)他是美國(guó)總統(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)，原來(lái)就是搞自動(dòng)控制的，他設(shè)計(jì)了這個(gè)微分分析儀，現(xiàn)在叫模擬機(jī)。尼可爾斯(Nichols)就在這個(gè)模擬機(jī)上做了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，最后列出來(lái)這個(gè)PID的整定表，50年過(guò)去了現(xiàn)在大家還在用。有一樣工作50年不變的就是這個(gè)PID整定表，現(xiàn)在還在用，就是尼可爾斯(Nichols)發(fā)明的。
所以這個(gè)呢。因?yàn)樗墓ぷ鞑拍?，?dāng)時(shí)MIT(麻省理工學(xué)院)，還有一個(gè)飛機(jī)機(jī)載雷達(dá)的控制系統(tǒng)在調(diào)試。調(diào)試不下來(lái)，老出問(wèn)題。從現(xiàn)在看呢！也就是我們現(xiàn)在說(shuō)的叫頻帶問(wèn)題，調(diào)不出來(lái)，他在儀器廠，與MIT(麻省理工學(xué)院)不在一個(gè)地方。他是來(lái)做仿真實(shí)驗(yàn)，模擬機(jī)實(shí)驗(yàn)，完了呢！也參加了一些討論，結(jié)果他發(fā)表了很多觀點(diǎn)，提出了好多方法。結(jié)果MIT(麻省理工學(xué)院)把他看上了，就要他留下來(lái)，別回到調(diào)節(jié)器工廠那兒去了，所以PID的整定方法提出來(lái)以后，他就留在MIT(麻省理工學(xué)院)，做了很多伺服系統(tǒng)的工作。
這個(gè)是最后的，戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以后，他們才把工作展現(xiàn)出來(lái)。這一本書呢，現(xiàn)在是一本經(jīng)典著作，當(dāng)時(shí)我們國(guó)家解放了，當(dāng)時(shí)這些資料都沒(méi)有，我們只能是看到俄文的。俄文的是1953年翻譯出來(lái)的。
這個(gè)就是相當(dāng)于我們剛才說(shuō)的，逐漸的一些經(jīng)驗(yàn)都總結(jié)起來(lái)，都形成理論了。這是一本在美國(guó)出版的書。下一本呢，第二本要介紹的是錢學(xué)森的《工程控制論》。錢學(xué)森是1954年寫的書，當(dāng)時(shí)他在美國(guó)寫的書，我們這里也拿不到英文版，但是前蘇聯(lián)很重視，前蘇聯(lián)馬上把它翻成俄文。我們看到的前蘇聯(lián)是1956年把他的俄文，翻譯出來(lái)了，我們當(dāng)時(shí)看到的是俄文版，這是在大概二十世紀(jì)50年代形成過(guò)程里邊的幾個(gè)主要的過(guò)程，把經(jīng)驗(yàn)都總結(jié)出來(lái)。下一本是魯里葉(Lurie)的非線性的一個(gè)經(jīng)典著作，這個(gè)是1951年出版的魯里葉(Lurie)的那本書。魯里葉(Lurie) 在前蘇聯(lián)大概1944年他提出來(lái)，大家現(xiàn)在搞非線性可能都知道，提出來(lái)一個(gè)魯里葉問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題一直解決不了，他后來(lái)寫成書了，就是留著這問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題，開始到什么時(shí)候呢？我這里說(shuō)一下這兩個(gè)風(fēng)格，英美的剛才大家已經(jīng)聽出來(lái)了，都是搞工程的人在搞控制，前蘇聯(lián)是應(yīng)用數(shù)學(xué)家跟力學(xué)家在搞控制，所以兩個(gè)起的作用都不一樣。他這本書1951年當(dāng)時(shí)是非常難看懂的，很難讀懂。這個(gè)工作，他提出來(lái)的魯里葉(Lurie)問(wèn)題，一直到1960年才有人解決，提出來(lái)一個(gè)解決方案，大家可能知道的，就是波波夫(Popov)的絕對(duì)穩(wěn)定性。后來(lái)就提出來(lái)超穩(wěn)定性，是解決的這個(gè)魯里葉(Lurie)問(wèn)題。就是說(shuō)這本書當(dāng)時(shí)二十世紀(jì)50年代，二十世紀(jì)40年代后期，50年代初的一些工作，一直影響到二十世紀(jì)60年代，而且還影響到目前一些非線性的理論工作，都是以他這個(gè)為基礎(chǔ)。
我剛才說(shuō)的，是整個(gè)在二十世紀(jì)40年代，前面的是個(gè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，慢慢形成理論了。我現(xiàn)在接下來(lái)就是談到發(fā)展了，我習(xí)慣上用這么一個(gè)時(shí)間表來(lái)表示。50年代的時(shí)候，一般都叫經(jīng)典控制理論；60年代叫狀態(tài)空間法，實(shí)際上就是狀態(tài)空間方法，但是呢，當(dāng)時(shí)的名稱，把它叫做現(xiàn)代控制理論了；后來(lái)70年代是現(xiàn)代頻域法，這么一個(gè)過(guò)程。接下來(lái)現(xiàn)在就是要說(shuō)明一下狀態(tài)空間法，完了就叫現(xiàn)代控制理論。這個(gè)狀態(tài)空間法誰(shuí)先提出來(lái)的呢？是剛才的第三本書，前蘇聯(lián)的這些學(xué)者。他們搞應(yīng)用數(shù)學(xué)、搞力學(xué)的，他們從來(lái)就是用的是狀態(tài)空間法。1960年卡爾曼把它介紹到英語(yǔ)世界，這個(gè)世界用英語(yǔ)來(lái)說(shuō)是English speaking country ，就是說(shuō)英語(yǔ)的國(guó)家里邊去，因?yàn)楸緛?lái)大家都不知道，卡爾曼是個(gè)斯拉夫名字。他1960年的時(shí)候，他把狀態(tài)空間法介紹給美國(guó)。但是加上人為炒作，就把這個(gè)現(xiàn)代控制理論炒作得好像非常神一樣，當(dāng)時(shí)也有些人寄予希望也是比較大。這個(gè)就是發(fā)展了十年以后，就發(fā)現(xiàn)期望過(guò)大了，好像也只不過(guò)如此吧！有些問(wèn)題你也沒(méi)解決了。所以那個(gè)時(shí)候，又有人回到頻域法，就是最早50年代是頻域法，60年代狀態(tài)空間，70年代又回到頻域法。
當(dāng)然這個(gè)是螺旋上升的，這個(gè)是我們不能再講得特別細(xì)。就這個(gè)時(shí)候的頻域法就加了個(gè)名字，叫現(xiàn)代頻域法。實(shí)際上是螺旋上升，又回到頻域法。覺(jué)得頻域里邊來(lái)考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題還是比較恰當(dāng)?shù)?，考慮一些設(shè)計(jì)要求，就出現(xiàn)了這個(gè)頻域法。正好在現(xiàn)代頻域法發(fā)展的這個(gè)勢(shì)頭上的時(shí)候，1981年有人寫文章說(shuō)你這個(gè)沒(méi)有魯棒性，我們現(xiàn)在大家搞控制理論知道要魯棒設(shè)計(jì)。說(shuō)你這個(gè)現(xiàn)代頻域法沒(méi)有魯棒性，當(dāng)時(shí)人家不信、不服，經(jīng)過(guò)80年代的論證，爭(zhēng)議慢慢形成。到1991年，就是現(xiàn)在的有人當(dāng)然是你可能這個(gè)術(shù)語(yǔ)不一定統(tǒng)一，有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論，Postmodern control theory.我們現(xiàn)在就回過(guò)來(lái)看看，為什么說(shuō)這個(gè)沒(méi)有魯棒性？這個(gè)要說(shuō)到，我們從多變量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多變量系統(tǒng)實(shí)際上是多入多出系統(tǒng)。多變量不太恰當(dāng)，輸入有好多個(gè)，輸出有好多個(gè)。多變量里一個(gè)問(wèn)題，叫做耦合，就是輸入輸出之間互相耦合?？刂频臅r(shí)候，直觀的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢！就是這個(gè)1跟輸出1可以組成反饋系統(tǒng)，這個(gè)2呢！跟輸出2可以組成反饋系統(tǒng)，這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候就比較容易了。但是解耦設(shè)計(jì)是個(gè)什么概念？解耦設(shè)計(jì)實(shí)際上要求輸入輸出之間的關(guān)系，我1控制1，2控制2，用我們的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)這是響應(yīng)特性，并不表示我的反饋系統(tǒng)有些什么特點(diǎn)，有些什么要求。為了說(shuō)明這個(gè)響應(yīng)特性，我們?cè)賮?lái)看一個(gè)例子。
這是大家只要學(xué)控制的，只要和控制原理有關(guān)的課，首先碰上的一個(gè)問(wèn)題，我一個(gè)控制器跟控制對(duì)象組成個(gè)系統(tǒng)。老師一開始講的時(shí)候就這么講，完了呢，說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)等效成為一個(gè)二階系統(tǒng)，這個(gè)二階系統(tǒng)輸入是階躍的時(shí)候，我輸出是什么要求，完了零極點(diǎn)怎么配置。在談這些問(wèn)題的時(shí)候，大家注意沒(méi)有。他忽略了一個(gè)最主要的什么問(wèn)題呢？這么在講的時(shí)候把上面的一個(gè)反饋控制忘了，只談?shì)斎胼敵隽恕Ｎ译A躍你只要響應(yīng)是什么樣，完了你極點(diǎn)怎么配置。再問(wèn)個(gè)問(wèn)題，你前邊的為什么用反饋呢？沒(méi)講！這就剛才這個(gè)多入多出系統(tǒng)里邊的解耦設(shè)計(jì)也是一樣。解耦設(shè)計(jì)就是個(gè)輸入輸出的響應(yīng)要求，并不是說(shuō)沒(méi)有這個(gè)要求，但是你光有要求，就譬如我這幾點(diǎn)，我當(dāng)然是有要求，但是光有要求，你還沒(méi)談到反饋。所以就讓人給抓住了，就說(shuō)你這沒(méi)有魯棒性。因?yàn)轸敯粜跃褪歉答佒苯佑嘘P(guān)系的問(wèn)題，你反饋設(shè)計(jì)的時(shí)候就沒(méi)有考慮魯棒性，那你怎么能設(shè)計(jì)完你一定有魯棒性，那你假如有魯棒性，那是碰上的，你就是沒(méi)有考慮反饋設(shè)計(jì)的魯棒性能，就是沒(méi)有設(shè)計(jì)，就是當(dāng)時(shí)在現(xiàn)代頻域法發(fā)展的高峰的時(shí)候，就有人提出來(lái)。
但是，我看到國(guó)內(nèi)有些雜志，有人對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)還不太同意，大家可能以后會(huì)接觸到。但是主流大家都是承認(rèn)，你這個(gè)現(xiàn)代頻域法當(dāng)時(shí)提出來(lái)的是沒(méi)有考慮魯棒性。這個(gè)魯棒性是個(gè)什么問(wèn)題呢？我們看下一個(gè)圖，我們?cè)O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)候，是控制器跟數(shù)學(xué)模型。你在紙面上，用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，就是這么設(shè)計(jì)的。上面這一個(gè)反饋系統(tǒng)，你設(shè)計(jì)好了，數(shù)學(xué)模型是留在你的計(jì)算機(jī)里，你用的時(shí)候要跟下面的一個(gè)實(shí)際物理系統(tǒng)是連接，實(shí)際物理系統(tǒng)跟你數(shù)學(xué)模型總有點(diǎn)不一樣。假如我只允許你只能在我這樣的數(shù)學(xué)方程式下，系統(tǒng)是好的，那你沒(méi)用的，你做出來(lái)系統(tǒng)不能用。我們的設(shè)計(jì)要允許這兩個(gè)有差別，這個(gè)允許差別就叫有魯棒性，所以魯棒性不是我們一般數(shù)學(xué)上的問(wèn)題。就是實(shí)際上提出來(lái)的問(wèn)題，就是解決你這個(gè)設(shè)計(jì)到底能不能用的問(wèn)題。所謂我有魯棒性，就是你的設(shè)計(jì)允許有這個(gè)差別，允許有不確定性，你在紙面上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)做成控制器以后，到實(shí)際上用，照樣有這個(gè)性能，這才叫你的設(shè)計(jì)具有魯棒性。所以這個(gè)魯棒性的概念就是80年代提出來(lái)的，逐漸形成了我們現(xiàn)在說(shuō)的現(xiàn)代后控制理論。
我們把這個(gè)剛才說(shuō)的那個(gè)過(guò)程，就是把它歸成這個(gè)幾類，一個(gè)經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論，后邊現(xiàn)代后控制理論，這個(gè)里邊研究對(duì)象不一樣，一個(gè)傳遞函數(shù)，一個(gè)狀態(tài)空間模型。研究?jī)?nèi)容呢，我們講現(xiàn)在我們談的是奇異值、魯棒穩(wěn)定性的問(wèn)題，在前面的經(jīng)典的控制理論里邊，是講帶寬、講裕度，現(xiàn)代控制理論里邊是特征值、方差和范數(shù)，這些是在LQG，都是屬于現(xiàn)代控制理論的范疇，用的實(shí)際計(jì)算工具呢，就伯德(Bode)圖、奈奎斯特圖、尼可爾斯圖。
他在那本1947年麻省理工學(xué)院出的教材里邊，提出來(lái)介紹這個(gè)尼可爾斯圖，這個(gè)尼可爾斯圖從40年代到現(xiàn)在，也是有50年了。尼可爾斯50年前提出來(lái)的PID整定表，提出來(lái)設(shè)計(jì)用的尼可爾斯圖。50年后的今天還在用，還在用它來(lái)做設(shè)計(jì)，可見到他這個(gè)人的水平。為了紀(jì)念這個(gè)尼可爾斯，從1996年開始，世界自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)，就是IFAC(國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì))，專門設(shè)立了一個(gè)尼可爾斯獎(jiǎng)，專門獎(jiǎng)給設(shè)計(jì)上做出貢獻(xiàn)的人。1996年給過(guò)一個(gè)獎(jiǎng)，1999年給過(guò)獎(jiǎng)。每三年IFAC開會(huì)的時(shí)候評(píng)審一次，就知道這個(gè)尼可爾斯這個(gè)作用了。所以大家再要有機(jī)會(huì)的話，能看到他最早的這本書實(shí)際上是經(jīng)典著作。
現(xiàn)代控制理論用黎卡提方程。我們現(xiàn)在用的，現(xiàn)代后控制理論里用的是線性矩陣不等式，線性矩陣不等式的解法都是用MATLAB的軟件來(lái)解的，所以整個(gè)計(jì)算工具，就是我們考慮的對(duì)象、研究?jī)?nèi)容等等都出現(xiàn)了變化。所以有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論，我們今天主要把這個(gè)過(guò)程，怎么從個(gè)別的技術(shù)最后形成一門學(xué)科？這個(gè)學(xué)科分成幾個(gè)階段？給大家介紹了一下。
這個(gè)就是我主要介紹的一些內(nèi)容，我這里要說(shuō)的就是這里邊包括一些年份，有些事實(shí)。譬如說(shuō)他做了夢(mèng)，這個(gè)都是有據(jù)可查的，不是我瞎說(shuō)的。但是這里邊對(duì)人的評(píng)論，一些觀點(diǎn)可能就是我的，所以假如有說(shuō)錯(cuò)的希望大家批評(píng)指正。我主要介紹的內(nèi)容就這些，謝謝大家。
【提問(wèn)】聽了您剛才的介紹，我有幾個(gè)地方想向您請(qǐng)問(wèn)一下，請(qǐng)問(wèn)王教授，您剛才介紹的是自動(dòng)控制發(fā)展的歷程，那么就您個(gè)人的意見和看法，那么咱們自動(dòng)控制的未來(lái)的發(fā)展方向，有可能是哪個(gè)方向？就培養(yǎng)我們這些學(xué)生而言，我們?cè)趺礃犹岣咦约鹤陨硭刭|(zhì)來(lái)向這個(gè)方向來(lái)靠攏。
【答】自動(dòng)控制我比較是有這么一個(gè)觀點(diǎn)：你不能光從搞控制的人來(lái)說(shuō)，我能想出一些方向，我就指給你往前走，我能解決你好多問(wèn)題。我舉例子來(lái)說(shuō)，瓦特的離心調(diào)速器，這個(gè)控制系統(tǒng)是先有調(diào)速器，先有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了提高精度，把這個(gè)球做大，做大了以后，系統(tǒng)不穩(wěn)定了，出了問(wèn)題去解決它。就是說(shuō)首先是技術(shù)推進(jìn)它的，這是一個(gè)大方向，大家可能現(xiàn)在學(xué)理論，就是一些新的理論里邊，可能是最優(yōu)控制吧，Pontryagin，中文叫龐特里亞金，龐特里亞金(Pontryagin)的那個(gè)極大值原理，到底怎么產(chǎn)生的，我倒想說(shuō)說(shuō)這個(gè)過(guò)程，所以就可能知道，我搞控制的人怎么搞。
龐特里亞金(Pontryagin)的那個(gè)極大值原理，首先在1953年，前蘇聯(lián)開了一個(gè)自動(dòng)控制會(huì)議，當(dāng)時(shí)是一些搞工程技術(shù)的人員，提出最優(yōu)控制，就是我們現(xiàn)在說(shuō)的Bang-Bang(開關(guān))控制。這個(gè)是有名的人，是費(fèi)爾德鮑曼(A.A.Feldbaum)他提出的。龐特里亞金(Pontryagin)是數(shù)學(xué)家，他在控制會(huì)議上聽出點(diǎn)門道來(lái)了，他是數(shù)學(xué)所的，完了開完會(huì)以后，他把費(fèi)爾德鮑曼請(qǐng)到他們數(shù)學(xué)所做講座，講他的最優(yōu)控制。講座完了以后，1956年龐特里亞金(Pontryagin)的那個(gè)極大值原理就出來(lái)了。我就說(shuō)他數(shù)學(xué)家先能把問(wèn)題抽象出來(lái)，也跟剛才瓦特的離心調(diào)速器一樣，受到當(dāng)時(shí)很多技術(shù)的影響，受到好多的一些知識(shí)的積累，各方面的知識(shí)積累，受到啟發(fā)，才出來(lái)那個(gè)極大值原理。
所以我的想法，你從大的來(lái)說(shuō)，這個(gè)控制首先應(yīng)該是工業(yè)上有需要，就相當(dāng)于我剛才為什么要舉了一些例子呢，負(fù)反饋怎么提出來(lái)的，是這個(gè)人長(zhǎng)時(shí)間做了反饋的放大器，他有工作基礎(chǔ)才想出來(lái)的。所以我總覺(jué)得呢，我都要跟著工業(yè)發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)程，一點(diǎn)一點(diǎn)往前進(jìn)。
