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自动控制发展的历程 王广雄-第2章

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档模笔笔俏际玻╒annevar Bush),后来他是美国总统的科学顾问,原来就是搞自动控制的,他设计了这个微分分析仪,现在叫模拟机。尼可尔斯(Nichols)就在这个模拟机上做了大量的仿真实验,最后列出来这个PID的整定表,50年过去了现在大家还在用。有一样工作50年不变的就是这个PID整定表,现在还在用,就是尼可尔斯(Nichols)发明的。

    所以这个呢。因为他的工作才能,当时MIT(麻省理工学院),还有一个飞机机载雷达的控制系统在调试。调试不下来,老出问题。从现在看呢!也就是我们现在说的叫频带问题,调不出来,他在仪器厂,与MIT(麻省理工学院)不在一个地方。他是来做仿真实验,模拟机实验,完了呢!也参加了一些讨论,结果他发表了很多观点,提出了好多方法。结果MIT(麻省理工学院)把他看上了,就要他留下来,别回到调节器工厂那儿去了,所以PID的整定方法提出来以后,他就留在MIT(麻省理工学院),做了很多伺服系统的工作。

    这个是最后的,战争结束以后,他们才把工作展现出来。这一本书呢,现在是一本经典著作,当时我们国家解放了,当时这些资料都没有,我们只能是看到俄文的。俄文的是1953年翻译出来的。

    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
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