【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（中國科學(xué)院院士、中國自動化學(xué)會會士） | 作者
　　
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　　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)容也可以同時歸為應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域?？刂评碚搮^(qū)別于其他學(xué)科的一個核心概念是反饋。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)對系統(tǒng)內(nèi)外各種不確定性因素的影響。正因?yàn)槿绱?，反饋也是智能行為的一個關(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工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響，同時也催生和推動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€典型例子來具體說明。
　　
　　第一個著名例子是瓦特發(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，成為英國工業(yè)革命的主要象征。1868年，英國物理學(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)動狀態(tài)用微分方程來描述，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。
　　
　　第二個著名例子是反饋放大器。由于電信號隨傳送距離的增加而逐漸減，需要用放大器將信號放大繼續(xù)傳送，而放大器的非線性往往導(dǎo)致信縣理直，放大器在將信號放大的同時，也會把噪聲和失真放大。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)噪聲濾波問題，維納提出并定義了濾波問題，建立了平穩(wěn)隨機(jī)值號的維納濾波理論。后來，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)域的重要研究問題。
　　
　　二、推動控制理論發(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，甚至反過來還可以推動數(shù)學(xué)自身的發(fā)展。Kalman 在總結(jié)自己的研究體會時曾說，“首先要 (使所研究的問題) 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)科自身來講，它有豐富的科學(xué)內(nèi)涵和獨(dú)特的研究問題，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。控制的創(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，毫無疑問，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)展的需求和問題來源，在面對各種具體的實(shí)際挑戰(zhàn)性問題時，控制理論在不斷開拓中發(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，反過來，又影響了信息處理、模式識別等其他領(lǐng)域的發(fā)展。在過去半個世紀(jì)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步對控制理論發(fā)展的影響是最直接的，已經(jīng)深入到建模、分析、設(shè)計(jì)、求解和模擬的全過程，既影響研究方式，又影響研究結(jié)果。近年來，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對控制理論提出了一系列挑戰(zhàn)性問題，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繼續(xù)受其影響。
　　
　　四、控制理論自身發(fā)展局限
　　
　　與時代發(fā)展需求并存
　　
　　控制理論盡管取得了深入和廣泛的進(jìn)展，并在科技和社會中產(chǎn)生了廣泛影響，但無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)論主要還是針對相對理想化的數(shù)學(xué)模型的控制理論。面對時代需求和歷史機(jī)遇，無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)等信息時代的要求發(fā)展新一代控制理論？如何面對越來越智能化的復(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)越來越成為眾多科學(xué)領(lǐng)域研究前沿的趨勢下，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)問題？這些都是控制理論應(yīng)該面對的重要挑戰(zhàn)。
　　
　　學(xué)者簡介
 
　　
　　郭雷，中國科學(xué)院院士、中國自動化學(xué)會會士，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、中科院國家數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)中心主任、中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會顧問委員會主任。曾任中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院院長，中國自動化學(xué)會第八屆和第九屆理事會副理事長、第十屆和第十屆理事會特別顧問，中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會第五屆和第六屆理事會理事長，2015年第八屆國際工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)大會主席。他是美國IEEE會士，中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，瑞典皇家工程科學(xué)院外籍院士，國際自動控制聯(lián)合會會士，中國自動化學(xué)會會士，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、自適應(yīng)信號處理、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)會頒發(fā)的波德獎（Hendrik W. Bode Lecture Prize），并應(yīng)邀在法國舉行的lEEE控制與決策大會（CDC）上作唯一的大會報(bào)告——波德講座（ Bode Lecture），是獲此國際學(xué)術(shù)獎勵榮譽(yù)的首位華人科學(xué)家。
　　
　　內(nèi)容來源|《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·控制科學(xué)》