自动控制发展的历程 -王广雄

wangluo

　　
　　主讲人简介
　　王广雄，哈尔滨工业大学教授。1953年从上海考入哈尔滨工业大学，毕业后留校任教，是我国自动控制领域的著名专家。发表多篇学术论文，出版专业著作数本。
　　内容简介
　　我今天的讲座就是讲自动控制的发展，从开始阶段的发生到形成一个控制理论，讲整个这个进程。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。
　　自动控制是指机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作，它是围绕着工业生产的需要而形成和发展起来的，已广泛应用于人类社会的各个方面。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，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。自动控制技术的发展是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，才最终发展成为一门独立的学科。
　　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，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。上面就是我主要介绍的一些内容，我这里要说的呢，就是这里边包括一些年份，有些事实，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。
　　全文
　　我今天的讲座就是讲自动控制的发展。从开始阶段的发生到形成一个控制理论，讲整个这个进程。我们讲自动控制就是指这样的反馈控制系统，这是有一个控制器跟一个控制对象组成的，把这个控制对象的输出信号把它取回来，测量回来以后跟所要求的信号进行比较。根据这误差告诉控制器，这就是机器内部的工作了。让控制器完成这个控制作用，使得这个偏差消除或者说使得控制对象的输出跟踪我所需要的要求的信号。控制对象的输出量一般来说都是一个物理量，比如说我控制一个机器的转速，就是需要把速度测量出来，才能进行控制。
　　自动控制系统，从一开始出现的时候，大家假如接触到这门学科的话，可能都知道是瓦特的离心调速器。这是离心调速器的几种方案的示意图，什么叫离心调速器呢？就是有两个飞球，一转起来以后，因为离心力，飞球就往外胀。飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒在移动，就带动执行机构动作，这是最早的瓦特的离心调速器。
　　实际上这个离心调速器不是瓦特发明的，一般我们叫瓦特的离心调速器，它实际上不是瓦特的发明。这是什么呢？就是在那个时期，大家看到风力磨坊就是相当于离心调速器的那个飞球，实际上在那个时候，已经有这样的调速器。瓦特是发明了蒸汽机，用了这样的一个调速器，但是现在很多人都愿意把这个离心调速器，挂在瓦特的名下。所以一般的书上，大家看到的是瓦特的离心调速器，你要看正式的书，假如材料写的确切的话，只说1788年前后，不确切说哪一天的年代，因为不是他发明的。就是说一项科学技术的发展，并不是一个人，就是说瓦特又能发明蒸汽机又能发明调节系统，好像什么都是他发明的，实际上他也利用了前人的很多知识的积累。这是1788年，随后大概有一百年左右的历史，工业里边自动控制系统就是个离心调速器，当时主要就是个蒸汽机，蒸汽机离心调速器，没有别的类型，后来进到二十世纪，就是出现了飞机。大家可能知道的,斯佩雷（Sperry）发明了陀螺，他想办法把陀螺做成一个自动驾驶仪。
　　现在再一个报道，就是1925年到1940年之间斯佩雷（Sperry）的那个工作，这里谈的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是这样的。它这个火力控制，这里一大堆人的地方，这是它主要的核心部分，叫火控指挥仪。火控指挥仪是指什么意思呢？根据飞机的方位角、高低角，飞机在飞还有一个前置角，打前置角，把这个呢，控制火炮，告诉火炮。就是这个地方是它的指挥仪，等到火力控制的地方，这里站了三个人，当时的术语叫人工伺服，三个人，为什么三个人呢，一个方位角，一个高低角，还有一个引信。因为他那时候还要算出来，就是要指挥仪算，算出来我炮弹飞到你飞机的时候，需要多少时间。引信就是指一个定时器，它拨到可能几秒钟以后爆炸，所以需要这三方面的高低角、方位角，再加上定时爆炸，才能把飞机打掉。这是1940年前的，这个是美国的火力控制的情况。但是到真正我们核心搞控制的人来说，火炮控制部分是人工伺服，human servo。
　　这个就是当时的斯佩雷（Sperry）公司搞的，主要它的工作就是这个指挥仪。这个指挥仪怎么工作，大家可以看到，这个火炮上站着的，围着指挥仪是一帮人。当时是1940年前后，所以这个人站在上面都是很危险的，因为上面敌人飞机过来，是这么一个情况。到了1940年以后，火力控制系统发生很大的变化，你看这上面人已经很少了。这个变化是谁搞的呢？这里有一个贝尔实验室里边的一个年轻的工程师帕金森（Parkinson），只有29岁。就是一个一般的技术员，当时是一般技术员，他做了一个梦，他这个梦在所有的正式文件里边都承认，他是一个什么情况呢？这个帕金森（Parkinson），他就是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就是1940年那天晚上他做了一个梦。他梦到用电位计控制的记录笔也可以控制火炮的发射，他这个梦就促进了自动控制技术的发展。
　　好，现在再回过来，我稍微举两个实际上我们现在要用到的一些例子。大家看到这是硬盘驱动系统。硬盘驱动系统里边就是个伺服系统，大家不要小看这个伺服系统，硬盘伺服系统里边高速旋转的时候，定位的精度是一个微米，在高速旋转的气流下，这实际上是扰动很大的，要求高精度。这个利润、产量都非常大，每年几百万套。
　　下面还有一个就是日常遇上的汽车的防侧滑的那个系统。这个左边的那个图，就是相当于仿真计算。仿真计算往上翘的就是一般常规的汽车，这种工作不是在纸面上做的；右边的就是照片了，就是实际上它还是做实验的，这些都是目前，就是跟我们生活都有关系的一些控制系统。
　　刚才讲的纯粹是一个技术，但是跟技术配套的理论上，还有一些什么工作。就是我们这里看的是有麦克斯维尔，就是有这几个人了。我把这几个人的研究介绍一下。蒸汽机的离心调速器，刚出来的时候，大家不知道有反馈的概念，所有的问题都集中在调节器本身，一会儿说你是调节器重量太小了，应该大一点；一会儿说这里要有个弹簧，一会儿又说这有弹簧也不好；一会儿说里边因为摩擦力影响，就一直没有从反馈系统来考虑，就是单个孤立的一个控制器。麦克斯维尔把这个系统看作调节器，跟调节对象合在一起，用微分方程来进行研究，这是麦克斯维尔的功劳。
　　但是麦克斯维尔，从我们今天来说，就相当于停留在理论上。当然他当时不完全是纯理论，他在实验室做了个调速器，完了进行研究，研究了指出这微分方程的特征根在左半面或右半面跟稳定有关系。他正式提出的，但是他解决不了，就是判别的问题，他只能做到三阶系统怎么判别。
　　1876年，俄国的维斯聂格拉斯基，他是专门搞实际研究的，他们当时有一种直接作用调速器。就刚才说的，一会儿说这个有问题，一会儿说那个问题，老找不到问题，准备把整个方案都要放弃了。维斯聂格拉斯基结合了他当时的蒸汽机，结合了他这个蒸汽机的特性，就指出来参数更应该是怎么选择，才能保证稳定。维斯聂格拉斯基，就是结合工业实际，大家对他的评价很高，他就解决了当时差不多在一种调节器就要下马的情况，他指出来就是一个参数问题，所以他在工业上，是立了很大的功劳。
　　在这个同时，1877年，大家学判据的，有个代数判据，劳斯代数判据，劳斯判据怎么来的呢？我的记忆里边，劳斯就是麦克斯维尔的学生，就可能相当于我们现在的博士生了，麦克斯维尔就是给了任务，你把方程式根的性质给我判别一下。最后到1877年，劳斯把这个拿出来了，劳斯拿出来行列式，得到了奖，当时叫做亚当奖。在这个同时，1895年，胡尔维茨（Hurwitz）也在不同的情况下，不知道劳斯的情况下。因为那个时候的欧洲不像现在学术交流这么频繁，当时没有什么学术交流。我也不知道你到底搞了些什么，所以这基本上是平行的。但是胡尔维茨（Hurwitz）的不一样，胡尔维茨（Hurwitz）解决的是瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计，就用稳定性理论来设计。
　　胡尔维茨（Hurwitz）被认为是真正用控制理论，来用到控制系统设计的第一个例子。所以我现在这里列出来的这四个人，两个人是学校里的学究式的，就是麦克斯维尔跟劳斯，但是他的功劳也不能磨灭，维斯聂格拉斯基跟胡尔维茨（Hurwitz），都是实际上出来的，就解决实际问题，这是两个不同的。但是最后，劳斯，胡尔维茨（Hurwitz），都拿出来，现在都有用的代数判据。
　　在这个里边，还有一个人，也应该提一下的。就是我们用的是个负反馈，真正使用负反馈是谁呢？是贝尔实验室的布莱克，也是一个年轻的工程师。在1927年的8月2号发明的，都有日子。怎么发明的呢？有人说可能是灵感，一天他去上班，那时候20年代，在美国也是上下班要坐船、坐车，他坐在渡轮上面。所以这样的话，负反馈是1927年，布莱克首先提出来的，我现在为什么要提呢？就是说他到底是不是个灵感，其实推究他实际上是必然性。
　　布莱克已经在这个之前，专门研究了电子振荡器，电子振荡器是用反馈工作的，当然是正反馈了，所以他有这个基础。完了正好这么一想，我这个线性化为什么不用这个方法呢？就是他有工作的积累，布莱克有很多用反馈原理构成振荡器线路的这些工作基础，完了老在想这个问题，这样灵感就出来了，就做出来这个负反馈放大器，这是一个人，应该要提一下。
　　还有下面要上的是尼可尔斯（Nichols），我们下面还要提一下的，尼可尔斯（Nichols），他提出来的一个，大家现在学控制的可能都知道，PID的整定法。整定法是尼可尔斯（Nichols）在二十世纪40年代提出来的，他做了PID，他这人很有才能，他做了PID，他想办法把PID调出来，想办法参数应该怎么整定，需要用模拟机。当时美国惟一一台模拟机，当时的模拟机叫微分分析仪，麻省理工学院的。这个模拟机的制造人是谁呢？就是刚才说的，当时是维布什(Vannevar 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。