悼念钱学森，学习自动控制理论

2010-02-07中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会卞正岗

自动化博览 2010年2期

中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会卞正岗

1 引言

2009年10月31日钱学森去世了。他离我们而去，随之而来的是北京今冬来得最早的头场雪。鹅毛大雪诉说着我们的悲伤，钱老是我们70岁左右人们的前辈，是我国知识分子的楷模，是老北京人的骄傲。他就读过的新文化街北京第二实验小学（原京师女子师范学堂附属小学）、琉璃厂厂甸北京第一实验小学（原北京高等师范学校附属小学）以及上海交通大学，北京清华大学，是他的根；1935年起在美国20年的奋斗，是他的枝干；1955年回国所从事的我国航天事业，是他的参天大树，根深叶茂。与我们自动化行业相关的《工程控制论》一书，只是他众多学术成果中的一瞥。为了纪念他，让我们学习一下自动控制理论吧。

2 自动控制理论的发展

在20世纪，由于第二次世界大战中军事工业的发展及战后工业恢复时期的工业大型化，催生了自动控制理论于40年代形成。钱学森于1954年在美国发表了《工程控制论》一书，该书共18章，分引言、拉氏变换、输入输出和传递函数、反馈伺服系统、不互相影响的控制、交流伺服系统与振荡控制伺服系统、采样伺服系统、有时滞的线性系统、平稳随机输入下的线性系统、继电器伺服系统、非线性系统、变系数线性系统、利用摄动理论的控制设计、满足指定积分条件的控制设计、自动寻求最优运转点和控制系统、噪声过滤的设计原理、自行镇定和适应环境的系统、误差的控制诸章。这在当时是理论完整的、数学推导严格的、有前瞻性的、适用于航天技术的工程控制理论书籍。带回国后，译成多国文字，50年代后期，我国大学里自动控制理论课中除俄文教材外，也多参考此书。

作为经典控制理论，主要是研究单变量定常（系数）线性连续反馈控制系统。线性定常系统的动态特性用微分方程、传递函数、频率特性来表示；还用框图和信号流图来描述系统各环节之间信号传递关系；分析其稳定性有特征方程法、代数数据法、频率稳定数据法和轨迹法，其中频率法（Nyquist奈奎斯特，1932年。Bode伯德，1945年）和根轨迹法（Evans，1948年）较为重要。这是一套完整的在频率域对单输入、单输出控制系统进行分析和设计的理论，这是上世纪50年代教科书“调节原理”的基础，也是一直至今工业自动化最常用的PID控制规律的基础。

此外，还有非线性控制系统，主要有描述函数法和相平面法；离散系统（采样系统和计算机控制系统）采用了变换法。

作为形成较晚（上世纪60年代）的现代控制理论，主要是研究多变量时变控制系统。采用矩阵方法作为运算基础，即从状态、状态变量、状态向量、状态空间等概念出发，形成描述系统状态变量与输入变量之间关系的一阶微分方程组或一阶差分方程组的连续时间系统或离散时间系统，即状态方程；形成描述系统输出变量与系统输入变量的状态变量之间函数关系的代数方程，即输出方程；把状态方程和输出方程联系起来，构成系统的状态空间表达式，即所状态空间法。

作为时域方法，在状态空间法的基础上，还采用了极小值原理（Pontryagin，1962年）、动态规划法（Belman，1963年）等优化控制理论，采用了Kalman卡尔曼滤波器的随机干扰下的线性二次型系统LOG理论（Kalman，1960年）等，稳定和优化两个主题，在这些理论基础上得到了深入的发展，可控性、可观性、实现理论、典型性、分解理论等。使控制由工程设计方法提高成一门新的科学。

作为现代控制理论，还有系统辨识、参数估计、随机控制、自适应控制、鲁棒控制等分支。还有上世纪80年代发展起来的智能控制，其中专家控制、模糊控制、神经元网络控制、学习控制等应用较广。傅京孙在1971年指出智能控制是自动控制与人工智能（Artifical Intelligence，AI）的结合。而人工智能的领域很广泛，知识表示、问题求解、语言理解、机器学习、模式识别、定理证明、机器视觉、逻辑推理、调度决策、自动程序设计、机器人学等均是其内容。所谓人工智能是指智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，具体是指判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。

还有现代控制理论与系统理论相结合而形成的大系统理论，具体有多级递阶优化与控制（Mesarovie，1970年）等，该理论仍在发展中，特别是复杂巨系统理论等。

3 流程工业自动化系统和四个现代化

当今流程工业自动化系统实际是由检测、控制、执行、及人机界面几部分构成，这就是基础自动化。如把其中检测、执行仪表分开，由控制和人机界面两部分构成，那我们通常所指的控制系统，也是目前最常采用的DCS分布式控制系统及其他由PLC、IPC、SLR（数显式单回路调节器）等组成的控制系统。

从控制功能看，流程工业中最常遇到的是连续控制，其次是顺序控制和批量控制。连续控制又常称为回路控制、反馈控制，它对应着自动控制理论中最主要部分，我们在经典控制理论中所说的校正环节，如在模拟电路（分主元件）中放大器和电阻、电容等校正环节组成的调节器（控制器），或在DCS系统中的PID功能模块（软件控制算法），经过组态完成了反馈控制，实现了回路调节的静态和动态指标。顺序控制则是自动控制理论中涉及较少的开环控制，也有称为程序控制、逻辑控制、离散控制，他主要处理除上述连续控制中的模拟量以外的开关量（包括内部的状态量），改变被控对象的状态或位置，控制过程和动作过程是完全对应的，根据被控对象动作时间、动作顺序和逻辑关系而进行控制的，主要依赖的数学工具是布尔代数。批量控制是连续控制和顺序控制的混合型控制，或称为混合控制。

作为基础自动化的一部分，人机界面应提供三个层次的界面，一是供工艺操作人员了解被控制对象的运行状态和进行人工操作的人机界面（有些场合，需要把操作员和领班的监督员还要分开），二是供自控工程师根据控制策略设计要求进行组态的人机界面，三是供控制系统维护人员用的人机界面。

按照反馈控制系统设定值分类，有定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。前者为最常用的。程序控制系统的设定值是按预定规律随时间变化的函数，随动控制系统的设定值是未知的时间函数，多用于伺服系统。

近年由于功能安全技术的发展，在顺序控制或逻辑控制外，还发展了SIS安全仪表系统。此外，还有故障检测和诊断（特别用于大型旋转设备）、预测性维护、设备管理等也成各流程工业中不可或缺的基础自动化的一部分，对自动控制理论提出许多新的课题。

作为基础自动化的一部分，即现场总线技术的发展，使“现场控制”即回路控制等分散到了现场，即控制彻底分散了。自治式的控制逐步成了现实，控制彻底分散和管理彻底集中的模式将对自动控制理论和控制论、信息论、系统活动哲学理念提出了现实的考验，这将为大系统理论提供一个实践性的用武之地。

当前在基础自动化之上，首先遇到了APC先进过程控制（Advanced Process Control）的推广应用问题，这是现代控制理论用于生产实践的一个难得的利好大事，APC软件有多种，其中以多变量预测控制为代表，另外，软测量技术也对自控理论提出了课题，相连的过程优化技术的发展，由于可以获得巨大的经济效益（全世界有数千项工程实例）历来受到重视，寻找最佳工艺参数，实现物料平衡和能量平衡。稳态优化，采用稳态模型进行稳态优化计算或在线优化计算，进而需进行最优动态控制。这些方法，现代控制理论将长期深入其中。

在基础自动化之上，发展管控一体化，是大势所趋。从系统角度看，他将形成CIPS或CIMS更大规模的管控一体化系统，它把生产调度、企业管理、经营决策都纳入其中，所以现代控制理论要进一步与运筹学等管理科学相结合。

总之，工业自动化系统在数字化、智能化、网络化、集成化中，为自动控制理论提供了广阔的发展空间。

我国多年前就确立了工业、农业、国防、科学技术四个现代化的方向，我国的自动控制学者在我国的国策方面，如人口控制论、自然控制论、可持续发展、循环经济等方面都提出过好建议。在面对金融危机时，也应积极开动脑筋，多提好建议，特别是产业结构调整、节能减排、公共资源的利用、民生等大系统都有理论工作可做，大有可为。

有人去过钱学森家20平方米的客厅，就是在这个“科学沙龙”里，进行多次聚会，使新中国的火箭、导弹事业逐步发展，明确问题，解决问题，形成了一揽子的“解决方案”。这是一次系统工程学的实践。所以，1992年钱学森提出建设从定性到定量综合集成研讨厅体系，提出要把人的思维、思维的成果、人的知识智慧以及各种情报、资料统统集成起来，创建生成智慧工程。我们祝愿这样的“沙龙”多一些。