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    中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會(huì) 卞正崗

    編者按：

    世界著名科學(xué)家馮·卡門稱錢學(xué)森是“無可爭議的天才”。錢學(xué)森卻說：“我不是天才。”控制論曾被哲學(xué)界攻擊為“反動(dòng)的偽科學(xué)”。可錢學(xué)森沒有被質(zhì)疑嚇倒，而是出版了世界上第一部系統(tǒng)講述工程控制論的專著，開創(chuàng)了工程控制論這門新興學(xué)科。創(chuàng)新是科學(xué)的靈魂，是科學(xué)家最珍貴的品質(zhì)。只有想別人沒想過的東西、說別人沒說過的話、做別人沒做過的事，才能創(chuàng)造出前人沒有創(chuàng)造的業(yè)績！這才是錢老留給后世最為寶貴的財(cái)富！自去年10月31日以來，本刊編輯部收到自動(dòng)化界不少讀者來信，大家紛紛表達(dá)對(duì)錢學(xué)森先生的追念和不盡哀思，緬懷錢老對(duì)自動(dòng)化行業(yè)的貢獻(xiàn)，現(xiàn)選取卞正崗先生撰寫的悼念錢老的一文，以饗讀者。

    1 引言

    2009年10月31日錢學(xué)森去世了。他離我們而去，隨之而來的是北京今冬來得最早的頭場雪。鵝毛大雪訴說著我們的悲傷，錢老是我們70歲左右人們的前輩，是我國知識(shí)分子的楷模，是老北京人的驕傲。他就讀過的新文化街北京第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)（原京師女子師范學(xué)堂附屬小學(xué)）、琉璃廠廠甸北京第一實(shí)驗(yàn)小學(xué)（原北京高等師范學(xué)校附屬小學(xué)）以及上海交通大學(xué)，北京清華大學(xué)，是他的根；1935年起在美國20年的奮斗，是他的枝干；1955年回國所從事的我國航天事業(yè)，是他的參天大樹，根深葉茂。與我們自動(dòng)化行業(yè)相關(guān)的《工程控制論》一書，只是他眾多學(xué)術(shù)成果中的一瞥。為了紀(jì)念他，讓我們學(xué)習(xí)一下自動(dòng)控制理論吧。

    2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展

    在20世紀(jì)，由于第二次世界大戰(zhàn)中軍事工業(yè)的發(fā)展及戰(zhàn)后工業(yè)恢復(fù)時(shí)期的工業(yè)大型化，催生了自動(dòng)控制理論于40年代形成。錢學(xué)森于1954年在美國發(fā)表了《工程控制論》一書，該書共18章，分引言、拉氏變換、輸入輸出和傳遞函數(shù)、反饋伺服系統(tǒng)、不互相影響的控制、交流伺服系統(tǒng)與振蕩控制伺服系統(tǒng)、采樣伺服系統(tǒng)、有時(shí)滯的線性系統(tǒng)、平穩(wěn)隨機(jī)輸入下的線性系統(tǒng)、繼電器伺服系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、變系數(shù)線性系統(tǒng)、利用攝動(dòng)理論的控制設(shè)計(jì)、滿足指定積分條件的控制設(shè)計(jì)、自動(dòng)尋求最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)和控制系統(tǒng)、噪聲過濾的設(shè)計(jì)原理、自行鎮(zhèn)定和適應(yīng)環(huán)境的系統(tǒng)、誤差的控制諸章。這在當(dāng)時(shí)是理論完整的、數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)格的、有前瞻性的、適用于航天技術(shù)的工程控制理論書籍。帶回國后，譯成多國文字，50年代后期，我國大學(xué)里自動(dòng)控制理論課中除俄文教材外，也多參考此書。

    作為經(jīng)典控制理論，主要是研究單變量定常（系數(shù)）線性連續(xù)反饋控制系統(tǒng)。線性定常系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性用微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性來表示；還用框圖和信號(hào)流圖來描述系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間信號(hào)傳遞關(guān)系；分析其穩(wěn)定性有特征方程法、代數(shù)數(shù)據(jù)法、頻率穩(wěn)定數(shù)據(jù)法和 軌跡法，其中頻率法（Nyquist奈奎斯特，1932年。Bode伯德，1945年）和根軌跡法（Evans，1948年）較為重要。這是一套完整的在頻率域?qū)屋斎搿屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的理論，這是上世紀(jì)50年代教科書“調(diào)節(jié)原理”的基礎(chǔ)，也是一直至今工業(yè)自動(dòng)化最常用的PID控制規(guī)律的基礎(chǔ)。

    此外，還有非線性控制系統(tǒng)，主要有描述函數(shù)法和相平面法；離散系統(tǒng)（采樣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）采用了變換法。

    作為形成較晚（上世紀(jì)60年代）的現(xiàn)代控制理論，主要是研究多變量時(shí)變控制系統(tǒng)。采用矩陣方法作為運(yùn)算基礎(chǔ)，即從狀態(tài)、狀態(tài)變量、狀態(tài)向量、狀態(tài)空間等概念出發(fā)，形成描述系統(tǒng)狀態(tài)變量與輸入變量之間關(guān)系的一階微分方程組或一階差分方程組的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)或離散時(shí)間系統(tǒng)，即狀態(tài)方程；形成描述系統(tǒng)輸出變量與系統(tǒng)輸入變量的狀態(tài)變量之間函數(shù)關(guān)系的代數(shù)方程，即輸出方程；把狀態(tài)方程和輸出方程聯(lián)系起來，構(gòu)成系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，即所狀態(tài)空間法。

    作為時(shí)域方法，在狀態(tài)空間法的基礎(chǔ)上，還采用了極小值原理（Pontryagin，1962年）、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（Belman，1963年）等優(yōu)化控制理論，采用了Kalman卡爾曼濾波器的隨機(jī)干擾下的線性二次型系統(tǒng)LOG理論（Kalman，1960年）等，穩(wěn)定和優(yōu)化兩個(gè)主題，在這些理論基礎(chǔ)上得到了深入的發(fā)展，可控性、可觀性、實(shí)現(xiàn)理論、典型性、分解理論等。使控制由工程設(shè)計(jì)方法提高成一門新的科學(xué)。

    作為現(xiàn)代控制理論，還有系統(tǒng)辨識(shí)、參數(shù)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等分支。還有上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的智能控制，其中專家控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制等應(yīng)用較廣。傅京孫在1971年指出智能控制是自動(dòng)控制與人工智能（Artifical Intelligence，AI）的結(jié)合。而人工智能的領(lǐng)域很廣泛，知識(shí)表示、問題求解、語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、定理證明、機(jī)器視覺、邏輯推理、調(diào)度決策、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)等均是其內(nèi)容。所謂人工智能是指智能機(jī)器所執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的功能，具體是指判斷、推理、證明、識(shí)別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動(dòng)。

    還有現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合而形成的大系統(tǒng)理論，具體有多級(jí)遞階優(yōu)化與控制（Mesarovie，1970年）等，該理論仍在發(fā)展中，特別是復(fù)雜巨系統(tǒng)理論等。

    3 流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和四個(gè)現(xiàn)代化

    當(dāng)今流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際是由檢測、控制、執(zhí)行、及人機(jī)界面幾部分構(gòu)成，這就是基礎(chǔ)自動(dòng)化。如把其中檢測、執(zhí)行儀表分開，由控制和人機(jī)界面兩部分構(gòu)成，那我們通常所指的控制系統(tǒng)，也是目前最常采用的DCS分布式控制系統(tǒng)及其他由PLC、IPC、SLR（數(shù)顯式單回路調(diào)節(jié)器）等組成的控制系統(tǒng)。

    從控制功能看，流程工業(yè)中最常遇到的是連續(xù)控制，其次是順序控制和批量控制。連續(xù)控制又常稱為回路控制、反饋控制，它對(duì)應(yīng)著自動(dòng)控制理論中最主要部分，我們在經(jīng)典控制理論中所說的校正環(huán)節(jié)，如在模擬電路（分主元件）中放大器和電阻、電容等校正環(huán)節(jié)組成的調(diào)節(jié)器（控制器），或在DCS系統(tǒng)中的PID功能模塊（軟件控制算法），經(jīng)過組態(tài)完成了反饋控制，實(shí)現(xiàn)了回路調(diào)節(jié)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。順序控制則是自動(dòng)控制理論中涉及較少的開環(huán)控制，也有稱為程序控制、邏輯控制、離散控制，他主要處理除上述連續(xù)控制中的模擬量以外的開關(guān)量（包括內(nèi)部的狀態(tài)量），改變被控對(duì)象的狀態(tài)或位置，控制過程和動(dòng)作過程是完全對(duì)應(yīng)的，根據(jù)被控對(duì)象動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作順序和邏輯關(guān)系而進(jìn)行控制的，主要依賴的數(shù)學(xué)工具是布爾代數(shù)。批量控制是連續(xù)控制和順序控制的混合型控制，或稱為混合控制。

    作為基礎(chǔ)自動(dòng)化的一部分，人機(jī)界面應(yīng)提供三個(gè)層次的界面，一是供工藝操作人員了解被控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行人工操作的人機(jī)界面（有些場合，需要把操作員和領(lǐng)班的監(jiān)督員還要分開），二是供自控工程師根據(jù)控制策略設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組態(tài)的人機(jī)界面，三是供控制系統(tǒng)維護(hù)人員用的人機(jī)界面。

    按照反饋控制系統(tǒng)設(shè)定值分類，有定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)。前者為最常用的。程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值是未知的時(shí)間函數(shù)，多用于伺服系統(tǒng)。

    近年由于功能安全技術(shù)的發(fā)展，在順序控制或邏輯控制外，還發(fā)展了SIS安全儀表系統(tǒng)。此外，還有故障檢測和診斷（特別用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備）、預(yù)測性維護(hù)、設(shè)備管理等也成各流程工業(yè)中不可或缺的基礎(chǔ)自動(dòng)化的一部分，對(duì)自動(dòng)控制理論提出許多新的課題。

    作為基礎(chǔ)自動(dòng)化的一部分，即現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，使“現(xiàn)場控制”即回路控制等分散到了現(xiàn)場，即控制徹底分散了。自治式的控制逐步成了現(xiàn)實(shí)，控制徹底分散和管理徹底集中的模式將對(duì)自動(dòng)控制理論和控制論、信息論、系統(tǒng)活動(dòng)哲學(xué)理念提出了現(xiàn)實(shí)的考驗(yàn)，這將為大系統(tǒng)理論提供一個(gè)實(shí)踐性的用武之地。

    當(dāng)前在基礎(chǔ)自動(dòng)化之上，首先遇到了APC先進(jìn)過程控制（Advanced Process Control）的推廣應(yīng)用問題，這是現(xiàn)代控制理論用于生產(chǎn)實(shí)踐的一個(gè)難得的利好大事，APC軟件有多種，其中以多變量預(yù)測控制為代表，另外，軟測量技術(shù)也對(duì)自控理論提出了課題，相連的過程優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，由于可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益（全世界有數(shù)千項(xiàng)工程實(shí)例）歷來受到重視，尋找最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料平衡和能量平衡。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化，采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計(jì)算或在線優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)而需進(jìn)行最優(yōu)動(dòng)態(tài)控制。這些方法，現(xiàn)代控制理論將長期深入其中。

    在基礎(chǔ)自動(dòng)化之上，發(fā)展管控一體化，是大勢所趨。從系統(tǒng)角度看，他將形成CIPS或CIMS更大規(guī)模的管控一體化系統(tǒng)，它把生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營決策都納入其中，所以現(xiàn)代控制理論要進(jìn)一步與運(yùn)籌學(xué)等管理科學(xué)相結(jié)合。

    總之，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化中，為自動(dòng)控制理論提供了廣闊的發(fā)展空間。

    我國多年前就確立了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)技術(shù)四個(gè)現(xiàn)代化的方向，我國的自動(dòng)控制學(xué)者在我國的國策方面，如人口控制論、自然控制論、可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等方面都提出過好建議。在面對(duì)金融危機(jī)時(shí)，也應(yīng)積極開動(dòng)腦筋，多提好建議，特別是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排、公共資源的利用、民生等大系統(tǒng)都有理論工作可做，大有可為。

    有人去過錢學(xué)森家20平方米的客廳，就是在這個(gè)“科學(xué)沙龍”里，進(jìn)行多次聚會(huì)，使新中國的火箭、導(dǎo)彈事業(yè)逐步發(fā)展，明確問題，解決問題，形成了一攬子的“解決方案”。這是一次系統(tǒng)工程學(xué)的實(shí)踐。所以，1992年錢學(xué)森提出建設(shè)從定性到定量綜合集成研討廳體系，提出要把人的思維、思維的成果、人的知識(shí)智慧以及各種情報(bào)、資料統(tǒng)統(tǒng)集成起來，創(chuàng)建生成智慧工程。我們祝愿這樣的“沙龍”多一些。

    4 結(jié)束語

    （1）實(shí)踐最重要，創(chuàng)新實(shí)踐為自動(dòng)控制理論開闊了更多的應(yīng)用領(lǐng)域，如過程控制領(lǐng)域把“自動(dòng)調(diào)節(jié)”用得很好，物流領(lǐng)域由于實(shí)際需求，逐步采用了RFID、智能卡等技術(shù)，而使“自動(dòng)識(shí)別”（AUTO-ID）或稱“自動(dòng)尋找”成為現(xiàn)實(shí)，并將推動(dòng)生產(chǎn)力和物流管理的變革。

    （2）理論應(yīng)領(lǐng)先，自動(dòng)控制理論是在“理論指導(dǎo)實(shí)踐”過程中發(fā)展壯大的，今后更應(yīng)該如此。我們自動(dòng)控制專業(yè)的人士經(jīng)常談到數(shù)學(xué)模型，有人知難而退，但是這是回避不了的，所以數(shù)學(xué)工具要讓人們樂于接受，這才是理論工作者的追求。另外就是搞理論要打破學(xué)科的界限，最有效的方法就是培養(yǎng)復(fù)合型人才。

    （3）中國自動(dòng)控制領(lǐng)域由于錢學(xué)森等多位老一輩學(xué)者的努力，是走在世界前列的，我們不要妄自菲薄，要不斷努力，努力培養(yǎng)人才，培養(yǎng)專家，培養(yǎng)大師。從錢學(xué)森的經(jīng)歷看，對(duì)于北京這座文化古城的“百年老校”，我們有理由把它辦得更好。當(dāng)然，在培養(yǎng)英才的同時(shí)，也不要忘記培養(yǎng)更多的義務(wù)教育階段的“合格的小公民”。

    參考文獻(xiàn)：

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第二期