作為基礎研究的自動控制理論

摘  要 討論作為基礎研究的自動控制論的特點、評價及應支持的內(nèi)容 關(guān)鍵詞 自動控制理論，基礎研究 Control Theory As Basic Research CHEN Han-Fu (Institute of Systems Science, Academy of Mathematics and Systems Sciences Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080) (E-mail: hfchen@control.iss.ac.cn) Abstract The following problems are discussed: as basic research what are the features of control theory? What are the evaluation criteria for results of control theory? And what are the main topics to support in control theory? Key words Control theory, basic research 1  自動控制理論的特點    自動控制作為自動化領(lǐng)域的重要內(nèi)容，它的基礎研究有兩個特點： 1） 控制本身是一種工具，它不局限于某個系統(tǒng)，控制理論作為自動控制的基礎理論，具有普適性，好比微積分、線性代數(shù)，任何領(lǐng)域都可拿來用。研究自動控制，不象研究計算機、新材料等，可以提出具體的量化指標，可以得到本身有顯示度的成果。 2） 自動控制有很強的應用背景。對自動控制的需求很廣泛，小到日常的家用電器、汽車等，大一點如航天、航空、制造系統(tǒng)等，還有各種大型的、更為復雜的系統(tǒng)都需要控制。沒有應用背景的“控制理論”就缺乏生命力。如何巧妙地運用控制的基礎理論來解決實際問題是和研究控制理論本身不同的另一種創(chuàng)造性工作。 2  支持基礎研究    盡管一個國家的積極發(fā)展依賴于它的工程技術(shù)水平，但如果只重視技術(shù)、應用，而不注意基礎研究，雖然通過買專利、仿造，一時也能得到一定成效，但沒有自主產(chǎn)權(quán)，生產(chǎn)的發(fā)展就會缺乏后勁。現(xiàn)在日本學者也意識到，戰(zhàn)后幾十年片面重視技術(shù)，確實使日本在一段時間內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展，有些技術(shù)領(lǐng)域一時超過了美國，但由于對基礎研究重視不夠,技術(shù)的發(fā)展受到制約，領(lǐng)先的領(lǐng)域又被人超過去了[1]。值得一提的是，日本的基礎研究所取得的成就和對基礎研究的投入遠比我國高。    自動控制理論和應用是對立統(tǒng)一的兩個方面，兩者相輔相承，不可分割，也不可不區(qū)分。誠如上面所述，自動控制理論屬具有普適性的基礎研究，他研究帶有一定概括性的系統(tǒng)的控制問題，我們評價自動控制的基礎研究，一方面要看它有否實際意義，但象所有的基礎理論一樣，不能以“能否立馬用上”這樣一個簡單標準來衡量自動控制理論工作的意義，否則一定會導致庸俗化，而削弱自動控制的基礎研究，作為基礎研究的成果，一定要到國際上去競爭。雖然不應片面強調(diào)國外引用率及SCI指標等，但是在國際上沒有任何反應的一項基礎研究成果，很難令人信服它會是一流的。    盡管自動控制理論和應用是不可分割的對立統(tǒng)一的兩方面，但作為研究工作者本身，兩者未必要兼顧。做基礎研究，只有全身心地去做，才有可能做出成績。很難想象，一個人能同時在基礎研究、應用研究及技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域都是強者。    國家自然科學基金委是支持自由探索和原始創(chuàng)新的主要機構(gòu)，多年來對自動控制基礎研究做了有利的支持。今后，不僅基金委還有我們?nèi)w自動化界的同行們，一定會一如既往，摒棄急功近利的短視行為，用長遠的眼光來看待自動控制基礎研究的重要作用，加強對它的支持[2]。 3  系統(tǒng)控制基礎研究的挑戰(zhàn)性課題    自動控制理論在近50年里得到很大發(fā)展。對機制較簡單、環(huán)境較理想、控制目標單一的系統(tǒng)，在理論上得到較好解決，并且得到大量成功的應用，例如線性二次指標控制、卡爾曼濾波、自校正調(diào)節(jié)器等。那么這個學科在21世紀里還要做什么？ 1） 實際系統(tǒng)往往十分復雜，可能具有“非線性”、“多層次”、“強耦合”、“無窮維”、“隨機性”、“不確定性”等多種復雜特性的組合。例如大型射電望遠鏡或大型天線陣的控制，它包含了非線性、無窮維、隨機、不確定性等因素，這類問題不能用傳統(tǒng)意義下某一類系統(tǒng)的控制理論就能徹底解決的，更不要說諸如大型石油化工連續(xù)生產(chǎn)過程、大型網(wǎng)絡的通信和控制等，這類系統(tǒng)規(guī)模大、層次多、耦合強、環(huán)境復雜，它們的建模和控制，涉及到多體系建模和多目標控制，用現(xiàn)有的控制理論很難解決。 2） 多學科交叉中出現(xiàn)的控制問題，例如經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、生物、基因等領(lǐng)域中出現(xiàn)的控制問題、和量子計算機有關(guān)的量子系統(tǒng)的控制等，需要綜合運用系統(tǒng)科學、計算科學、現(xiàn)代數(shù)學、甚至物理學、運籌管理科學等學科的知識和方法，來建立相應的控制理論。有的需要鑒借控制的思想和方法，去解決交叉學科中問題，例如大家談論很多的復雜系統(tǒng)的“涌現(xiàn)”等現(xiàn)象的分析，Santa Fe研究所過去較多以模擬計算分析為主，據(jù)說現(xiàn)在也意識到要把控制、適應控制等方法結(jié)合進來分析研究。 3） 即使對復雜性較為單一的傳統(tǒng)意義下的控制系統(tǒng)，諸如非線性系統(tǒng)，分布參數(shù)系統(tǒng)，隨機系統(tǒng)等，其中仍有大量、重要的控制理論問題有待解決。就拿線性常系數(shù)系統(tǒng)來說，如果帶有隨機噪聲，那么也還有不少重要的辨識與控制問題沒有解決。例如當量測有噪聲時的參數(shù)辨識問題、一般噪聲下最小二乘辨識的收斂性問題、系統(tǒng)階和時滯的遞推估計問題、對控制首項系數(shù)的估計不加任何修改的自校正跟蹤器的收斂性問題等都沒有最后解決。所以對非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)等看起來較為傳統(tǒng)方向的基礎研究，也絕不可放棄，還要大力支持。對“反饋能力和極限”這一類本質(zhì)性研究，要重視和支持，對基礎研究的支持只有持之以恒，才有可能做出國際上一流的成果來。 4） 我們說“信息化帶動工業(yè)化”，但無論信息化還是工業(yè)化都離不開自動化，自動化是紐帶，我國的傳統(tǒng)工業(yè)要改造，大量使用的PID調(diào)節(jié)器，需要用精度高、適應性更強的控制器來取代，在諸如鋼鐵、石化等流程控制中，我們雖然引進不少，但實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新還要靠自己的基礎研究來支撐。所以，結(jié)合中國實際情況，有大量的建模和控制問題需要基礎研究工作者去研究。    總之，在新的世紀，有許多深刻而困難的系統(tǒng)控制基礎研究課題，期待著控制科學家來解決。 參 考 文 獻 1  郝伯林?？孔约旱幕A研究實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新?？茖W時報，2002年4月12日 2  郝伯林。20世紀我國自然科學基礎研究的艱辛歷程。自然辯證法研究，2002，18（8）：1~5 陳翰馥 畢業(yè)于蘇聯(lián)列寧格勒大學。研究員，中國科學院院士，IEEE Fellow，IFAC執(zhí)委，中國自動化學會常務理事，《系統(tǒng)科學與數(shù)學》和《控制理論與應用》主編，五種國際刊物的編委及顧問，《中國科學》等數(shù)種國內(nèi)刊物的編委。研究領(lǐng)域為隨機系統(tǒng)的辨識、適應控制、隨機逼近和優(yōu)化及其對系統(tǒng)控制、信號處理等領(lǐng)域的應用。