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

    編者按：

    世界著名科學家馮·卡門稱錢學森是“無可爭議的天才”。錢學森卻說：“我不是天才。”控制論曾被哲學界攻擊為“反動的偽科學”。可錢學森沒有被質疑嚇倒，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科。創(chuàng)新是科學的靈魂，是科學家最珍貴的品質。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富！自去年10月31日以來，本刊編輯部收到自動化界不少讀者來信，大家紛紛表達對錢學森先生的追念和不盡哀思，緬懷錢老對自動化行業(yè)的貢獻，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驗小學（原京師女子師范學堂附屬小學）、琉璃廠廠甸北京第一實驗小學（原北京高等師范學校附屬小學）以及上海交通大學，北京清華大學，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。與我們自動化行業(yè)相關的《工程控制論》一書，只是他眾多學術成果中的一瞥。為了紀念他，讓我們學習一下自動控制理論吧。

    2 自動控制理論的發(fā)展

    在20世紀，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)恢復時期的工業(yè)大型化，催生了自動控制理論于40年代形成。錢學森于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)、有時滯的線性系統(tǒng)、平穩(wěn)隨機輸入下的線性系統(tǒng)、繼電器伺服系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、變系數(shù)線性系統(tǒng)、利用攝動理論的控制設計、滿足指定積分條件的控制設計、自動尋求最優(yōu)運轉點和控制系統(tǒng)、噪聲過濾的設計原理、自行鎮(zhèn)定和適應環(huán)境的系統(tǒng)、誤差的控制諸章。這在當時是理論完整的、數(shù)學推導嚴格的、有前瞻性的、適用于航天技術的工程控制理論書籍。帶回國后，譯成多國文字，50年代后期，我國大學里自動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；還用框圖和信號流圖來描述系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間信號傳遞關系；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對單輸入、單輸出控制系統(tǒng)進行分析和設計的理論，這是上世紀50年代教科書“調節(jié)原理”的基礎，也是一直至今工業(yè)自動化最常用的PID控制規(guī)律的基礎。

    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)和計算機控制系統(tǒng)）采用了變換法。

    作為形成較晚（上世紀60年代）的現(xiàn)代控制理論，主要是研究多變量時變控制系統(tǒng)。采用矩陣方法作為運算基礎，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系的一階微分方程組或一階差分方程組的連續(xù)時間系統(tǒng)或離散時間系統(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，構成系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式，即所狀態(tài)空間法。

    作為時域方法，在狀態(tài)空間法的基礎上，還采用了極小值原理（Pontryagin，1962年）、動態(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)化兩個主題，在這些理論基礎上得到了深入的發(fā)展，可控性、可觀性、實現(xiàn)理論、典型性、分解理論等。使控制由工程設計方法提高成一門新的科學。

    作為現(xiàn)代控制理論，還有系統(tǒng)辨識、參數(shù)估計、隨機控制、自適應控制、魯棒控制等分支。還有上世紀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)絡控制、學習控制等應用較廣。傅京孫在1971年指出智能控制是自動控制與人工智能（Artifical Intelligence，AI）的結合。而人工智能的領域很廣泛，知識表示、問題求解、語言理解、機器學習、模式識別、定理證明、機器視覺、邏輯推理、調度決策、自動程序設計、機器人學等均是其內容。所謂人工智能是指智能機器所執(zhí)行的通常與人類智能有關的功能，具體是指判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動。

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

    3 流程工業(yè)自動化系統(tǒng)和四個現(xiàn)代化

    當今流程工業(yè)自動化系統(tǒng)實際是由檢測、控制、執(zhí)行、及人機界面幾部分構成，這就是基礎自動化。如把其中檢測、執(zhí)行儀表分開，由控制和人機界面兩部分構成，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，它對應著自動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，實現(xiàn)了回路調節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)指標。順序控制則是自動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量（包括內部的狀態(tài)量），改變被控對象的狀態(tài)或位置，控制過程和動作過程是完全對應的，根據(jù)被控對象動作時間、動作順序和邏輯關系而進行控制的，主要依賴的數(shù)學工具是布爾代數(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。

    作為基礎自動化的一部分，人機界面應提供三個層次的界面，一是供工藝操作人員了解被控制對象的運行狀態(tài)和進行人工操作的人機界面（有些場合，需要把操作員和領班的監(jiān)督員還要分開），二是供自控工程師根據(jù)控制策略設計要求進行組態(tài)的人機界面，三是供控制系統(tǒng)維護人員用的人機界面。

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

    近年由于功能安全技術的發(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（特別用于大型旋轉設備）、預測性維護、設備管理等也成各流程工業(yè)中不可或缺的基礎自動化的一部分，對自動控制理論提出許多新的課題。

    作為基礎自動化的一部分，即現(xiàn)場總線技術的發(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，控制徹底分散和管理徹底集中的模式將對自動控制理論和控制論、信息論、系統(tǒng)活動哲學理念提出了現(xiàn)實的考驗，這將為大系統(tǒng)理論提供一個實踐性的用武之地。

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

    在基礎自動化之上，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)代控制理論要進一步與運籌學等管理科學相結合。

    總之，工業(yè)自動化系統(tǒng)在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、集成化中，為自動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、科學技術四個現(xiàn)代化的方向，我國的自動控制學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)濟等方面都提出過好建議。在面對金融危機時，也應積極開動腦筋，多提好建議，特別是產(chǎn)業(yè)結構調整、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。

    有人去過錢學森家20平方米的客廳，就是在這個“科學沙龍”里，進行多次聚會，使新中國的火箭、導彈事業(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)工程學的實踐。所以，1992年錢學森提出建設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、人的知識智慧以及各種情報、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 結束語

    （1）實踐最重要，創(chuàng)新實踐為自動控制理論開闊了更多的應用領域，如過程控制領域把“自動調節(jié)”用得很好，物流領域由于實際需求，逐步采用了RFID、智能卡等技術，而使“自動識別”（AUTO-ID）或稱“自動尋找”成為現(xiàn)實，并將推動生產(chǎn)力和物流管理的變革。

    （2）理論應領先，自動控制理論是在“理論指導實踐”過程中發(fā)展壯大的，今后更應該如此。我們自動控制專業(yè)的人士經(jīng)常談到數(shù)學模型，有人知難而退，但是這是回避不了的，所以數(shù)學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科的界限，最有效的方法就是培養(yǎng)復合型人才。

    （3）中國自動控制領域由于錢學森等多位老一輩學者的努力，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。從錢學森的經(jīng)歷看，對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。當然，在培養(yǎng)英才的同時，也不要忘記培養(yǎng)更多的義務教育階段的“合格的小公民”。

    參考文獻：

    [1] 王大珩，丁先華. 現(xiàn)代儀器儀表技術與設計[M]. 北京: 科學出版社. 2002.10.

    [2] 孫叔平，史美紀，吳欽煒等. 工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)手冊[M].北京: 中國電力出版社. 2008. 8.
  
    [3] 王常力，羅安. 分布式控制系統(tǒng)（DCS）設計與應用實例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社. 2004. 8.

    摘自《自動化博覽》2010年第二期