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    卞正崗

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，是他的參天大樹，根深葉茂。與我們自動化行業相關的《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 自動控制理論的發展

    在20世紀，由于第二次世界大戰中軍事工業的發展及戰后工業恢復時期的工業大型化，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、反饋伺服系統、不互相影響的控制、交流伺服系統與振蕩控制伺服系統、采樣伺服系統、有時滯的線性系統、平穩隨機輸入下的線性系統、繼電器伺服系統、非線性系統、變系數線性系統、利用攝動理論的控制設計、滿足指定積分條件的控制設計、自動尋求最優運轉點和控制系統、噪聲過濾的設計原理、自行鎮定和適應環境的系統、誤差的控制諸章。這在當時是理論完整的、數學推導嚴格的、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。

    作為經典控制理論，主要是研究單變量定常（系數）線性連續反饋控制系統。線性定常系統的動態特性用微分方程、傳遞函數、頻率特性來表示；還用框圖和信號流圖來描述系統各環節之間信號傳遞關系；分析其穩定性有特征方程法、代數數據法、頻率穩定數據法和 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、單輸出控制系統進行分析和設計的理論，這是上世紀50年代教科書“調節原理”的基礎，也是一直至今工業自動化最常用的PID控制規律的基礎。
此外，還有非線性控制系統，主要有描述函數法和相平面法；離散系統（采樣系統和計算機控制系統）采用了變換法。

    作為形成較晚（上世紀60年代）的現代控制理論，主要是研究多變量時變控制系統。采用矩陣方法作為運算基礎，即從狀態、狀態變量、狀態向量、狀態空間等概念出發，形成描述系統狀態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時間系統或離散時間系統，即狀態方程；形成描述系統輸出變量與系統輸入變量的狀態變量之間函數關系的代數方程，即輸出方程；把狀態方程和輸出方程聯系起來，構成系統的狀態空間表達式，即所狀態空間法。

    作為時域方法，在狀態空間法的基礎上，還采用了極小值原理（Pontryagin，1962年）、動態規劃法（Belman，1963年）等優化控制理論，采用了Kalman卡爾曼濾波器的隨機干擾下的線性二次型系統LOG理論（Kalman，1960年）等，穩定和優化兩個主題，在這些理論基礎上得到了深入的發展，可控性、可觀性、實現理論、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。

    作為現代控制理論，還有系統辨識、參數估計、隨機控制、自適應控制、魯棒控制等分支。還有上世紀80年代發展起來的智能控制，其中專家控制、模糊控制、神經元網絡控制、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、規劃、學習和問題求解等思維活動。

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

3 流程工業自動化系統和四個現代化

    當今流程工業自動化系統實際是由檢測、控制、執行、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，也是目前最常采用的DCS分布式控制系統及其他由PLC、IPC、SLR（數顯式單回路調節器）等組成的控制系統。

    從控制功能看，流程工業中最常遇到的是連續控制，其次是順序控制和批量控制。連續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，我們在經典控制理論中所說的校正環節，如在模擬電路（分主元件）中放大器和電阻、電容等校正環節組成的調節器（控制器），或在DCS系統中的PID功能模塊（軟件控制算法），經過組態完成了反饋控制，實現了回路調節的靜態和動態指標。順序控制則是自動控制理論中涉及較少的開環控制，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控制中的模擬量以外的開關量（包括內部的狀態量），改變被控對象的狀態或位置，控制過程和動作過程是完全對應的，根據被控對象動作時間、動作順序和邏輯關系而進行控制的，主要依賴的數學工具是布爾代數。批量控制是連續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督員還要分開），二是供自控工程師根據控制策略設計要求進行組態的人機界面，三是供控制系統維護人員用的人機界面。

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

     近年由于功能安全技術的發展，在順序控制或邏輯控制外，還發展了SIS安全儀表系統。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，即現場總線技術的發展，使“現場控制”即回路控制等分散到了現場，即控制徹底分散了。自治式的控制逐步成了現實，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、系統活動哲學理念提出了現實的考驗，這將為大系統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，這是現代控制理論用于生產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，相連的過程優化技術的發展，由于可以獲得巨大的經濟效益（全世界有數千項工程實例）歷來受到重視，尋找最佳工藝參數，實現物料平衡和能量平衡。穩態優化，采用穩態模型進行穩態優化計算或在線優化計算，進而需進行最優動態控制。這些方法，現代控制理論將長期深入其中。

    在基礎自動化之上，發展管控一體化，是大勢所趨。從系統角度看，他將形成CIPS或CIMS更大規模的管控一體化系統，它把生產調度、企業管理、經營決策都納入其中，所以現代控制理論要進一步與運籌學等管理科學相結合。
總之，工業自動化系統在數字化、智能化、網絡化、集成化中，為自動控制理論提供了廣闊的發展空間。

    我國多年前就確立了工業、農業、國防、科學技術四個現代化的方向，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、可持續發展、循環經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，特別是產業結構調整、節能減排、公共資源的利用、民生等大系統都有理論工作可做，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、導彈事業逐步發展，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、資料統統集成起來，創建生成智慧工程。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”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”成為現實，并將推動生產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”過程中發展壯大的，今后更應該如此。我們自動控制專業的人士經常談到數學模型，有人知難而退，但是這是回避不了的，所以數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，努力培養人才，培養專家，培養大師。從錢學森的經歷看，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，在培養英才的同時，也不要忘記培養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. 工業自動化儀表與系統手冊[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（DCS）設計與應用實例[M]. 北京: 電子工業出版社. 2004. 8.

                              源自《自動化博覽》