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探寻系统之美 发挥控制之妙

  1962年,这是铭刻在我国系统控制领域史册的一年。这一年,中国第一个专门从事现代控制理论研究的“控制理论研究室”在中科院数学研究所成立,为我国“两弹一星”等具有高度复杂性、高精度需求的国家尖端控制技术研发做出了不可磨灭的贡献。

  此后,在几代学术带头人的努力下,我国系统控制领域迸发出经久不衰的创新活力,呈上一份又一份具有原创性、突破性和关键性的成绩单。

  关肇直、宋健、陈翰馥、韩京清、程代展、郭雷每一个名字都掷地有声,他们在控制理论基础和应用研究方面,取得了令世人瞩目的成就。

  “东方红一号”卫星、飞行器弹性控制、自校正调节器、自抗扰控制器、布尔网络控制无数次国防工程和经济领域的重大需求以及基础研究攻关背后,都镌刻着他们的名字。

  半个多世纪的栉风沐雨,砥砺前行,一代代系统控制人在传承中创新,让该领域在国际舞台上焕发光彩。

  在中国古今26位著名数学家的中小学读本中,关肇直的故事一直为大家所传颂。不仅因为他是我国现代控制理论的创建者,在泛函分析、数学物理、现代控制理论等领域成绩卓著,更因他为我国国防建设做出了重大贡献。

  从上世纪60年代起,关肇直为我国现代控制理论的发展付出了毕生心血。在著名科学家钱学森的倡仪下,他根据国防建设和学科发展的需要, 于1962年组建了我国第一个专门从事现代控制理论研究的机构控制理论研究室,并亲任室主任。

  关肇直一贯重视科研工作理论联系实际,他对理论与实践的辩证关系有着深刻认识。他一方面强调“没有理论,拿什么去联系实际”,一方面十分重视面向国家急需的重大实际问题的研究并身体力行。他在领导控制理论研究室的工作中,在紧抓控制理论基础研究的同时,亲自带领全室科研人员积极参与了多项国防尖端武器控制系统的设计和研发,取得重要成果。特别是他与我国著名控制科学家宋健等合作研究弹性振动控制,提出了细长飞行器弹性振动的闭环控制模型,开创了分布参数控制理论的一类新的研究方向。

  钱学森在1982年“关肇直同志纪念会”上曾指出,关肇直等人的“工作结果已经应用到我们的国防尖端技术设计工作中”。他还进一步指出,关肇直等人的飞行器弹性控制理论研究“实际上,现在已经是导弹运载火箭所不可缺少的一个设计理论”。

  关肇直负责的“我国第一颗人造卫星轨道计算方案的制定”获得1978年全国科学大会奖;“飞行器弹性控制理论研究”获得1982年国家自然科学二等奖;作为主要获奖者之一的项目“尖兵一号返回型卫星和东方红一号卫星”获得1985年国家科技进步特等奖(他主要负责轨道测量和轨道选择),他本人也荣获“科技进步”金质奖章。

  关肇直于1982年11月不幸逝世后,陈翰馥成为控制理论研究室的“接棒人”。 1961年,他从前苏联列宁格勒大学数学力学系毕业后,回国成为中科院数学所新成立的控制理论研究室的第一批成员。

  “文革”结束后的1978年,在芬兰召开的第七届国际自动控制联合会(IFAC)世界大会上,陈翰馥作了“关于随机能观性与能控性”的报告,这是该次大会录取的唯一一篇来自中国大陆的论文。改革开放后,陈翰馥开始研究随机系统的辨识与适应控制问题,这在当时乃至现在仍是自动控制理论的前沿。他关于同时使控制和估计最优的论文,被国外同行专家称为1984~1986年间适应控制领域的“最重要的论文”之一,他得到的辨识算法的收敛条件,被国外专著称为“陈氏条件”。随机逼近算法是系统控制、统计、信号处理等领域广泛应用的一类递推算法,陈翰馥创造性地提出了扩展截尾的随机逼近算法和轨线子序列的收敛性证明,成功地解决了系统控制、信号处理等领域的许多前沿问题,包括多变量线性系统、非线性系统的辨识,非线性系统的适应调节,多智能体系统的同步,递推主成分分析,符号滤波等。

  如今,78岁高龄的陈翰馥仍活跃在科研的第一线,他亲自指导研究生,最新撰写的专著也于2014年在美国出版。他培养的学生中涌现出中科院院士、国家杰出青年基金获得者、美国电子电气工程师协会(IEEE)会士等一批自动控制理论的领军人物。

  作为改革开放后第一批走向世界的科研工作者,陈翰馥先后到加拿大、美国、日本、澳大利亚、法国、荷兰、奥地利等地进行合作研究,他大力推动国内控制理论的发展,积极争取和提高中国在国际自动控制界的发言权和影响力。1999年,IFAC世界大会在北京成功召开,他担任国际程序委员会(IPC)主席,中国自动控制研究获得了国际学术界的认可和高度评价。他还曾任IFAC理事会成员(2002~2005)以及中国自动化学会理事长(1993~2002)等职。

  这个实验室第一批成员中还有一位传奇人物,他就是韩京清,也是我国控制理论和应用早期开拓者之一。

  韩京清从20世纪80年代开始勇于以批判的态度反思现代控制理论的发展现状,对现有控制方法提出了一系列触及本质的质疑,并义无反顾地踏上了一条开创实用控制方法的荆棘之路。特别是在他生命的最后十余年里,开创了自抗扰控制的理念和方法,为解决非线性、时变、解耦、自适应、鲁棒、抗扰、辨识、滤波等重要问题提供了迥然不同的思路和崭新的手段。

  自抗扰控制技术所体现的原创性思想和方法一开始并不被人重视,甚至曾被人质疑,有时科研经费都难以得到保障,韩京清就自掏腰包为课题组开展研究工作提供必要的支撑。60多岁的韩京清亲自做理论推导,上机计算及赴现场实验调试,为新思想、新方法的推进与推广不懈探索。

  如今,国内外围绕运用自抗扰控制思想解决实际工程问题的应用研究,几乎涉及所有的控制工程领域,如导航制导与飞行控制、机械系统、电力系统、化工过程控制和故障诊断等。实验室研究员黄一、博士薛文超等针对我国航天多个类型飞行器研制中遇到的姿态控制难题,提出了基于自抗扰控制的姿态控制方法,目前基于自抗扰控制的姿态控制方法已用于我国航天若干实际型号的飞行控制中。清华大学将其应用于机械加工的精密及超精密运动控制中,中国技术创新有限公司将其用于自主研发的风力发电机控制系统。在美国,自抗扰控制技术经过简化和参数化,先后应用于Parker Hannifin的高分子材料挤压生产线、密歇根州立大学超导回旋加速器国家实验室(NSCL)的超导加速器等。2013年,美国德州仪器公司推出一系列基于自抗扰控制算法的运动控制芯片。近年来,自抗扰技术还以不同的方式出现在一些工控界占主导地位的控制器中,形成了一个国际工控界不可忽视的技术走向。

  与此同时,自抗扰控制也吸引了国内外越来越多研究者。在近年的中国控制会议和美国控制会议上都曾举办“自抗扰控制研讨会”,《控制理论与应用》和ISA Transactions杂志分别在2013年及2014年出版自抗扰控方面的专刊。韩国中源大学在2014年成立“自抗扰控制研究中心”,以期促进自抗扰控制技术与新型产业的结合。

  大凡与韩京清生命轨线相交的人们,无不感受到他对事业的热爱胜过自己的生命,无不感受到一种不朽的人格魅力,一种对真善美义无反顾的追求。正如中科院院士郭雷在纪念韩京清逝世5周年纪念会上所指出的: “韩京清研究员最值得大家学习和铭记的是他的探索精神、独立精神以及奉献精神。他的探索精神不是为探索而探索,而是探索从实际需求中产生的根本性问题。他的独立也不是刻意去标新立异,而是因为有许多实际问题无法用现有理论解决,才需要独辟蹊径。此外,他从不把发表著名刊物论文或追求多大研究项目作为做学问的目标。他把科研、事业看作跟生命一样重要,甚至高于生命,这源于他的世界观、人生观及价值观,而这也实际上决定了他的探索精神、独立精神和奉献精神。”毫无疑问,韩京清用他坎坷、坚毅、求实、创新的一生给后人立下了一座为人为学的精神丰碑。

  程代展于上世纪80年代留学美国主修非线性系统微分几何控制理论,回国后成为这一领域的传播者和带头人,为推动中国控制发展和国际交流做出了重要贡献。

  近年来,凭借国际视野和敏锐的学科嗅觉,程代展意识到,布尔网络对研究基因网络至关重要,但是对于逻辑动态系统的演化,已有的数学工具不多。为此,程代展等人利用自创的矩阵半张量积乘法,首次给出了布尔网络不动点和极限圈的计算公式,并进一步较系统地建立了确定型布尔网络的控制理论。

  这套完整的逻辑方法被国际同行认为是“布尔网络的一个真正突破”,相关结果发表在国际顶尖控制杂志IEEE-TAC等上,并应Springer主编邀请出版专著。2011年,他与齐洪胜在IFAC世界大会上获得每三年奖励一篇的“Automatica理论/方法类最佳论文奖”,这也是该奖史上首篇完全由华人作者完成的论文。2005年,他因在非线控制理论、控制的数字实现及应用方面的杰出贡献当选为IEEE会士,2008年当选为IFAC 会士。他于2008年和2014年两次作为第一完成人获国家自然科学二等奖。

  在控制室年轻一代中,郭雷无疑是最有影响力的领军人。39岁就当选为中科院院士的他,一直都对数学与系统控制科学有着无限的热爱与眷恋。

  1982年,郭雷自山东大学毕业后,考入中科院系统科学所师从陈翰馥读研究生。从此就与这片创新的沃土结下了不解之缘。在这里,他度过了5年的硕博时光,当了4年的系统科学所所长和系统控制重点实验室主任,再后来又担任两届中科院数学与系统科学研究院院长。5年前,在中科院的支持下,他领导筹建了国家数学与交叉科学中心,并担纲首届中心主任。

  可以说,郭雷的贡献不仅局限于其杰出的学术成就,更是为推动和引领我国系统控制科学和数学交叉应用的大力发展乃至比肩国际一流水平,做出了卓越贡献。

  在自动控制历史上,由最小方差控制与最小二乘估计相结合而产生的著名“自校正调节器”,不但从根本上推动了自适应控制学科的发展,并且广泛深刻地影响了工业应用。但是,由于“自校正调节器”涉及数学上相当复杂的非线性随机动力学方程组,严格建立其基本理论曾是这一领域“长期未解决的中心问题”。1990年初,28岁的郭雷在充分汲取前人智慧的基础上,独辟蹊径,创造了新的非线性随机系统分析方法,从而突破性地、合理完整地解决了自校正调节器的全局稳定性和最优性著名难题。在这之后,郭雷又通过建立了自校正调节器的对数律,进一步证明了自校正调节器具有最优收敛速度,并因此获得1993年在悉尼举行的IFAC世界大会唯一的青年作者奖。评奖委员会评价他的工作“解决了最小二乘自校正调节器的收敛性和收敛速度这个控制理论中长期悬而未决的问题。”美国和欧洲等地的科学家在论文中给出一系列公开发表的评价,赞扬这项工作是这一领域的“重大突破”“辉煌成功”和“最重要结果”。

  郭雷在解决了自校正调节器理论难题之后,又解决了另一著名难题完全状态信息下“自适应LQG最优控制”,并建立了一般非平稳相依情形下实际中常用的三类最基本的自适应滤波算法(LMS、KF、RLS)的稳定性和性能分析理论,大大突破了传统理论的局限。国际上随机适应控制系统理论的研究面貌从此发生了根本性改变。

  29岁时,郭雷被聘为国际控制数学领域著名学术刊物、美国《SIAM控制与优化》的编委,成为该刊创刊30年来的第一位华人编委;1993年当选中国十大杰出青年;1994年成为首届国家杰出青年科学基金的获得者;1998年,37岁的郭雷当选为IEEE会士,成为当时国际控制系统领域最年轻的IEEE会士之一;1999年,在北京召开的第14届IFAC世界大会上,郭雷作为五位大会报告人之一,应邀做了题为“自动控制在中国的某些近期发展”的大会报告。

  世纪之交,学术界纷纷展望未来,郭雷也瞄向了更困难、更基本的控制科学问题。现实复杂系统充满各种非线性不确定性,而反馈控制的最大魅力和根本作用就是对付这些不确定性。然而,反馈机制究竟能够对付多大的不确定性?毫无疑问,这是一个具有重要理论和实际意义的基本科学问题,但现有控制理论并不能真正回答。

  鉴于此,郭雷提出了定量研究这一科学问题的理论框架,开启了这一重要研究方向。他先后与合作者对几类基本的非线性不确定控制系统进行研究,发现并证明了反馈机制最大能力的“临界值”或“不可能性定理”等。这一系列成果具有很强的原创性,对定量理解人类和机器中普遍存在的反馈行为的最大能力,以及智能反馈设计中的根本局限具有重要意义,得到国际学术界高度重视和广泛好评,被认为是“具有深远意义的根本性研究”。在2002年北京召开的四年一度的国际数学家大会上,郭雷应邀做了题为“探索反馈机制的能力与极限”的45分钟邀请报告。在2014年南非召开的第19届IFAC世界大会上,郭雷应邀就“反馈机制能够对付多大的不确定性”作了大会报告,获得广泛赞誉。这是他时隔15年后,第二次获得在IFAC世界大会上作大会报告的殊荣,这在国际上也是凤毛麟角的。

  许多人认为,21世纪将是复杂性科学的世纪。近年来,郭雷一直在探索系统学的一个基本问题:多自主体复杂系统从微观到宏观的涌现理论。他通过引进随机框架,指导年轻人对一类最基本的、具有局部相互作用的非线性非平衡多自主体系统展开研究,深入研究了随机几何图的谱隙性质以及随机非线性动态性质,克服了“连通性假设”这个公认的难题,首次完整建立了高密度情形下这类典型群体系统的同步理论,并为相关非平衡大群体系统的研究开启了新路。特别地,他与陈鸽、刘志新于2012年在美国《SIAM控制与优化》发表的论文“群体同步的最小相互作用半径”,被美国工业与应用数学会(SIAM)的旗舰刊物SIAM Review评选为“SIGEST论文”,并被推荐在2014年SIAM Review上再次刊登。据悉,这是大陆学者首次获此殊荣。

  2001年,郭雷当选为中国科学院院士,成为当时中国最年轻的院士之一;2002年,他作为“领头的控制理论专家”当选为第三世界科学院院士;2007年,他因对随机系统的适应控制、估计理论和反馈机制最大能力等方面所做出的“根本性贡献”而当选IFAC会士; 2007年,他当选为瑞典皇家工程科学院外籍院士;2012年被选为IEEE 控制系统学会杰出演讲人;2014年被瑞典皇家理工学院授予荣誉博士学位。

  如今,继续在一线从事科研工作的郭雷,随着工作面的拓展,学术视野也更加开阔。除了继续研究系统学与控制论基本理论问题之外,还积极参与和推动重大交叉科学与实际应用问题研究,并以中国社会经济复杂系统问题为背景,带领年轻人开展博弈控制系统等新方向探索。在郭雷的带领下,实验室不仅继续活跃在国际学术前沿,而且还加强了面向国家重大需求的应用研究。与此同时,肩挑重担的郭雷成为我国相关学科发展规划和战略研究的重要参与者,并就我国科学技术发展与改革的有关重要问题,积极向国家建言献策。

  在国际上,郭雷曾任IFAC理事会成员,IFAC建模辨识与信号处理委员会主席,著名国际控制会议IEEE-CDC共同主席,控制科学领域国际最高奖之一“IEEE控制系统奖”评委,IFAC 青年作者奖评委会主席,国际顶尖控制刊物IEEE-TAC和Automatica 的“最佳论文奖”评委等,目前担任即将在北京举行的第八届国际工业与应用数学大会主席等。在国内,他曾任或现任国务院学位委员会委员、数学学科评议组召集人,国家重点基础研究发展计划(973)专家顾问组成员,国家科学技术奖励委员会委员,中国科学院学术委员会副主任,中国工业与应用数学会理事长等。

  在传承中创新,经过几代系统控制学家的努力,我国的控制理论和系统科学研究获得了长足的发展,在国际舞台上,从逐渐崭露头角到具有重要地位和影响,他们的科研成果也在国家重大科学技术问题的解决中做出了不可磨灭的贡献。

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