自动控制发展的历程 王广雄-第2部分

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　　　　在这个里边，还有一个人，也应该提一下的。就是我们用的是个负反馈，真正使用负反馈是谁呢？是贝尔实验室的布莱克，也是一个年轻的工程师。在1927年的8月2号发明的，都有日子。怎么发明的呢？有人说可能是灵感，一天他去上班，那时候20年代，在美国也是上下班要坐船、坐车，他坐在渡轮上面。所以这样的话，负反馈是1927年，布莱克首先提出来的，我现在为什么要提呢？就是说他到底是不是个灵感，其实推究他实际上是必然性。

　　　　布莱克已经在这个之前，专门研究了电子振荡器，电子振荡器是用反馈工作的，当然是正反馈了，所以他有这个基础。完了正好这么一想，我这个线性化为什么不用这个方法呢？就是他有工作的积累，布莱克有很多用反馈原理构成振荡器线路的这些工作基础，完了老在想这个问题，这样灵感就出来了，就做出来这个负反馈放大器，这是一个人，应该要提一下。

　　　　还有下面要上的是尼可尔斯（Nichols），我们下面还要提一下的，尼可尔斯（Nichols），他提出来的一个，大家现在学控制的可能都知道，PID的整定法。整定法是尼可尔斯（Nichols）在二十世纪40年代提出来的，他做了PID，他这人很有才能，他做了PID，他想办法把PID调出来，想办法参数应该怎么整定，需要用模拟机。当时美国惟一一台模拟机，当时的模拟机叫微分分析仪，麻省理工学院的。这个模拟机的制造人是谁呢？就是刚才说的，当时是维布什（Vannevar　Bush），后来他是美国总统的科学顾问，原来就是搞自动控制的，他设计了这个微分分析仪，现在叫模拟机。尼可尔斯（Nichols）就在这个模拟机上做了大量的仿真实验，最后列出来这个PID的整定表，50年过去了现在大家还在用。有一样工作50年不变的就是这个PID整定表，现在还在用，就是尼可尔斯（Nichols）发明的。

　　　　所以这个呢。因为他的工作才能，当时MIT（麻省理工学院），还有一个飞机机载雷达的控制系统在调试。调试不下来，老出问题。从现在看呢！也就是我们现在说的叫频带问题，调不出来，他在仪器厂，与MIT（麻省理工学院）不在一个地方。他是来做仿真实验，模拟机实验，完了呢！也参加了一些讨论，结果他发表了很多观点，提出了好多方法。结果MIT（麻省理工学院）把他看上了，就要他留下来，别回到调节器工厂那儿去了，所以PID的整定方法提出来以后，他就留在MIT（麻省理工学院），做了很多伺服系统的工作。

　　　　这个是最后的，战争结束以后，他们才把工作展现出来。这一本书呢，现在是一本经典著作，当时我们国家解放了，当时这些资料都没有，我们只能是看到俄文的。俄文的是1953年翻译出来的。

　　　　这个就是相当于我们刚才说的，逐渐的一些经验都总结起来，都形成理论了。这是一本在美国出版的书。下一本呢，第二本要介绍的是钱学森的《工程控制论》。钱学森是1954年写的书，当时他在美国写的书，我们这里也拿不到英文版，但是前苏联很重视，前苏联马上把它翻成俄文。我们看到的前苏联是1956年把他的俄文，翻译出来了，我们当时看到的是俄文版，这是在大概二十世纪50年代形成过程里边的几个主要的过程，把经验都总结出来。下一本是鲁里叶（Lurie）的非线性的一个经典著作，这个是1951年出版的鲁里叶（Lurie）的那本书。鲁里叶（Lurie）　在前苏联大概1944年他提出来，大家现在搞非线性可能都知道，提出来一个鲁里叶问题，这个问题一直解决不了，他后来写成书了，就是留着这问题。这个问题，开始到什么时候呢？我这里说一下这两个风格，英美的刚才大家已经听出来了，都是搞工程的人在搞控制，前苏联是应用数学家跟力学家在搞控制，所以两个起的作用都不一样。他这本书1951年当时是非常难看懂的，很难读懂。这个工作，他提出来的鲁里叶（Lurie）问题，一直到1960年才有人解决，提出来一个解决方案，大家可能知道的，就是波波夫（Popov）的绝对稳定性。后来就提出来超稳定性，是解决的这个鲁里叶（Lurie）问题。就是说这本书当时二十世纪50年代，二十世纪40年代后期，50年代初的一些工作，一直影响到二十世纪60年代，而且还影响到目前一些非线性的理论工作，都是以他这个为基础。

　　　　我刚才说的，是整个在二十世纪40年代，前面的是个技术的发展过程，慢慢形成理论了。我现在接下来就是谈到发展了，我习惯上用这么一个时间表来表示。50年代的时候，一般都叫经典控制理论；　60年代叫状态空间法，实际上就是状态空间方法，但是呢，当时的名称，把它叫做现代控制理论了；后来70年代是现代频域法，这么一个过程。接下来现在就是要说明一下状态空间法，完了就叫现代控制理论。这个状态空间法谁先提出来的呢？是刚才的第三本书，前苏联的这些学者。他们搞应用数学、搞力学的，他们从来就是用的是状态空间法。1960年卡尔曼把它介绍到英语世界，这个世界用英语来说是English　speaking　country　，就是说英语的国家里边去，因为本来大家都不知道，卡尔曼是个斯拉夫名字。他1960年的时候，他把状态空间法介绍给美国。但是加上人为炒作，就把这个现代控制理论炒作得好像非常神一样，当时也有些人寄予希望也是比较大。这个就是发展了十年以后，就发现期望过大了，好像也只不过如此吧！有些问题你也没解决了。所以那个时候，又有人回到频域法，就是最早50年代是频域法，60年代状态空间，70年代又回到频域法。

　　　　当然这个是螺旋上升的，这个是我们不能再讲得特别细。就这个时候的频域法就加了个名字，叫现代频域法。实际上是螺旋上升，又回到频域法。觉得频域里边来考虑设计问题还是比较恰当的，考虑一些设计要求，就出现了这个频域法。正好在现代频域法发展的这个势头上的时候，1981年有人写文章说你这个没有鲁棒性，我们现在大家搞控制理论知道要鲁棒设计。说你这个现代频域法没有鲁棒性，当时人家不信、不服，经过80年代的论证，争议慢慢形成。到1991年，就是现在的有人当然是你可能这个术语不一定统一，有人把它叫做现代后控制理论，Postmodern　control　theory。我们现在就回过来看看，为什么说这个没有鲁棒性？这个要说到，我们从多变量系统来说，多变量系统实际上是多入多出系统。多变量不太恰当，输入有好多个，输出有好多个。多变量里一个问题，叫做耦合，就是输入输出之间互相耦合。控制的时候，直观的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢！就是这个1跟输出1可以组成反馈系统，这个2呢！跟输出2可以组成反馈系统，这个设计的时候就比较容易了。但是解耦设计是个什么概念？解耦设计实际上要求输入输出之间的关系，我1控制1，2控制2，用我们的术语来说这是响应特性，并不表示我的反馈系统有些什么特点，有些什么要求。为了说明这个响应特性，我们再来看一个例子。

　　　　这是大家只要学控制的，只要和控制原理有关的课，首先碰上的一个问题，我一个控制器跟控制对象组成个系统。老师一开始讲的时候就这么讲，完了呢，说这个系统等效成为一个二阶系统，这个二阶系统输入是阶跃的时候，我输出是什么要求，完了零极点怎么配置。在谈这些问题的时候，大家注意没有。他忽略了一个最主要的什么问题呢？这么在讲的时候把上面的一个反馈控制忘了，只谈输入输出了。我阶跃你只要响应是什么样，完了你极点怎么配置。再问个问题，你前边的为什么用反馈呢？没讲！这就刚才这个多入多出系统里边的解耦设计也是一样。解耦设计就是个输入输出的响应要求，并不是说没有这个要求，但是你光有要求，就譬如我这几点，我当然是有要求，但是光有要求，你还没谈到反馈。所以就让人给抓住了，就说你这没有鲁棒性。因为鲁棒性就是跟反馈直接有关系的问题，你反馈设计的时候就没有考虑鲁棒性，那你怎么能设计完你一定有鲁棒性，那你假如有鲁棒性，那是碰上的，你就是没有考虑反馈设计的鲁棒性能，就是没有设计，就是当时在现代频域法发展的高峰的时候，就有人提出来。

　　　　但是，我看到国内有些杂志，有人对这个观点还不太同意，大家可能以后会接触到。但是主流大家都是承认，你这个现代频域法当时提出来的是没有考虑鲁棒性。这个鲁棒性是个什么问题呢？我们看下一个图，我们设计控制系统的时候，是控制器跟数学模型。你在纸面上，用计算机设计的时候，就是这么设计的。上面这一个反馈系统，你设计好了，数学模型是留在你的计算机里，你用的时候要跟下面的一个实际物理系统是连接，实际物理系统跟你数学模型总有点不一样。假如我只允许你只能在我这样的数学方程式下，系统是好的，那你没用的，你做出来系统不能用。我们的设计要允许这两个有差别，这个允许差别就叫有鲁棒性，所以鲁棒性不是我们一般数学上的问题。就是实际上提出来的问题，就是解决你这个设计到底能不能用的问题。所谓我有鲁棒性，就是你的设计允许有这个差别，允许有不确定性，你在纸面上设计的系统做成控制器以后，到实际上用，照样有这个性能，这才叫你的设计具有鲁棒性。所以这个鲁棒性的概念就是80年代提出来的，逐渐形成了我们现在说的现代后控制理论。

　　　　我们把这个刚才说的那个过程，就是把它归成这个几类，一个经典控制理论，现代控制理论，后边现代后控制理论，这个里边研究对象不一样，一个传递函数，一个状