有问必答

　　　　　　　　　　　　　——“有问必答”栏目组

　　控制科学的未来研究方向、人才培养和教育等一直是大家关心的问题。在本期栏目里，我们继续推出专家访谈。我们有幸采访了著名的控制科学家、中科院院士吴宏鑫老师。下面是本期的访谈录。

　　问（“有问必答”栏目组）：吴院士，您好！面对航空航天领域新的挑战，可否请您谈谈现有的控制理论有何不足？哪些方向需要进一步深入研究？

　　答（吴宏鑫院士）：首先介绍航天领域对于控制的新挑战：

　　随着航天事业的发展，对航天控制要求是：①航天器的控制要具有高精度、高稳定度和快速机动的控制性能；②从国防需求看，航天器飞行中应具有自主能力，增强航天器尽可能不依赖地面站的自主生存和可靠运行能力；③航天器结构越来越复杂，刚柔耦合越来越紧，质量变化及不确定性因素增多，要求航天器控制必须具有强适应性；④航天器结构向着复杂化和小型化两个方向发展，在保证控制性能要求前提下，控制系统的实现越简单越可靠越好。现有控制理论研究不足之处是一多三少，即①数学算法研究多（即不从实际工程中提炼的数学算法）；②实际问题提炼少；③实际验证应用少；④原始创新思维少。从应用角度看，现有新的控制理论在航天控制中应用甚少。

　　针对上述挑战和不足，根据杨嘉墀院士提出航天器控制的发展方向是实现智能自主控制，在这一总方向下，本人认为其主要研究内容应包括：

　　（1）具有变结构变参数的智能和自适应相结合的控制理论和方法，即
　　　　① 根据对象物理机理特征与控制要求相结合的思想建立特征模型；
　　　　② 利用计算机技术进行计算机的系统分析、设计与稳定性证明研究；
　　　　③ 从实际问题出发，引入人的智能，进行智能与自适应相结合的控制理论和方法研究；
　　（2）航天器自主导航的理论和方法；
　　（3）在线故障诊断与重构技术的理论和方法

　　上述内容难度极大，是一个综合性控制理论和工程研究，智能自主控制，美国早在二十多年前就开始了，中国刚开始不久，需花大力气，埋头苦干，脚踏实地地去做，积极又有耐心地坚持下去。

　　问：实际系统采用绝大多数还是PID控制，先进控制理论如非线性控制、鲁棒控制、自适应控制等在实际系统中的应用不多，您认为其中的原因是什么？您将自适应控制成功应用于航天领域，成功的关键是什么？请分别给做应用和做理论的科研人员一些建议，怎样缩小控制理论和控制工程之间的脱节？

　　答：目前实际系统绝大多数仍用PID控制，先进控制理论如自适应控制确实应用不多。其原因应从三方面考虑：

　　第一方面，目前实际工程的控制采用PID控制，它可以满足任务需求且简单实用，新的先进控制理论较为复杂且不太实用，因为在实际控制过程中对控制性能的动态性能要求很严，如超调、过渡过程时间和稳定误差要求很直观，通过调节PID可以很快满足，而所谓先进控制理论在上述性能方面考虑甚少，而主要理论分析只是考虑稳定性（当然这需要考虑）；

　　第二方面，研究控制理论的人对实际工程太缺乏了解，所提控制理论从数学方面考虑多而从实际中提炼问题太少，而搞实际工程应用的人，又不太重视理论研究经验者多，以自适应控制理论研究为例，从理论上讲自适应控制的思想很好，对于搞理论研究的人有下列问题未考虑：

　　① 对于一个参数未知系统在自适应控制时需要参数辨识，理论证明要在参数估计收敛时方可稳定，但实际系统在一开始工作时由于参数估计未收敛如何保证系统稳定呢？这一关键问题不解决，怎么应用！
　　② 参数估计和收敛条件是激励频率丰富，激励强度足够大，一个闭环运行的高精度要求的控制系统很难满足这些条件；
　　③ 有多个未知参数估计时，需要足够的测量信息，而在实际工程中真正独立测量的信息只有位置、速度和加速度三种，于是有人便假设所谓全状态可测，这种假设是否切合实际；
　　④ 噪声特性，性噪比小时也很难测。

　　针对上述四个基本问题在有关刊物上我查看了上百篇有关自适应控制的文章，研究者甚少。这些方面的问题是工程中存在而必须解决的问题，如不考虑，这样的自适应控制理论怎么能应用呢？

　　对于搞工程应用的人又未能将上述实际问题上升到理论和方法，所以论文也难发表，水平上不来，凭经验者多，建议搞理论的人多接触一些实际，搞工程的人多学习一些理论方面的文章，两者相互学习取长补短。

　　我们注意了这两方面的问题，多年来做了一些努力。我们提出的全系数自适应控制方法和基于特征模型的自适应控制对上述四个基本问题在一定程度上作了深入研究和考虑，并经多次工程应用考验，所以不仅成功地应用于航天控制，而且已在多个工业系统取得成功。但与搞得好研究比，相差甚远。

　　最后还应说明的是实际工程能应用的控制理论绝不是单纯的一个数学算法问题，必须是理论、工程和经验相结合的产物，这一点我有非常深刻的教训和感受。

　　第三个方面目前有些指挥棒，重视发表文章的SCI等引用，不太重视文章是否真正有用。为了升级评职称等，只好以写文章为主，因为一个真正能应用的文章短时间是很难写出来的。所以出现理论与实际脱节现象并不能过多地批评具体研究人员。

　　问：您带出的学生中许多已经成为我国航天事业的骨干力量。能否请吴院士与我们分享研究生培养方面的经验？

　　答：在研究所我带出的学生不多，共有70余名，除少数出国外，多数都留在国内，其中留北京控制工程研究所的最多，有的已成为航天事业的骨干力量和领军人物，其原因有：

　　① 北京控制工程研究所有航天控制的国家工程需求和尚好的待遇，年轻人大多希望实现自己报效祖国与成就事业的愿望，希望体现自己的价值，他们热爱航天，这在北京控制工程研究所工作能得到满足。
　　② 作为老师，对学生人生观的影响是很大的，在出国与为国家服务上本人始终坚持认为能服务国家，把自己祖国建设好是第一位，出国的目的也应是如此吧。
　　③ 我非常热爱我的学生，我的老师杨嘉墀院士对我说，你应把对待儿子的情感去对待学生，我也如此做了，所以一方面在思想和学术研究上我对他们很严格，论文答辩不是很容易通过，必须理论与实际相结合作研究，在研究中参加实际工程任务，但又不纯陷于工程。他们如遇到各种困难，我都会全力帮助解决，所以我的学生绝大多数从入学到工作后都和我保持良好的关系。
　　④ 我非常尊重学生的兴趣爱好，包括选题，不强迫学生做我推荐的研究课题，这样学生有兴趣和积极性去努力学习。

　　问：大学生本科生活和学习对一个人的一生有重要的影响。能否请吴院士结合自己的人生经历回答一下“If I were a freshman again,......”

　　答：大学生活对一个人成长极其重要，我很留恋我在清华大学六年的生活。当时学校特别重视思想教育和基础理论知识和生产实习课，培养德智体全面发展的红色工程师。毕业后，我就想把自己学到的东西为国家建设和国防建设服务，当然大学也应培养为科学事业作出创造性贡献的大师级人才打下基础，使之具有为科学事业追求真理，淡泊名利的精神，不是想个人成名成家。毕业后工作近48年看当时的中国国情，为中国建设需求来看，则教育是正确的。现在大学教育我有些不明白，如过分地强调大学要培养世界级大师人物，过分地强调要成名成家，好像做一名工程师就不值一提，一个世界级大师的出现绝不是仅仅靠大学期间培养的，他主要在毕业后长期的工作实践中学习与努力及一定的外界历史条件下产生的；还有一点是，世界顶尖级大师也是极个别的，绝大多数大学生是不可能成为世界级大师人物，把极个别人的成长作为大学培养目标是否合适，值得研究。

　　历史上大人物、大师很多并不是仅靠大学培养，无论政治、军事还是科学技术例子甚多，不适当的过高提法，有可能引导年轻人追名逐利、急功近利的浮躁作风，我们不能否认伟大科学家在科技发展中的作用，但从历史上几次大的生产、科学技术发展看，绝不仅是某些个人工作，在某种意义是一种时代的呼唤，况且某些大科学家到晚年时都犯一定错误，不能促进科技发展其例子也甚多，所以王选院士曾发文提出，大科学家到晚年时脱离实际应少发表不利于科学发展的意见。我很赞同。

　　“有问必答”栏目组：感谢吴院士在百忙中接受我们的采访，谢谢支持我们的工作！

　　中国自动化学会 控制理论专业委员会
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