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有问必答 |
最近“有问必答”栏目组荣幸地采访了著名控制论专家上海交通大学席裕庚教授。我们就大家一直关心的几个问题，请席老师谈谈自己的看法。以下是访谈录，我们想年轻的控制学子一定能从中得到许多启迪。我们也期待听到你们的反馈意见。如果读者有任何对控制理论与应用的问题，欢迎来信，我们将带着你们的疑问去采访相关领域的专家学者。毫无疑问，只要我们共同努力，自动控制的明天一定更加美好！ 问（栏目组）：席老师，您好！感谢在百忙之中抽空接受我们的采访。能否请您先谈谈您当初是如何进入自动控制这个领域的？ 答（席裕庚教授）：我进入控制领域还真有些偶然。我1963年进入哈军工原子工程系爆炸力学专业学习，因文革中断学习，只学完了基础课和少数专业基础课。毕业后在内地一个小厂工作，1975年借调到上海某厂，先后参加了数控车床和数控线切割机的研制，在两年时间里，与上海交大前来开门办学的自动控制系师生共同参与研制开发。1977年底，听说国家要恢复招收研究生，我跃跃欲试，但不知考什么专业好。交大的老师们便鼓励我报考交大自控专业。我对自控一窍不通，虽然参加了数控项目，但主要从事的是逻辑电路设计方面的工作，所以只好借来绪方胜彦的现代控制工程等指定参考书急补，经过几个月的努力，顺利通过了研究生考试。但此时我对自动控制的了解，完全是建立在数学公式和分析推演上的，只能是对付考试的。我真正开始理解控制的原理和意义，是我在1979年被公派到德国留学、在慕尼黑工业大学听课和参加课题研究后。德国的控制课程公式不复杂，物理意义非常清晰，一道看起来很简单的题，在概念理解上可以翻出很多问题。在德国的5年，我较完整地补学了自动控制的课程，先后参加了天然气传输网观测器设计、预测控制系统分析与综合两个研究课题，在工作中根据需要查阅了大量文献，不断扩充控制和相关领域的知识，并根据导师对博士生的要求，在实验室的传热微机控制系统中做了预测控制算法的检验和参数调试。这些使我开始明确自动控制不仅仅是数学，在传递函数、状态方程后面，有着各式各样的物理形态，有着形与实的差异，同时也体验了通过控制实现期望目标的魅力。可以说，只有到这时候，我才开始真正进入自动控制领域。 问：您如何理解控制理论和应用的Gap的？可否请您谈谈目前您研究领域的现状和有待解决的重要研究问题？ 答：控制理论的研究和控制的工程应用是控制学科两大永恒的主题，而理论与应用的Gap和结合问题也长期为控制界所关注。其实，理论研究和应用有着完全不同的出发点，它们都有自己关心的内容和研究的方法，也有各自的评价标准。在控制领域中，理论研究通常是通过从实际中提炼出科学问题来驱动的，它们通常已被抽象化为在一定假设条件下用符号、逻辑描述的数学问题。理论研究关注的是学术的创新性，即是否有新颖的思路和巧妙的方法去解决面临的难点问题。成功的理论可以给出在给定假设条件下解决问题的科学指导，但其是否真正能应用于实际，还取决于应用的环境和实施的可能。虽然在控制领域中不乏兼具学术创新性和应用价值的理论，但能否直接应用毕竟不是衡量理论成功的必要标准。因此，理论与应用之间存在Gap是难以避免的。 以模型预测控制领域为例，正如我们在2013年自动化学报的综述文章中所述，在这个领域内，理论研究与实际应用之间的Gap从一开始就存在。在预测控制发展的早期，预测控制的理论研究还多少来自工业中应用预测控制算法时调试参数缺乏理论指导的需要，但这一研究由于本质的数学困难而未能走远。为了改变预测控制理论薄弱的局面，90年代起人们开始把出发点从解决工业应用预测控制算法的难点转换到解决具有滚动优化特点的控制算法性能，使预测控制的理论研究得以借鉴最优控制、鲁棒控制等领域的成果而得到蓬勃发展。近一二十年里，在主流学术刊物上出现了成百上千篇论文，从学术角度看解决了不少难点问题，出现了一批深刻的、有经典意义的学术思想，也形成了预测控制的理论体系。但同时我们也看到，预测控制理论这一堪称辉煌的发展对其应用产生的影响甚微，很少有这些算法在实际中应用成功的案例报道。而长期得到成功应用的各种工业预测控制算法依然保持了早期的风格，虽然它很少关注和吸纳近20年来理论研究的成果，仍需要以仿真支持进行参数整定，但其功能通过升级换代不断提升，应用领域也大大扩展，作为一种先进控制技术已获得了很大的成功。当前的预测控制理论研究与工业应用的Gap与其早期相比并没有缩小。这是一个非常典型的反映理论和应用各自沿自己的轨迹发展、各自取得成功与辉煌、但缺乏相互结合和支持的例子。 但控制科学作为一门技术科学，它的理论归根结底要为其应用提供支撑，所以除了少数纯理论的探索外，控制理论应该更多地面向应用，从实际中提炼出需要解决的科学问题，从理论上说明所用方法策略的合理性、适用范围及指导规律，并进一步提出解决难点问题的新思路及相关理论。要缩小理论与应用间的Gap，面向应用的控制理论研究不能像纯理论研究那样无牵无挂，而应“身临其境，思前顾后”。所谓“身临其境”，就是在研究理论问题时，要把自己想象成置身于某个实际物理环境中，以此考虑“我要做什么”，“我知道什么”，“我能做什么”，“我如何做”，这样，就可以在把问题抽象成数学表达式和推导论证的全过程中，时刻注意这些数学符号背后所隐含的物理意义。所谓“思前”，就是在形成问题时要有实际需求背景、做出假设要有现实合理性、数学描述要有物理对应性；所谓“顾后”，就是所得结果对原始问题能给出有物理意义的解释，所得条件中的信息应该可知、条件可判，所给出的在线算法能满足实时性要求，所表达的逻辑关系应能反映出系统变化通过哪些参数、条件对最终结果产生影响。当前预测控制领域的Gap问题，其原因在于相当一部分理论研究是在解决理论难点的的需求驱动下开展的，缺少上面所说的“身临其境，思前顾后”，所以很难受到应用界的关注。但近年来，预测控制的理论界和应用界都在做出相互靠近的努力，我们希望预测控制理论下一步的发展能为预测控制方法的应用真正提供支持和帮助。 问：控制学科是一个横向学科, 控制理论和控制技术为众多其它学科的发展作出了重要的贡献, 许多学科迫切需要控制领域的研究人员的积极参与。如有可能, 请问席老师, 作为一个控制领域的研究者怎样才能和其它学科(例如能源、生物与医学等)的研究人员进行有效的合作? 作为一个什么的角色比较适合? 答：关于控制学科的性质、它与信息学科及其它学科的关系等，我已经在中国自动化学会控制理论专业委员会主编的“系统与控制纵横”2014年第1卷第1期中发表了“控制科学漫谈—学科的思考”一文，见 问：瑞典皇家科学院院士Karl J. Astrom、前IFAC主席Pedro Albertos等都说过控制是一门隐藏（hidden）的科学技术，您是如何理解的？ 答：控制是一门隐藏的科学技术，这是指在各行各业的自动化系统中控制技术虽然起着关键的作用，但往往被掩盖在各种物理实体中不为人们所认识。但为什么控制会起到关键的作用？这主要是因为控制科学具有鲜明的方法论特征，能为各种自动化系统实现其目标提供解决的方法思想。 控制科学研究人们实现有目的行为的一般原理和方法，它的许多重要贡献和创新，无不体现了某种具有普适性的方法思想，例如用反馈方法消除设计的偏差，用结构分析方法解决大规模工程系统的设计，用分解协调方法解决大系统的复杂关联，用自适应方法解决对象参数不确定变化等，已成为各领域解决相关问题的普适性思路，使控制科学提供的各种方法以“hidden”的方式出现在各种技术系统中。 方法论是以具体的知识和算法为载体的，因此尽管听起来很抽象，很哲学，但它就在我们学习和研究的全过程中，问题是有没有自觉地去理解和思考它。在科学研究中，发现“是什么（What）？”、解决“怎样做（How）？” 固然重要，但只有进一步去思考和理解“为什么这样做（Why）？”，才有可能掌握隐藏在知识和算法后面的解决难点问题的规律和方法，并把它们延伸到解决有相似难点的不同问题。我在“自动化学报”2002年增刊曾发表论文“注重控制科学的方法论研究”做了一些举例说明。 方法论作为控制科学最本质的层次，始终蕴育并指导着新的控制理论和技术的产生和发展，因而是控制中原始创新的源泉。控制科学的研究需要方法论的思考，挖掘隐藏在具体内容背后的“聪明”想法，不仅能使我们更深刻地体验现有知识的价值，而且可以用更宽广的视角对未解决的问题进行探索与创新。这也是培养创新型人才、“授人以鱼，不如授人以渔”的需要。 问：除了研究和行政工作之外，可否谈谈您的个人兴趣和爱好？ 答：我在中学时代十分喜爱数学和天文，在命运多变的青年时代，又对哲学和中国古代诗词感兴趣，现在年纪大了，喜欢听听天籁之音，看看历史纪实小说和影视。
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主要从事预测控制、大系统和复杂系统控制、智能机器人系统与技术等方面的基础研究，先后主持了国家自然科学基金、国家863计划、国家科委、教委及上海市科委基金项目20余项。在国内率先开展了预测控制的研究，在预测控制的理论研究和大系统理论、智能机器人规划、控制等方面取得了丰硕的成果。在国内外学术刊物与会议上发表论文300余篇，出版了《预测控制》、《动态大系统方法导论》等4部著作，主编学术会议论文集3部。先后获教育部或省市科技进步一等奖2次、二等奖4次，国家优秀教材奖2次，全国优秀科技图书二等奖1次，上海市优秀教学成果奖2次，并被授予国家有突出贡献的中青年专家、全国优秀教师、全国优秀科技工作者、上海市科技精英、上海市高教精英等荣誉称号。 席裕庚教授曾任IFAC大规模复杂系统技术委员会（TC5.4）副主席、亚洲控制教授协会（ACPA）主席、亚洲控制协会（ACA）主席、中国自动化学会副理事长、上海市科协副主席、上海市自动化学会理事长等职。现任中国自动化学会控制理论专业委员会顾问委员以及Control Engineering Practice等刊物的编委。
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