關肇直(1919~1982),中國科學院院士。
記者 姜天海綜合報導
1962年,這是銘刻在我國系統控制領域史冊的一年。這一年,中國第一個專門從事現代控制理論研究的「控制理論研究室」在中科院數學研究所成立,為我國「兩彈一星」等具有高度複雜性、高精度需求的國家尖端控制技術研發做出了不可磨滅的貢獻。
此後,在幾代學術帶頭人的努力下,我國系統控制領域迸發出經久不衰的創新活力,呈上一份又一份具有原創性、突破性和關鍵性的成績單。
關肇直、宋健、陳翰馥、韓京清、程代展、郭雷……每一個名字都擲地有聲,他們在控制理論基礎和應用研究方面,取得了令世人矚目的成就。
「東方紅一號」衛星、飛行器彈性控制、自校正調節器、自抗擾控制器、布爾網絡控制……無數次國防工程和經濟領域的重大需求以及基礎研究攻關背後,都鐫刻著他們的名字。
半個多世紀的櫛風沐雨,砥礪前行,一代代系統控制人在傳承中創新,讓該領域在國際舞臺上煥發光彩。
開拓中國現代控制理論
在中國古今26位著名數學家的中小學讀本中,關肇直的故事一直為大家所傳頌。不僅因為他是我國現代控制理論的創建者,在泛函分析、數學物理、現代控制理論等領域成績卓著,更因他為我國國防建設做出了重大貢獻。
從上世紀60年代起,關肇直為我國現代控制理論的發展付出了畢生心血。在著名科學家錢學森的倡儀下,他根據國防建設和學科發展的需要, 於1962年組建了我國第一個專門從事現代控制理論研究的機構——控制理論研究室,並親任室主任。
關肇直一貫重視科研工作理論聯繫實際,他對理論與實踐的辯證關係有著深刻認識。他一方面強調「沒有理論,拿什麼去聯繫實際」,一方面十分重視面向國家急需的重大實際問題的研究並身體力行。他在領導控制理論研究室的工作中,在緊抓控制理論基礎研究的同時,親自帶領全室科研人員積極參與了多項國防尖端武器控制系統的設計和研發,取得重要成果。特別是他與我國著名控制科學家宋健等合作研究彈性振動控制,提出了細長飛行器彈性振動的閉環控制模型,開創了分布參數控制理論的一類新的研究方向。
錢學森在1982年「關肇直同志紀念會」上曾指出,關肇直等人的「工作結果已經應用到我們的國防尖端技術設計工作中」。他還進一步指出,關肇直等人的飛行器彈性控制理論研究「實際上,現在已經是飛彈運載火箭所不可缺少的一個設計理論」。
關肇直負責的「我國第一顆人造衛星軌道計算方案的制定」獲得1978年全國科學大會獎;「飛行器彈性控制理論研究」獲得1982年國家自然科學二等獎;作為主要獲獎者之一的項目「尖兵一號返回型衛星和東方紅一號衛星」獲得1985年國家科技進步特等獎(他主要負責軌道測量和軌道選擇),他本人也榮獲「科技進步」金質獎章。
陳翰馥,1937 年生,中國科學院院士。
國際控制舞臺展風採
關肇直於1982年11月不幸逝世後,陳翰馥成為控制理論研究室的「接棒人」。 1961年,他從前蘇聯列寧格勒大學數學力學系畢業後,回國成為中科院數學所新成立的控制理論研究室的第一批成員。
「文革」結束後的1978年,在芬蘭召開的第七屆國際自動控制聯合會(IFAC)世界大會上,陳翰馥作了「關於隨機能觀性與能控性」的報告,這是該次大會錄取的唯一一篇來自中國大陸的論文。改革開放後,陳翰馥開始研究隨機系統的辨識與適應控制問題,這在當時乃至現在仍是自動控制理論的前沿。他關於同時使控制和估計最優的論文,被國外同行專家稱為1984~1986年間適應控制領域的「最重要的論文」之一,他得到的辨識算法的收斂條件,被國外專著稱為「陳氏條件」。隨機逼近算法是系統控制、統計、信號處理等領域廣泛應用的一類遞推算法,陳翰馥創造性地提出了擴展截尾的隨機逼近算法和軌線—子序列的收斂性證明,成功地解決了系統控制、信號處理等領域的許多前沿問題,包括多變量線性系統、非線性系統的辨識,非線性系統的適應調節,多智能體系統的同步,遞推主成分分析,符號濾波等。
如今,78歲高齡的陳翰馥仍活躍在科研的第一線,他親自指導研究生,最新撰寫的專著也於2014年在美國出版。他培養的學生中湧現出中科院院士、國家傑出青年基金獲得者、美國電子電氣工程師協會(IEEE)會士等一批自動控制理論的領軍人物。
作為改革開放後第一批走向世界的科研工作者,陳翰馥先後到加拿大、美國、日本、澳大利亞、法國、荷蘭、奧地利等地進行合作研究,他大力推動國內控制理論的發展,積極爭取和提高中國在國際自動控制界的發言權和影響力。1999年,IFAC世界大會在北京成功召開,他擔任國際程序委員會(IPC)主席,中國自動控制研究獲得了國際學術界的認可和高度評價。他還曾任IFAC理事會成員(2002~2005)以及中國自動化學會理事長(1993~2002)等職。
發明自抗擾控制技術
這個實驗室第一批成員中還有一位傳奇人物,他就是韓京清,也是我國控制理論和應用早期開拓者之一。
韓京清從20世紀80年代開始勇於以批判的態度反思現代控制理論的發展現狀,對現有控制方法提出了一系列觸及本質的質疑,並義無反顧地踏上了一條開創實用控制方法的荊棘之路。特別是在他生命的最後十餘年裡,開創了自抗擾控制的理念和方法,為解決非線性、時變、解耦、自適應、魯棒、抗擾、辨識、濾波等重要問題提供了迥然不同的思路和嶄新的手段。
自抗擾控制技術所體現的原創性思想和方法一開始並不被人重視,甚至曾被人質疑,有時科研經費都難以得到保障,韓京清就自掏腰包為課題組開展研究工作提供必要的支撐。60多歲的韓京清親自做理論推導,上機計算及赴現場實驗調試,為新思想、新方法的推進與推廣不懈探索。
如今,國內外圍繞運用自抗擾控制思想解決實際工程問題的應用研究,幾乎涉及所有的控制工程領域,如導航制導與飛行控制、機械系統、電力系統、化工過程控制和故障診斷等。實驗室研究員黃一、博士薛文超等針對我國航天多個類型飛行器研製中遇到的姿態控制難題,提出了基於自抗擾控制的姿態控制方法,目前基於自抗擾控制的姿態控制方法已用於我國航天若干實際型號的飛行控制中。清華大學將其應用於機械加工的精密及超精密運動控制中,中國技術創新有限公司將其用於自主研發的風力發電機控制系統。在美國,自抗擾控制技術經過簡化和參數化,先後應用於Parker Hannifin的高分子材料擠壓生產線、密西根州立大學超導回旋加速器國家實驗室(NSCL)的超導加速器等。2013年,美國德州儀器公司推出一系列基於自抗擾控制算法的運動控制晶片。近年來,自抗擾技術還以不同的方式出現在一些工控界佔主導地位的控制器中,形成了一個國際工控界不可忽視的技術走向。
與此同時,自抗擾控制也吸引了國內外越來越多研究者。在近年的中國控制會議和美國控制會議上都曾舉辦「自抗擾控制研討會」,《控制理論與應用》和ISA Transactions雜誌分別在2013年及2014年出版自抗擾控方面的專刊。韓國中源大學在2014年成立「自抗擾控制研究中心」,以期促進自抗擾控制技術與新型產業的結合。
大凡與韓京清生命軌線相交的人們,無不感受到他對事業的熱愛勝過自己的生命,無不感受到一種不朽的人格魅力,一種對真善美義無反顧的追求。正如中科院院士郭雷在紀念韓京清逝世5周年紀念會上所指出的: 「韓京清研究員最值得大家學習和銘記的是他的探索精神、獨立精神以及奉獻精神。他的探索精神不是為探索而探索,而是探索從實際需求中產生的根本性問題。他的獨立也不是刻意去標新立異,而是因為有許多實際問題無法用現有理論解決,才需要獨闢蹊徑。此外,他從不把發表著名刊物論文或追求多大研究項目作為做學問的目標。他把科研、事業看作跟生命一樣重要,甚至高於生命,這源於他的世界觀、人生觀及價值觀,而這也實際上決定了他的探索精神、獨立精神和奉獻精神。」毫無疑問,韓京清用他坎坷、堅毅、求實、創新的一生給後人立下了一座為人為學的精神豐碑。
揭示布爾網絡奧秘
程代展於上世紀80年代留學美國主修非線性系統微分幾何控制理論,回國後成為這一領域的傳播者和帶頭人,為推動中國控制發展和國際交流做出了重要貢獻。
近年來,憑藉國際視野和敏銳的學科嗅覺,程代展意識到,布爾網絡對研究基因網絡至關重要,但是對於邏輯動態系統的演化,已有的數學工具不多。為此,程代展等人利用自創的矩陣半張量積乘法,首次給出了布爾網絡不動點和極限圈的計算公式,並進一步較系統地建立了確定型布爾網絡的控制理論。
這套完整的邏輯方法被國際同行認為是「布爾網絡的一個真正突破」,相關結果發表在國際頂尖控制雜誌IEEE-TAC等上,並應Springer主編邀請出版專著。2011年,他與齊洪勝在IFAC世界大會上獲得每三年獎勵一篇的「Automatica理論/方法類最佳論文獎」,這也是該獎史上首篇完全由華人作者完成的論文。2005年,他因在非線控制理論、控制的數字實現及應用方面的傑出貢獻當選為IEEE會士,2008年當選為IFAC 會士。他於2008年和2014年兩次作為第一完成人獲國家自然科學二等獎。
郭雷,1961 年生,中國科學院院士。
領軍系統控制科學
在控制室年輕一代中,郭雷無疑是最有影響力的領軍人。39歲就當選為中科院院士的他,一直都對數學與系統控制科學有著無限的熱愛與眷戀。
1982年,郭雷自山東大學畢業後,考入中科院系統科學所師從陳翰馥讀研究生。從此就與這片創新的沃土結下了不解之緣。在這裡,他度過了5年的碩博時光,當了4年的系統科學所所長和系統控制重點實驗室主任,再後來又擔任兩屆中科院數學與系統科學研究院院長。5年前,在中科院的支持下,他領導籌建了國家數學與交叉科學中心,並擔綱首屆中心主任。
可以說,郭雷的貢獻不僅局限於其傑出的學術成就,更是為推動和引領我國系統控制科學和數學交叉應用的大力發展乃至比肩國際一流水平,做出了卓越貢獻。
在自動控制歷史上,由最小方差控制與最小二乘估計相結合而產生的著名「自校正調節器」,不但從根本上推動了自適應控制學科的發展,並且廣泛深刻地影響了工業應用。但是,由於「自校正調節器」涉及數學上相當複雜的非線性隨機動力學方程組,嚴格建立其基本理論曾是這一領域「長期未解決的中心問題」。1990年初,28歲的郭雷在充分汲取前人智慧的基礎上,獨闢蹊徑,創造了新的非線性隨機系統分析方法,從而突破性地、合理完整地解決了自校正調節器的全局穩定性和最優性著名難題。在這之後,郭雷又通過建立了自校正調節器的對數律,進一步證明了自校正調節器具有最優收斂速度,並因此獲得1993年在雪梨舉行的IFAC世界大會唯一的青年作者獎。評獎委員會評價他的工作「解決了最小二乘自校正調節器的收斂性和收斂速度這個控制理論中長期懸而未決的問題。」美國和歐洲等地的科學家在論文中給出一系列公開發表的評價,讚揚這項工作是這一領域的「重大突破」「輝煌成功」和「最重要結果」。
郭雷在解決了自校正調節器理論難題之後,又解決了另一著名難題——完全狀態信息下「自適應LQG最優控制」,並建立了一般非平穩相依情形下實際中常用的三類最基本的自適應濾波算法(LMS、KF、RLS)的穩定性和性能分析理論,大大突破了傳統理論的局限。國際上隨機適應控制系統理論的研究面貌從此發生了根本性改變。
自此,這個年輕人逐步走上系統控制領域的國際學術舞臺。
29歲時,郭雷被聘為國際控制數學領域著名學術刊物、美國《SIAM控制與優化》的編委,成為該刊創刊30年來的第一位華人編委;1993年當選中國十大傑出青年;1994年成為首屆國家傑出青年科學基金的獲得者;1998年,37歲的郭雷當選為IEEE會士,成為當時國際控制系統領域最年輕的IEEE會士之一;1999年,在北京召開的第14屆IFAC世界大會上,郭雷作為五位大會報告人之一,應邀做了題為「自動控制在中國的某些近期發展」的大會報告。
世紀之交,學術界紛紛展望未來,郭雷也瞄向了更困難、更基本的控制科學問題。現實複雜系統充滿各種非線性不確定性,而反饋控制的最大魅力和根本作用就是對付這些不確定性。然而,反饋機制究竟能夠對付多大的不確定性?毫無疑問,這是一個具有重要理論和實際意義的基本科學問題,但現有控制理論並不能真正回答。
鑑於此,郭雷提出了定量研究這一科學問題的理論框架,開啟了這一重要研究方向。他先後與合作者對幾類基本的非線性不確定控制系統進行研究,發現並證明了反饋機制最大能力的「臨界值」或「不可能性定理」等。這一系列成果具有很強的原創性,對定量理解人類和機器中普遍存在的反饋行為的最大能力,以及智能反饋設計中的根本局限具有重要意義,得到國際學術界高度重視和廣泛好評,被認為是「具有深遠意義的根本性研究」。在2002年北京召開的四年一度的國際數學家大會上,郭雷應邀做了題為「探索反饋機制的能力與極限」的45分鐘邀請報告。在2014年南非召開的第19屆IFAC世界大會上,郭雷應邀就「反饋機制能夠對付多大的不確定性」作了大會報告,獲得廣泛讚譽。這是他時隔15年後,第二次獲得在IFAC世界大會上作大會報告的殊榮,這在國際上也是鳳毛麟角的。
許多人認為,21世紀將是複雜性科學的世紀。近年來,郭雷一直在探索系統學的一個基本問題:多自主體複雜系統從微觀到宏觀的湧現理論。他通過引進隨機框架,指導年輕人對一類最基本的、具有局部相互作用的非線性非平衡多自主體系統展開研究,深入研究了隨機幾何圖的譜隙性質以及隨機非線性動態性質,克服了「連通性假設」這個公認的難題,首次完整建立了高密度情形下這類典型群體系統的同步理論,並為相關非平衡大群體系統的研究開啟了新路。特別地,他與陳鴿、劉志新於2012年在美國《SIAM控制與優化》發表的論文「群體同步的最小相互作用半徑」,被美國工業與應用數學會(SIAM)的旗艦刊物SIAM Review評選為「SIGEST論文」,並被推薦在2014年SIAM Review上再次刊登。據悉,這是大陸學者首次獲此殊榮。
2001年,郭雷當選為中國科學院院士,成為當時中國最年輕的院士之一;2002年,他作為「領頭的控制理論專家」當選為第三世界科學院院士;2007年,他因對隨機系統的適應控制、估計理論和反饋機制最大能力等方面所做出的「根本性貢獻」而當選IFAC會士; 2007年,他當選為瑞典皇家工程科學院外籍院士;2012年被選為IEEE 控制系統學會傑出演講人;2014年被瑞典皇家理工學院授予榮譽博士學位。
如今,繼續在一線從事科研工作的郭雷,隨著工作面的拓展,學術視野也更加開闊。除了繼續研究系統學與控制論基本理論問題之外,還積極參與和推動重大交叉科學與實際應用問題研究,並以中國社會經濟複雜系統問題為背景,帶領年輕人開展博弈控制系統等新方向探索。在郭雷的帶領下,實驗室不僅繼續活躍在國際學術前沿,而且還加強了面向國家重大需求的應用研究。與此同時,肩挑重擔的郭雷成為我國相關學科發展規劃和戰略研究的重要參與者,並就我國科學技術發展與改革的有關重要問題,積極向國家建言獻策。
在國際上,郭雷曾任IFAC理事會成員,IFAC建模辨識與信號處理委員會主席,著名國際控制會議IEEE-CDC共同主席,控制科學領域國際最高獎之一「IEEE控制系統獎」評委,IFAC 青年作者獎評委會主席,國際頂尖控制刊物IEEE-TAC和Automatica 的「最佳論文獎」評委等,目前擔任即將在北京舉行的第八屆國際工業與應用數學大會主席等。在國內,他曾任或現任國務院學位委員會委員、數學學科評議組召集人,國家重點基礎研究發展計劃(973)專家顧問組成員,國家科學技術獎勵委員會委員,中國科學院學術委員會副主任,中國工業與應用數學會理事長等。
在傳承中創新,經過幾代系統控制學家的努力,我國的控制理論和系統科學研究獲得了長足的發展,在國際舞臺上,從逐漸嶄露頭角到具有重要地位和影響,他們的科研成果也在國家重大科學技術問題的解決中做出了不可磨滅的貢獻。
憶往昔,成績斐然;展未來,再創輝煌。■
(責編:唐琳)