叶明
构筑理论研究和工业应用的桥梁 ——中国著名自动化专家冯纯伯
2021-10-21 08:33
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构筑理论研究和工业应用的桥梁

              ——著名自动化专家冯纯伯

                      


 

                      

冯纯伯是中国著名自动化专家。1928416日出生于江苏金坛。1946年考入浙江大学电机系电力组。1953年被选派到前苏联列宁格勒工业大学研究生院攻读学位,1958年获技术科学副博士学位后回国。1958年—1979年在哈尔滨工业大学等单位工作。历任中国自动化学会理事会常务理事,国务院学位委员会成员,国家教委科技委员会自动控制学科组长。国家自然科学基金委员会成员。现任东南大学自动化研究所教授、自动控制理论及应用博士点指导教师.1993年当选为中国科学院院士。

冯纯伯的科学成就主要集中在自动控制理论研究和工业应用领域,并致力于两者结合的研究。20世纪50年代对发电机的调节和电力系统的综合控制提出独到见解;参加三峡工程的科研工作,组建电力系统综合实验室,投入运行了中国第一台动态模拟发电机组;参照国外报导研制出一套电力系统交流输电专用电子模拟计算机。60年代在哈尔滨工业大学筹建国内第一批国防自动控制专业。70年代以后,主要研究动态反馈系统的一般理论、系统建模方法及自适应控制理论等。曾获国家教委技术进步一等奖,国家自然科学四等奖。

冯纯伯科学成就的取得,主要得益于扎实的科学训练、大量的工程实践以及自觉的哲学学习。

冯纯伯在大学和研究生阶段受到较为严格扎实的科学训练。浙江大学以崇尚基础扎实、学风严谨著称。研究生期间,冯纯伯上的是以前苏联模式建立起来的哈尔滨工业大学和前苏联列宁格勒工业大学,后者当时是国际著名的控制理论学术中心之一,中国著名的控制理论专家陈翰馥院士等也是该校培养出来的。回国后,冯纯伯又在哈尔滨工业大学任电力专业、电工基础和自动控制教研室主任十多年。前苏联教学模式中重视完整的理论体系、严格的逻辑推理和精致的定理法则,这对冯纯伯思维方法的影响很大。更有意义的是,冯纯伯所学习和任教的上述3所大学还特别注重有工程背景的理论研究,这就使冯纯伯养成了以理论的视角研究工程问题的学术习惯。

长期以来,冯纯伯参与了大量工程问题的研究,尤其是军事工程实践,例如50年代的电力系统的综合控制、三峡工程、导弹试制、专用计算机研制等。这些工程实践拓宽了冯纯伯的视野,促使冯纯伯努力将理论研究应用于工程实践,以及从工程实践中寻求理论解释。这种科研思路和工作方法,后来通过学习唯物辩证法才发现,就是从一般原理到具体实践应用从大量感性认识上升到理性自觉的过程。简而言之,有工程背景的扎实的理论训练,比单纯的工程技术人员有更高的理论认识,能抓住问题的关键,比纯理论研究者更加善于发现现实问题,找到新的突破口;而学习唯物辩证法就能在更高层次上促进理论与应用的有机结合。                          

冯纯伯的科研思维研究方法概括的说,就是架设自动控制的理论研究与工业应用之间的桥梁,即为自动控制理论寻求工业应用的途径,从工业应用中丰富自动控制理论,主要表现在一下三个领域。

 

1.提炼工程问题,研究理论依据

 

经济发展需要依靠能源,电能是一种高品味能、可方便、高效的转换为其他能源形式。

在较长一段时间内,火力发电仍是我国主要的发电方式。电力工业的发展和电网容量的增加,要求发电设备的单机容量和电厂的单位容量相应增大,以适应外界用户和电网的需要。因此,电力系统的稳定与控制不仅是理论问题,而且也是电力工业发展的一个关键性的问题。1954年,冯纯伯在《哈尔滨工业大学报》(创刊号)上发表了《发电机阻尼绕组对电力系统动态稳定的影响》等论文,开始研究电力系统的稳定与控制。1959年,提出计算机型发电机励磁调节器的方案,可保证在各种运行情况下均可对发电机参数进行补偿,当时这在国际上是领先的。随后,又研究了复杂电力系统的调节和静稳定计算的研究,探讨了电力系统的微小机械振荡,发展了美国学者G·Kron首创的张量分析法。

电力系统的实践与研究结果都表明:为抑制电力系统中的低频振荡,提高系统的稳定性,在系统中设置稳定器(PSS)是一种有效的方法。但是,在多机电力系统中的所有发电机上都装设PSS,既不经济也不合理。所以,正确的选择PSS在多机电力系统中的最佳安装地点具有重要的意义。为此,F·P·Demello等人在1980年,首先提出用特征向量分析法确定多机电力系统中PSS的最佳安装地点。这一方法的主要思想是:求出系统中的低频振模及对应的特征向量,若在该低频振模的特征向量中,第K向量的模为最大,则认为第K号发电机是该振模的主要振源,便选定K号机为抑制该模式振荡的PSS的最佳安装地点。这一方法由于计算简便而被广泛采用。但是,冯纯伯由理论分析与实例计算发现,特征向量分析并不是一种完全准确的方法,有时它能选出最佳安装地点,但有时选出的“最佳点”并不是实际上的最佳点。为此,冯纯伯提出一种新的计算方法,其计算与特征向量法一样简便,但准确性较高[1]

为进一步提高理论普遍性,冯纯伯又深入研究了PSS在镇定电力系统中的低频振荡和提高系统稳定性的作用机制。由于PSS的设计只能取发电机组的本机局部信号,所以它是一种分散控制结构的稳定器。多机电力系统作为一个大系统,其中的低频振荡能否被PSS分散镇定,这一问题的研究无疑有着重要的理论价值与实际意义。虽然,当时国际上已开展对PSS的分散镇定作用的研究,但还停留在一些现场试验、仿真和实践的阶段,还未提高到理论上来分析和证明。然而这些结果已经表明,PSS确实能起到分散镇定低频振荡的作用。冯纯伯利用大系统理论中的“固定模态”的概念及其定理,证明了多机电力系统中引起低频振荡的机械振模,在PSS的分散控制结构下都不是“固定模态”,因而在理论上证明了PSS具有分散镇定多机电力系统中低频振荡的作用。但是,究竟需装多少台PSS即可镇定系统的低频振荡的问题,还有待今后进一步的研究。此外,冯纯伯和冯纯伯的研究生在《中国电机工程学报》等刊物上发表十多篇论文,有的提出了电力系统静镇定的快速算法,有的提出发电机组的综合调节方法,有的研究了静止无功补偿的控制策略等等。

 

2.把握工程共性,寻求一般理论

 

在现代社会中,综合自动化技术的效益愈来愈大,应用面愈来愈广。但要实现综合自动化,首先要实现单机自动化,它是综合自动化的基础和前提。由于现代工业生产愈来愈复杂,所谓单机本身就可能是一个庞大的装置,例如大型高炉、发电设备等。这些复杂单机的自动化也存在许多疑难问题,需要依靠不断发展的现代控制技术逐步予以解决。

动态反馈系统的一般性理论始终是自动控制理论发展的一块基石,随着人们深入研究鲁棒控制、自适应控制、系统建模、多变量及复杂系统控制等问题,对此引发了更强的理论兴趣,并获得许多新的认识。80年代初期,冯纯伯在从事系统建模及自适应控制等的研究工作中,深感有必要深入研究和发展动态反馈系统的一般性理论。虽然系统的无源性、正实性、超稳定性等概念是从不同角度提出的,但他们之间存在着直接关系,在一定条件下(例如对于因果系统)是等价的。在应用泛函分析研究反馈系统的输入输出特性及稳定性方面,SanbergZames等做了开创性的工作,这种方法的特点在于只考虑动态系统的输入输出关系,不问其内部细节(例如像状态变量法那样),这就保留了古典的频率法考虑系统综合特性的优点,因此在某些应用中是有优越性的,特别是对于非线性系统的分析和综合。输入输出特性分析和网络理论中的无源性分析直接有关,所以网络理论中的一些概念可以借用。对于线性网络,若网络的传递函数严格正实,则此网络是严格无源的。另一方面,Propov在研究绝对稳定性时提出了超稳定性概念,即反馈系统的超稳定性和无源性直接有关。所以,为了将输入输出特性分析应用于控制,需要研究如何确定复合系统的输入输出特性。在此基础上,冯纯伯给出了并联、级联和负反馈系统为无源的条件,也给出了差别负反馈系统全局稳定的充分条件,并扩展了无源定理的结果。只要直输和反馈回路中有一个是无源的,即可以应用上述充分条件判别系统的全局稳定性。但若直输和反馈回路都不是无源的,或者有的是不稳定的,则不能直接应用已有定理来判别稳定。上述对于单变量的复合系统的输入输出特性的分析结果有广泛的用途。根据反馈系统为严格无源的条件及绝对稳定性的新判据所提出的设计模型,参考自适应控制系统的新方案,使系统具有很强的鲁棒性。此外还提出了设计确保收敛的参数估算的多步递推算法,以及利用上述定理研究绝对稳定性等问题。

 

3.运用非线性规划,解决线性问题

 

辨识器是一种自适应模型跟随系统,它根据宏观系统的输入和输出变量来重建系统的状态,并辨识其未知的参数。这类辨识器原先都是根据稳定性理论来设计的,以便保证辨识过程是全局渐进稳定的。所得到的参数辨识规律一般为输入或输出信号和原系统与辨识器之间的输出误差的双线性函数。这样的辨识规律其实也可用非线性规划中的最快下降法求得。业已证明,若输入信号是充分“丰富”的话,则辨识器中的估算参数,最终将收敛于被辨识系统参数的真值。然而模拟计算表明,若只采用标量输出误差,这种参数收敛过程是非常慢的。于是有必要研究如何提高辨识速度。对此,NuganCarrol指出,若在二次型目标函数中只采用标量输出误差,则此函数在被估算参数的空间中为一超平面。因此,很容易理解,在采用最快下降法来调整辨识器的参数时,被估参数收敛到其真值的速度一定很慢。Kreisselmeier在他的目标函数中采用了向量输出误差,这可认为是提高辨识速度的一项突破。在被辨识参数空间中,由输出误差向量所组成的正定二次型函数可代表一个超椭球,从最快下降法的观点来看,辨识速度就可大大提高。在此基础上,冯纯伯将非线性规划引入辨识线性系统。非线性规划一般用于静态优化计算,当它应用于动态系统的优化分析时,应有某些特点。某些二次型目标函数不仅是被估参数的函数,还可能是时变的。在被估参数的空间中,代表此目标函数的超椭球会随时改变其形状,所以梯度向量是时变的,具有旋转的趋势。若超椭球的变形不加以考虑的话,则由最快下降法所确定的寻查轨线将是更曲折的,因此多费时间。若考虑梯度向量的旋转,并预先校正其方向,则寻查轨线可变得平直,辨识参数的速度可进一步提高。冯纯伯结合动态系统优化计算的特点,提出了时变非线性规划的新概念和算法。对集中参数线性系统和时滞系统分别提出了辨识器的设计方案;讨论了如何选择二次型目标函数和梯度方法,以便提高辨识速度;提出用增加输出误差向量的维数来改善目标函数中正定阵的条件数,这是一种简单而有效的方法。对时滞系统的辨识为保证系统全局渐近稳定,同时也提出在参数辨识规律中要引入逻辑判别。所有这些分析表明:非线性规划是设计确定性系统的辨识器的有力工具。

稳定问题是动态系统的基本问题。对于单输入单输出线性时不变系统,无论是频域稳定判据或代数稳定早已研究得十分完整。以此为基础,线性定常单变量系统的反馈控制的设计方法已成熟。对于多输入多输出线性系统情况要复杂得多,稳定判据研究得不够充分。虽然对于多变量系统的广义Nyquist稳定判据有了一些研究成果,但所得结果尚有一定的局限性。至于代数稳定判据虽也有些成果,但局限性很大。显而易见,一种有效的代数稳定判据将可显著的推进多变量系统反馈控制理论的发展。冯纯伯比较详细的讨论了这一问题,给出了线性多变量系统的广义Routh稳定判据。这将有助于多变量系统建模方法的发展[2]

在系统参数辨识方法中已有多种变形的最小二乘算法,这些算法都有各自的缺点,有的收敛性不能保证,有的精度不高,有的要求先掌握某种特殊的知识,等等。冯纯伯采用对输入输出信号预过滤的办法,提出了一种新的偏差补偿最小二乘辨识算法。该算法鲁棒性很强,适用面广。国际自动控制联合会(IFAC)的机关学报Automatica在发表有关此法的一篇论文时,称这是对时间序分析的重要发展。这种对输入输出信号进行预处理的思想还为辨识传递函数及其因子开辟了一条新路。

工业过程的特点要求寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合质量好的算法,预测控制算法就是为适应这种要求而发展起来的一类新型计算机控制算法。

在众多的预测控制算法中,最引人注目的是D·W·Clavke等人于1985年提出的广义预测控制(GPC)算法。大量的仿真结果似乎表明这是一种十分有效的自适应算法,给人们最后解决自适应控制的热点问题——有模型失配时的鲁棒性问题——带来了希望。然而关于GPC的理论分析却是比较缺乏的,虽然这方面的工作做了许多,但都没有给出GPC的鲁棒性的一个定论性回答。冯纯伯和其他一些人给出了GPC比较完整的理论分析和以上问题的确定性回答。GPC对结构型建模误差的鲁棒性不够好,因此,GPC未能解决自适应控制的鲁棒性问题;GPC对随机噪声干扰的敏感性较强;在没有结构型建模误差、且噪声强度不很大的条件下,GPC不但能保证闭环稳定性,而且是一种性能优良、适用面广的自适应算法。它有如下性能:(1GPC可采用过量参数化的在线辨识模型,因而适用于阶次未知但阶次上界已知的对象,这使GPC优于极点配置控制器和LQG;(2GPC适用于时滞未知或时变但时滞的上界已知的对象,因此GPC优于广义最小方差控制器;(3GPC适用于非最小相位系统因而GPC优于最小方差控制器;(4GPC适用于一类开环不稳定系统,只要该系统是能稳且能检测的,而大多数自适应算法只能用于开环稳定的对象;(5GPC具有良好的跟踪性能及稳态性能,并且能抑制确定性干扰。这些结论纠正了国际文献中的误解,并提出了能保证鲁棒性大大提高的新的设计方案。

上升到理论高度,在一个新的台阶上就会发现问题,并努力改进之。为了进一步提高预测控制的鲁棒性,冯纯伯在原有的预测控制的框架内引入了一类可调权因子,提出了一类新型的加权多步预报控制(WLPC)算法,并且给出了它的闭环稳定性和鲁棒性的理论证明。由于WLPC算法引进可调权因子,所以具有一些不同于其他算法的特点:WLPC具有预测控制的多步预测,滚动优化机理;通过选取权因子,WLPC可任意配置闭环极点,从而保证闭环稳定性和鲁棒性;WLPC不改变原系统的零点,但可按系统动态性能要求、通过选取权因子而增补新的零点;WLPC可通过选取权因子,消除稳态误差,削弱随机噪声的影响,保证系统的跟踪精度,其鲁棒性和抗干扰性优于GPC

在此基础上,冯纯伯提出一种完全不同于以往的全状态反馈式观测器-控制器的算法——多变量加权多步预报控制(MWLPC)算法,这种算法除引进了预测控制中的多步输出预报、滚动优化等机制外,最重要的是在二次型性能指标中引入了可调的多项式或有理分式矩阵权因子;适当选取这些权因子,便可按设计要求、仅用系统的输出信息反馈便能任意配置闭环系统的特征矩阵,从而保证闭环稳定性和其他优良性质。此外,该算法不改变原系统的零点,因而适用于非最小相位系统。

现代自动化技术已发展为综合自动化技术,生产自动化、办公自动化、军事自动化、农业自动化乃至家庭自动化已成为现代化的标志。现代自动化技术正在人们的一切社会活动中起到愈来愈大的作用,而且这种发展趋势愈来愈快。概括的说,现代自动化技术具有以下一些重要趋势:

1)自动控制的精度不断提高,智能化程度日益增加。自动化技术不仅仅能代替人无法完成的体力劳动,而且在大量的代替人的脑力劳动。后者的发展势头很快,应该特别引起冯纯伯们的注意。哪个国家的自动化技术发展得更高级,从总体上说意味着那个国家的人“智力更高”。

2)自动化技术日益向综合化的方向迅速发展,其社会经济效益愈来愈大,应用的领域愈来愈大。因此,加强系统的、综合的观点是十分必要的。

3)自动化技术显示出知识密集化高技术集成化的特点,它是许多技术科学、基础科学和多种工程技术结合的产物。这里需要提醒的是,在发展自动化技术过程中,硬设备固然重要,但必须充分重视软设备所起的关键作用。

 

 

参考文献

[1]卢嘉锡.院士思维(卷2[C].合肥:安徽教育出版社,1998.163

[2]卢嘉锡.院士思维(卷2[C].合肥:安徽教育出版社,1998.168

 

 


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