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一片痴心为科研

2016-01-13宋洁

科学中国人 2016年1期
关键词:控制器理论系统

宋洁

人类对如何提高劳动生产率的探索从未停滞过。自工业革命将人从体力劳动中大大解放出来之后,一系列的新科技、新技术不断涌现,社会生产日益高速快捷。

到了21世纪,自动化作为一门综合性技术,与控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学等学科紧密结合,在工业、农业、军事、医疗等方面发挥着巨大作用。

李春文在自动化领域里潜心为学已有近40年。他对自己的评价是:有所耕耘,无所建树。他坚持认为他实在没有报道的价值,拗不过我们的执着与热情,总算勉强接受了我们的采访。多年来,他兢兢业业、勤勤恳恳,在非线性控制理论及应用、非线性控制系统CAD及仿真、非线性系统稳定性与镇定理论、非标准分析等方面取得了一系列成果,并创新性地提出科学平台及全局性知识集成新概念。工作期间,他完成了包括国家自然科学基金在内的多项科研项目,发表学术论文100多篇,获得全国青年科技奖、中国有突出贡献的博士学位获得者、霍英东青年教师基金奖、国家教委科技进步奖甲类二等奖等多项荣誉。

低调平和,笃定前行,李春文正以“科研无悔”的精神,执着坚守自己的科研之梦。

厚积薄发,专注理论研究

三人间的办公室,空间不大,书籍纸张陈杂,一切朴素而简单。这是李春文办公室最真实的样子,与他本人一心科研、不求享乐的性格完全契合。就在这间安静的办公室里,李春文孜孜不倦,日复一日开展基础研究,完成了非线性控制理论研究的大量工作。

非线性是在工程、自然界及人类社会各个方面普遍存在的复杂现象,非线性控制一直是控制学科的一个基本而重要的组成部分。在这一领域,李春文较早展开研究,率先提出和建立了非线性系统控制的新的设计理论——逆系统方法,其中包括核心概念、设计原理、可逆性、解耦、镇定、状态观测等方面,在理论上开辟了非线性研究的新方向。

之后随着研究的不断深入,李春文从构造性算法和设计理论的角度,在确定性非线性系统框架下,在更广的范围内,对非线性系统的稳定性分析、求逆算法、镇定与控制律设计的理论及其应用方面取得了系统化的创新性成果。在研究中,他提出了新的更有效的构造性求逆算法,建立了基于更完整的和构造性设计的逆系统方法,解决了一类非仿射非线性广义系统的构造性设计问题。在此基础上,李春文研制出复杂非线性网络的仿真系统(CNNSS),复杂非线性控制系统的计算机辅助设计系统(CNSCAD),取得了“国内领先、达到国际先进水平”的重要成果。

逆系统方法的提出、建立和不断完善发展,产生了广泛的影响。量子控制理论的创始人谈自忠教授对李春文撰写的专著《多变量非线性控制的逆系统方法》高度肯定,并评价说:“作者在这一方面的研究上,富有创造性,取得了关于一般非线性系统反馈控制方法的一系列结果,完全可以与日趋完善的微分几何方法相比美,很有理论价值和应用前景。”

同时,在教学方面,逆系统方法的理论被引入一些高校的控制理论的基础课和教材中,清华大学出版的《自动控制原理》和《现代过程控制》等著作都将逆系统方法作为其中的一部分。在清华大学近年来开设的专业课“非线性控制理论”中,逆系统方法也被选为主要内容。

除了逆系统,李春文还在有不确定、多延迟等特性的非线性系统的综合性高性能设计理论及应用研究方面,做出了理论性贡献。他结合反馈线性化方法和鲁棒控制理论,提出和建立了一组非线性不确定系统的线性化鲁棒控制方法。另外,在实验技术不断提高、量子控制引起了世界性关注的背景下,李春文与他所带领的研究小组一起在国内先期开始了这一领域的研究,取得了广受国际赞誉的研究成果。以基础研究为本,李春文搭建科学进步的阶梯,为科技应用与发展奠定了坚实基础。

精于创新,推动科技应用

正如一切基础研究都要服务和指导实践一样,李春文在进行非线性控制理论研究的同时,也尤其注意开展控制理论的应用性研究。电力系统的安全稳定控制是一类典型的非线性控制问题,也是改善电力系统动态品质的关键措施。李春文首次建立了电力系统中的一种非仿射非线性系统控制模型,将非线性系统的综合性高性能控制器设计与电力系统以及FACTS装备的动态学相结合,提出了不确定复杂电力系统的有重大意义的安全稳定控制的一类新方法。

在这一过程中,李春文先后针对电力系统的SVC、TCSC、HVDC以及交直流联合输电问题建立了非仿射非线性控制模型。他结合H∞滑模控制和线性最优控制设计了单机无穷大系统H∞滑模鲁棒励磁控制器、多机系统H∞滑模分散鲁棒励磁控制器、具有切换形式的综合励磁控制器。而利用多变量逆系统方法及近似逆系统方法,他成功设计了电力系统励磁/汽门综合控制器、具有实用性和鲁棒性的综合控制器。同时,他对所建立的电力系统SVC、HVDC以及AC-DC联合输电问题的非仿射非线性控制模型设计了综合性高性能控制器,并且通过研究电力系统耗散Hamilton实现,建立了解决电力系统控制问题的一条新的有效途径。

当下,网络环境下的控制系统作为一种新型的系统,正在发挥着越来越广泛而重大的作用,这种系统由于多时延、丢包、拥塞、带宽受限等诸多问题的存在而使情况变得极其复杂。李春文接触这一问题后,带领研究小组以网络环境信息传输的QoS为主题,展开深入研究,取得了众多新成果,给出了网络控制系统及媒体传输控制中存在的问题的优质解决方案。

除此之外,李春文还迎难而上,开展了拟人步行机器人的综合性高性能控制器研究。他介绍说:“机器人是一个兼具理论与实际意义的高度综合性的学科,拟人步行机器人的运动控制是其中的具有高度复杂性的难题之一。”面对这样的难题,李春文与合作研究小组基于步行机器人的步态分析及非线性控制建模,以模糊神经网络鲁棒控制方法与逆系统相结合为主线,提出了一组综合性高性能控制器设计方案,为拟人步行机器人的综合性高性能控制器研究水平的提高做出了新的贡献。

执着坚持,有梦不言放弃

在知识量急剧增长、科学发展速度日渐加快的信息时代,书籍系统、期刊系统等原有知识载体难以满足人类知识的表达,产生的困难和问题越来越多。以学术界为例,知识信息表达存储十分分散,知识成果的发表和研究大量重复,甚至学术失范的严重事件也有意或无意的发生,李春文认为,信息社会所存在的负面问题亟待解决,建立一个统一、规范的知识平台大有必要。在敏锐意识到Internet和现代数据库技术的发展为新的知识载体的产生提供了新机遇后,李春文创造性地提出了“科学平台”的概念。

什么是科学平台?李春文解释说,科学平台是充分利用当今的信息技术,通过Internet及数据库技术,将人类科学知识统一总结表述,并集成为知识信息管理平台,向读者用户提供知识浏览、查询、挖掘、信息共享、远程交流等服务,向专家用户进一步提供新知识发布、共享知识成果和协同工作的支持。它的创新性与特征主要是,该平台以人类已有的大范围全局性的科学知识为对象,以统一表述集成共享为目的,以充分条理化提炼总结为标准,以现代数据库为载体,以网络环境为协同工作平台。

基于已有概念,李春文从多种角度研究了科学平台的可行性、实现策略和实现途径。从现有的资源条件出发,他对模型系统的运行原理和功能的技术实现进行了深入分析,与合作团队一道设计实现了一个原理级别的模型系统,达到了一定的示范性效果,这一切努力都为今后进一步发展奠定了基础。

然而,科学平台虽然美好,真正建设起来却是一个浩大的工程,从1995年构思至今,这一项目多次搁置,困难重重。有人说,既然这么难,干脆就不要做了。可是,李春文在这件事上十分坚持,虽然深知这是一条不好走的路,但为了一个更美好的科研未来,他愿意花时间、花精力,努力将科学平台的设想变为现实。

一片痴心,几轮寒暑。科研之路曲折漫长,李春文对科研的热枕却始终如初。他充分利用每一天的时间,看文献、做研究、带团队、教学生,忙到无暇去参加驾校的培训与考试,而很可能将成为该校史上唯一“不合格的学生”。对李春文来说,科学研究事业已是他人生最重要的部分,泛舟知海,不畏道阻且长,仰望星空,惟愿终有所成。

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