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张卫东:深入探究问题的根源和本质
发表时间:2012-12-03 阅读次数:4380次

■相对于给学生灌输和传授知识,我认为更重要的是对学生进行科学素养和健全人格的培养, 引导学生认真对待自己的学习和工作,独立地进行学术思考,并从中享受到思考和钻研的乐趣。
■ 独立思考并不意味着固步自封,不同别人进行交流。
■ 科研的目的是认识客观事物的内在本质和运动规律, 难以一蹴而就, 所以做科研要有专注和持之以恒的精神。
 

        独立思考

        相对于给学生灌输和传授知识,我认为更重要的是对学生进行科学素养和健全人格的培养,引导学生认真对待自己的学习和工作,独立地进行学术思考,并从中享受到思考和钻研的乐趣。我也是在成长的道路上逐步体会到独立思考的重要性。

        我在做博士研究的时候,师从誉满控制界的孙优贤院士, 承担国家八五攻关重点项目浙江嘉兴民丰造纸厂造纸机控制系统的研制任务。他在指导我做博士课题时就叮嘱我要深入到实际问题中,多思考工业现场遇到的问题,深入探究问题的根源和本质,这样得到的科研成果才更有价值。所以我读博士时有很多时间是在工业现场里度过的。

        我是从其他学科转到控制学科读博士的,当时最先接触到的控制器是PID,这是工业过程中经常应用的一项传统技术,特点是结构简单,只有三个可调参数,通过对三个参数的调整就能达到较好的控制性能。但是在控制器的调整过程中,三个参数与系统性能之间有着复杂的函数关系,并会相互影响。特别是针对带有大时滞的工业对象,调整问题变得异常复杂。我曾多次参与工业现场调试的过程中发现, 由于理论上缺乏清晰的解释,工程上只能通过试凑方法确定参数,试凑的方法不但工作量大,而且不一定能达到要求的定量性能。这个局限严重地影响了PID 控制器在工业过程中的有效运用。我接触到这个问题后就开始琢磨有没有更好的解决办法,不但有严谨的理论支撑,又有应用上的简便性。我花了两年时间尝试用不同方法来解决这个问题,最终通过引入最优控制的思想和代数理论,针对一类特殊情况找到了一种即简单而又严谨的方法,在现场应用后提高了调整效率和控制精度。当时有这个想法是因为我相信,自然界如此有条理的运转,在纷繁复杂的现象背后应当会存在一个简单的规律。随后在博士后研究阶段,我将这种方法推广到了一般的单变量对象,控制器也不再局限于PID 控制器。再以后又将得到的结果推广到了一般的情形,包括单变量复杂控制策略、多变量解耦和多变量控制。我们的一个阶段性成果发表在国际控制领域的权威期刊IEEE TAC 上,是该刊近5 年发表的唯一一篇关于PID 的长文,同期国际上发表了1697 篇关于PID 的SCI 论文;有一篇论文被国际著名期刊出版商Elservier 列为JPC 2005-2009 Top 10 Cited Articles 第4 名;英文专著也已在美国出版。

        这些发轫于工业实践的理论成果在同企业洽谈合作时发挥了很大作用。譬如我们现阶段理论研究的一个主要背景是火力发电机组的控制。现代的火力发电机组中有一两百个回路。现场调试人员往往要在一两周甚至两三天内将所有的控制器调整完毕。这对调整方法提出了严峻的挑战。一方面,调整方法应当尽量简单,以保证在尽可能短的时间里完成任务;另外一方面,调整方法应当能保证系统安全运行,并运行在尽可能好的状态。传统的经验方法缺乏严格的理论基础,并不能总是满足这些要求。我们的方法提供了一种更为先进也更为严谨的手段,因此在同企业洽谈合作时非常顺利。后来了解到,对方企业有位经验丰富的老工程师,多年前就在尝试使用我们提出的调整方法。

        独立思考并不意味着固步自封,不同别人进行交流。我经常建议我的学生去参加一些学术讨论会,面对面的交流会拓宽学生的思路,不同观点的碰撞可能产生新的火花。交流的背景并不限于相近的专业,不同方向的背景会对思维有着不同的启发作用。自己领域中一些苦思冥想不得其解的问题,有时在其他的背景下有着巧妙的解法。我在将成果推广到多变量系统时遇到一个很大障碍,花了一年多时间都找不到解决方法。我的夫人是学土木工程的,数理基础很好。有一次在同她讨论这个问题时受到启发,想到利用复变函数的基本理论就有可能解决该问题。后来经过尝试,果然克服了这个障碍。

        现在回想起来,正是有了独立思考和深入探究的学术态度,才使得我在控制领域不断取得进步。


        脚踏实地做研究

        1994 年,我到青岛参加中国过程控制会议。站在海边,深有感触。与一望无际的大海相比,人是那样的渺小。一个人如果不做些有价值的事,可能就会象礁石上激起的浪花,转眼逝去,没有任何踪影。由此想到,每个人都应该尽一己之力对社会发展有所贡献,努力使自己的生命更加有意义。在此后近二十年的科研道路上,这个想法一直在激励着我, 我也用这个想法影响着学生。

        我的博士学位是1996 年在浙江大学取得的。还记得答辩时的委员会主席是我国过程控制领域的开拓者华东化工学院(现华东理工大学)蒋慰孙先生。几年努力工作的成果在答辩时获得了很好的评价,于是就准备把自己的成果加以系统地发展和总结,写成一本专著。经过五六年的艰苦努力后,我完成了专著中文版本的初稿。

        在专著的写作过程中经常需要查阅国际上的过程控制专著和教科书,我发现已有的专著和教科书内容大都比较陈旧,内容新颖的专著很少见。我的专著提出了一种独特的设计方式,更为切合工程实际要求;进而在提出的框架内对单变量和多变量系统均给出了完备的理论结果;理论结果在应用方面也更为简便,所以就计划将专著翻译成英文,让国际同行能更多地了解中国学者的工作, 同时打算再花几年时间做些更深入的研究,使其内容更臻完善。

        大概三四年后我完成了专著的英文版本。当时我正在申请国家杰出青年科学基金。于是有同事建议我先将英文专著出版,以增加申请国家杰出青年科学基金的胜算,不足之处以后再慢慢改进。2005 年时国内控制学者极少有英文专著,出版一本英文专著在国内还是会引起不小的轰动的。但是,我不想匆忙出版一本未经仔细审定的专著。在我的脑海里一直记着一次同一位即将退休的老教授的谈话。他在回顾自己的学术生涯时觉得自己虽然发表了一些论文,但是有价值的工作太少了。他勉励我要脚踏实地,不要仅仅为了一时的成绩去做研究。此后,我又花了六年时间,前后对专著内容进行了二十多遍的推敲、检查和修改。在专著的完善过程中,为了寻找确切的英文表达方式,我曾经数十次请教外籍朋友。专著中配有196 幅插图,包括曲线图和线条图。为了提高曲线图的质量,我没有直接拷贝MATLAB 产生的图形,而是用专业的绘图软件ORIGIN 绘制了所有曲线图。书中有26 幅描述工业控制对象的线条图,如果这些插图采用照片会节省不少精力和时间,但是照片只能让读者看到物理系统的外形, 看不到内部构造,不利于理解要讨论的问题。所以,我参考了国际上销量最大的控制教科书《现代控制系统》的风格,全部插图均采用线条图,以便使读者能清晰看到物理对象的构造细节。我没受过系统的美术训练,在绘制线条图的过程中遇到了很多困难。记得有幅磁悬浮列车的线条图花了一个多星期时间才完成,后来又经十多次修改才定稿。2011 年底该专著由美国的CRC 出版社出版。算起来,这本专著的写作时间历时达十五年之久。

        这本专著的部分内容从 2001 年起就作为我承担的先进过程控制课程的讲义,因此在专著写作的同时我制作了一套英文电子教案。编写电子教案时,我参考了十多份本领域国际主流教材的电子教案,包括国际上销量最大的控制教科书《现代控制系统》的教案和富有盛名的澳大利亚科学院院士Goodwin 的《控制系统设计》的教案,采用了国外流行的电子教案制作专业软件BEAMER,在页面风格、文字大小、公式显示和重点内容表达等方面都做了仔细考虑。为了取得理想的教学效果,又将近二百幅插图全部重新绘制成更加生动的彩色插图。该书出版后,CRC 出版社就接到美国Utah 大学自组织与智能控制中心主任YQ Chen 的邮件,请出版社提供样书和电子教案,准备在其课堂中采用该书的部分内容进行教学。

        从功利主义的角度来讲,无论是在工作考核中,还是在申请项目中,成果的数量更受重视, 所以这种写书方式的效益投入比非常低;至于电子教案的制作既无助于获得科研经费,也没有额外的报酬。但是,我想认认真真把这本专著写好、把电子教案做好,这份坚守主要是来自内心的一种信念,那就是我坚信自己在做一件非常有价值的事。我希望将来退休总结自己的学术生涯时,能为自己认真对待研究工作,并留有一份有价值的成果而感到自豪。

        科研的目的是认识客观事物的内在本质和运动规律, 难以一蹴而就, 所以做科研要有专注和持之以恒的精神。在我的职业生涯中遇到有学生抱怨研究的课题冷门,或是不易发表论文。我认为在学术上无所谓专业的好坏,也没有研究方向的热与冷,关键在于是否对从事的研究工作感兴趣,如果感兴趣就会专注地研究下去。我从事的控制领域研究相对于计算机或通信而言是个冷门方向,但是有许多专注该领域研究的学者取得了非常辉煌的成就。我经常对我的学生说,在科研上有坚定的信念、能坐得住冷板凳是一种难能可贵的品质。

 

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