一体化设计新探索：系统的控制性设计_概念与方法

"从控制论的观点来看：机器或者机体的结构本身是预定它能完成什么任务的一个指标"_维纳《人有人的用处》。维纳这段话意味着受控对象的结构应该成为控制关注的重要设计指标。当前的控制方法主要是在受控对象物理结构给定情形下，利用反馈对受控对象做信息结构补偿。这一学术思想指导控制理论与工程取得了众所周知的巨大成就，但它忽略了受控对象结构对控制的经典意义。随着系统规模和复杂度的增加，系统结构对反馈控制效果的制约日益明显，从而愈加迫切地要求系统总体结构设计能够有效地体现控制设计的内在需求。本项申请针对这一问题，提出通过发掘各类控制设计对结构的共性要求，探索建立面向结构的控制性能指标体系，进而以该指标体系优化系统结构参数，获得更加便于高效控制器设计的、系统总体结构的控制性设计概念与方法，扬弃了将处于底层的结构与受末端任务牵引的控制直接挂钩的传统规划方法所带来的复杂性桎梏，为结构-控制一体化设计提供了新途径。

粗略地说，本项研究力求解决的科学问题是：如何刻画与寻求“对给定的控制目的，满足怎样特性的受控对象是更加容易控制的？”的概念和方法？这样的问题在日常生活中屡见不鲜：各类升学考试、队员选拔、岗位资格筛选，不一而足。控制好一个系统，并不仅仅是控制方法的事情，首先应该是受控对象的可行结构优化设计。截至目前，就我们所知：在控制理论范畴里，除了本项研究取得的初步成果外，这个问题尚未见有其它相关研究报道。.基金申请书中立项研究的目标是建立关于从控制效果角度出发，对受控对象的可调结构参数进行“更易控制”的优化设计的概念与方法。具体内容有三：.（1）回答怎样的控制效果是“更易控制”？同时具有实在的工程物理意义。.（2）回答怎样的仅与受控对象相关而与具体控制策略无关的“控制性指标”，可以在一般意义上反映受控对象的“更易控制程度”？.（3）回答怎样通过这个“控制性指标”来优化受控对象的结构参数？同时具有良好的工程应用价值。.本项研究在尝试了许多开环系统的特性指标之后，注意到：受控对象的结构确定后，其各种定义之下的能控度是确定的、并与具体控制策略无关。另一方面，从能控度概念的工程物理内涵出发，我们猜想：同样的控制策略下，受控对象的能控度越高、达到的控制效果应该越好，且同等控制效果的能量耗费也应该越小。如果这个猜想成立：.（1）这个特性本身就可以作为“更易控制”的一种内涵定义。.（2）进而，能控度就可以作为一类“控制性指标”。也即：能控度高的系统就是某种意义下的“容易控制的系统”。.（3）于是优化受控系统的结构的可调参数以获得更高的能控度就成为一种受控对象-控制系统一体化设计的新手段。.本项研究针对这一猜想，围绕LQR冗余控制和风力机MPPT控制等进行了较为系统的研究。结论表明：至少就这些控制问题，关于能控度指标的上述猜想的确成立。基于这些研究，提出了一种受控对象结构参数优化方法，并在风机MPPT控制等问题中获得良好的应用效果。上述猜想和结构优化方法是否在更大范围内成立，仍有待于进一步研究。其它可能的“控制性指标”也需深入探索。.本项研究结果较好地具体诠释和实现了项目申请书提出的“控制性指标”的概念，结合实际控制问题建立了相关的受控对象“控制性设计”方法，较好地达到了项目的研究目标。