大工钟万勰院士科研成果应用到航天技术领域,钟万勰院士

■通讯员 吕东光

天健网消息近日,《 人民日报
》头版显著位置刊登《我国航天发动机技术多变量控制获重大突破》。记者今天在大连理工大学获悉,在这项科研成果中,采用了大连理工大学钟万勰院士的理论和算法。据了解,钟万勰用了30年时间,在H∞鲁棒多变量控制理论的研究,准确地说,在计算结构力学与最优控制交叉学科的探索终于取得重大突破。

不久前,当中国科学院院士、大连理工大学教授钟万勰看到《人民日报》头版刊登的一篇题为《我国航天发动机技术多变量控制获重大突破》的文章时,这位82岁老人的脸上露出了会心的微笑。

H∞鲁棒多变量控制的工程化应用是航天发动机拥有“中国魂”的关键所在,一直以来,这是“洋人”把持在手中的核心技术、被称为“自控专业禁区”。

“我们理论的算法是可能运用于这套技术的。”他指着新闻报道说。这一把持在“洋人”手中的核心技术,被称为“自控专业禁区”的H∞鲁棒多变量控制的工程化应用是一次原始创新,是航天发动机拥有“中国魂”的关键所在,而钟万勰在这一领域已经探索了近30年。对此,他用《易经》中“中行独复,以从道也”来自勉。

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82岁的钟万勰至今仍天天坚持上班,怕影响搞科研,学校给他新房他不住,几十年住在老房子里,午间还坚持和大家一道吃食堂。

秉承先生之嘱托

从不迷信“洋人” 30年攻克两大世界难题

上世纪50年代,在中国科学院给著名科学家钱伟长做助手时,钟万勰便开始对由法国数学大师圣维南提出的弹性力学半逆法,即圣维南问题凑合法产生了质疑。对已盛行100多年的经典弹性力学理论产生质疑,可谓是在“太岁头上动土”。

“我不是按已有的老路,跟着‘洋人’再走一遍,这既费劲又乏味,且缺少新意。”钟万勰从不迷信“洋人”。
“这是国货。”
钟万勰用30年攻克两个世界难题,一个是突破了由力学大师铁木辛柯的弹性力学半逆法,即圣维南问题凑合法,另一个是消化了大数学家赫尔曼.韦尔1939年从分析力学问题提出的辛数学概念,在国际上首次建立了离散的辛数学体系。这两个理论体系的建立,突破了“洋人”100多年固守的传统经典力学,成为世界力学领域崭新的标志性成果。

1959年,著名科学家钱学森指派他去中国科技大学讲授理论力学、分析力学,钟万勰理解钱学森的深刻用意,希望通过他的潜心钻研,突破前人的困难。但随之而来的“反右”“文革”却让钟万勰饱受冲击。不幸中的万幸,当时钱令希院士以“一个专心搞学问的人不可能有什么坏思想”的质朴情怀,拨开重重阻力,热情邀请钟万勰来到大工,演绎了一段令人称羡的“伯乐识千里马”的动人故事。

具有里程碑意义的是,他将辛数学用在了传统动力学中、进行结构力学的离散分析,发现最优控制线性二次理论与结构力学中的子结构理论有相同的数学方程及变分原理,建立起了一一对应的模拟关系,打开了分析动力学中分析结构力学的一个新层次。而且,这一模拟关系的建立证明,数学与力学、物理学之间存在着一致性。再者,钟万勰创建了精细积分算法,其数值计算结果逼近计算机上的精确解。进而,钟万勰把模拟理论和精细积分算法应用到振动理论、波的传播和最优控制理论中,都取得了意想不到的满意效果。至此,力学中多门学科相互联系的公共理论体系初步形成。

然而,这一没有完成的世界难题一直在钟万勰脑海中缠绕,梗在心中30年。这期间,钟万勰利用他的数学功底,将数学与应用力学相结合,消化了大数学家赫尔曼·韦尔1939年从分析力学问题提出的辛数学概念,在国际上首次建立了离散的辛数学体系。

钟万勰从1959年为著名科学家钱伟长做助手时、接受著名科学家钱学森的指派,进行突破前人的理论研究;到1989年他理论体系的初步建立;再到1996年5月23日在铁木辛科曾工作的世界著名应用力学研究所,做了突破铁木辛科理论的报告、产生广泛影响;30年求索,终于获得回报,代表作《计算结构力学与最优控制》、《弹性力学求解新体系》,奠定了他在国际力学领域里重要学术地位,被国际学术界公认为“传世之作”。

“行成于思,毁于随,随了多少年了,岂能总是随着别人转?该反客为主,走自己的路了。”钟万勰看到了传统辛数学的局限性,他立志进行“辛破茧”,让辛数学走下神坛,以更好的形式、更大的适应性广泛应用于科技领域中去。

H∞鲁棒多变量控制理论摆脱“洋程序”

践行振兴民族之责任

中国崛起面临着国防现代化和高端制造业水平的提升,控制理论与计算是其中的关键问题之一;然而,核心高科技无法引进。“面对禁运,只有独立自主,自力更生。”钟万勰说。
H∞鲁棒多变量控制理论是实现最优控制的基础理论,钟万勰将他创建的状态空间法应用到最优控制理论中,取得了新的突破,诞生了我国自己的H∞鲁棒多变量控制理论。

经过不懈的研究,钟万勰创建了结构力学与控制理论的模拟关系,证明了数学与力学、物理学之间存在着一致性,他把这一理论应用到振动理论、波的传播和最优控制理论中,都取得了意想不到的效果。于是,力学中各门学科之间相互关联的公共理论体系初步形成,“只要换成辛对偶变量体系,就可建立起这个公共理论体系的道”。从此,钟万勰的研究跨入了一个新阶段。

在H∞鲁棒多变量控制理论创建后,钟万勰又率领团队开发出最优控制系统设计与仿真工具箱PIMCSD
Toolbox,它具有目前流行的国外开发的Matlab、SLICOT等控制工具箱所不具备的功能和特色,对机器人操作的快速机动,制导武器的精确打击和拦截,卫星编队队形的重构以及飞机起飞、降落阶段的姿态调整等,都在发挥和必将发挥重要作用。

在建立了结构力学与控制理论的模拟关系后,钟万勰用交叉学科的视角看问题,用状态空间法来解决问题,又取得了新的突破,诞生了我国自己研究出来的鲁棒控制H∞理论。

他亲自率团队将他的成果应用于实践,与多个我国高端制造业重大重点工程单位开展紧密合作。自2008年始,他们多次到中国航天科技和科工集团作鲁棒控制H∞等理论的报告,对科技工作者进行理论指导和技术交流,并把他们开发的有关数值仿真软件系统介绍给中国航天科工集团,让中国控制算法早日摆脱受制于人的困境,为中国人争气。

在现代状态空间控制理论与计算方法问世后,钟万勰又鼓励团队开发出最优控制系统设计与仿真工具箱PIMCSD
Toolbox。

曾率先在国内发展计算力学

“这些高端成果外国人是禁运的。”具有强烈民族自尊心的钟万勰从来不迷信“洋人”。为了追赶世界科技前沿,他亲自率队,将科研成果应用于实践,与多个我国高端制造业重大重点工程单位开展紧密合作。自2008年始,他们多次到中国航天科技和科工集团作鲁棒控制H∞等理论的报告,对科技工作者进行理论指导和技术交流,并把他们开发的有关数值仿真软件系统介绍给中国航天科工集团,让中国控制算法早日摆脱受制于人的困境,为中国人争气。

钟万勰一生可谓历经坎坷,但他对科学的追求始终没变。“文革”“反右”身处逆境,在时任校长钱令希院士保护下,钟万勰顶着压力,为我国核潜艇的研究和设计立下汗马功劳。

矢志一生的追求

计算机刚在中国大地上兴起时,学校组织了一支由钟万勰为首的小分队,到上海进行开拓,在国内率先发展计算力学,缩短了我国与国际先进水平的差距。自1970年代中期以来,面对国外制造业CAE程序系统的高端模块对我国禁运,钟万勰率领团队成功开发出以JIGFEX/DDJ为中心的一系列对经济建设极有实用价值的程序系统和集成SiPESC程序平台。

无论是身处逆境蹲“牛棚”时,还是在改革开放、快速发展的信息社会,钟万勰从来都是以一名闯将的姿态,冲锋在科学发展的最前沿。

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在计算机刚在中国大地上兴起时,在钱令希的建议下,一支由钟万勰为首的小分队便来到上海,在国内率先发展计算力学,他们用当时国内很少人应用的计算机高级语言编制出多种程序,使我国在计算力学领域与国际水平的巨大差距缩短了许多。

“钟先生眼界高远,我们都跟不上,往往开辟出一个方向后,就留给我们做,他马上又找寻新的研究方向。”曾是钟万勰的博士生、现已留在钟万勰身边工作的副教授高强由衷敬佩地说。

曾经跟随钟万勰做博士后的吴承伟教授,至今仍记得十几年前他在窗下看到钟万勰身居45平方米小屋,大夏天光着膀子在计算机旁工作的感人一幕。他说,“那一刻,让我对钟先生肃然起敬。”钟万勰几十年来一直住在学校如今快要动迁的东山红楼里,后来学校盖新楼分给他新房,他不去,说嫌吵,怕影响搞科研。于是,学校就把对面的另一套同样面积的房间打通让他住,这就让他很满足,笑谈“雅室何须大”。

82岁高龄的他至今天天坚持上班,午间和大家一道吃食堂,办公室里放一张小床,累了稍作休息,然后接着工作。目前,他正抖擞精神与信息学科进行交叉合作。

“机会来了,就得抓住!”钟万勰说。

《中国科学报》 (2015-08-06 第6版 动态)

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