我校在世界上首次实现空间四级倒立摆实物系统控制

目光睿智,学识广博,谈吐间透着自信和一种由心而生的定力。  
李洪兴,我校电子信息与电气工程学部控制科学与工程学院教授。我国变论域自适应控制理论的首创者,国家级有突出贡献的中青年专家。

6月18日,我校电子信息与电气工程学部控制科学与工程学院李洪兴教授领导的科研团队在世界上首次实现空间四级倒立摆实物系统控制,这是一项原创性的具有世界领先水平的标志性科研成果。

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威尼斯官方网站登录,百折不挠,苦战7年多,李洪兴教授率领团队于今年6月18日在世界上首次实现了“空间四级倒立摆实物系统控制”。这一原创性达到世界领先水平的标志性科研成果,是其团队继2002年实现“二维四级倒立摆实物系统控制”,获得教育部自然科学一等奖后的又一重大突破。
  再创奇迹,李洪兴教授仍一如往日的淡定。他说,如果没有团队一路走来的团结奋进,永不放弃的精神,就没有今天的成功。“最初的成果诞生在临建棚里”   
2002年盛夏。那是在走廊过道临时搭建起的一个被戏称为“三楼半”的棚子,因为地方足够高才能满足实验,而原来的实验室不够高,所以才有了“三楼半”的临建棚。身为北京师范大学数学系教授的李洪兴,带领科研团队就在临建棚里夜以继日地做着实验。酷热难耐,棚内没有空调,又不能吹电扇,因为实验要避免不必要的风力干扰。白天闷热,晚上蚊子叮咬,虽然汗流浃背,但大伙儿全然不当回事。  经过两个多月的鏖战,8月11日,世界上第一台“二维四级倒立摆实物控制”实验成功。教育部随后组织成果鉴定会,由12位著名专家组成的鉴定委员会一致认为,该成果是一项“原创性的具有国际领先水平的重大科研成果”。  这一重大成果所应用的就是李洪兴在1995年首次提出的变论域自适应控制理论。“变论域自适应控制理论,目前已应用于炼铝行业,今后将在半导体加工、机器人柔性控制、军事与航天等多个领域中得到应用。”回想当初的情形,李洪兴历历在目:“那时压力特别大,临建棚条件简陋,有碍观瞻,不知有多少人在瞅着我们。当四级倒立摆第一次立起来的时候,尽管只有几秒钟,但我们知道最终的成功就要到来了。”这一重大成果引起轰动,光明日报、科技日报、科学时报、中央电视台一频道、中央电视台十频道等多家媒体跟进做了报道。  李洪兴继续作战,将“空间多级倒立摆实物系统控制的实现”作为重要研究课题之一。
2003年10月,又在世界上首次实现了空间三级倒立摆实物系统控制。教育部组织9位专家进行鉴定,仍然认为这是一项原创性具有国际领先水平的重大科研成果。该成果获得2005年度教育部自然科学二等奖。“新的科研环境让我如鱼得水”  李洪兴教授运用变论域自适应控制理论,先后实现了“二维四级倒立摆实物系统控制”、“空间三级倒立摆实物系统控制”,其高超的学术造诣,成果斐然的影响力,引起了广泛关注。为给予正在攻克“空间四级倒立摆实物系统控制”的李洪兴教授更大的科研空间,在我校主要领导的积极支持下,2007初,李洪兴教授作为特殊人才被引进大连理工大学。  学校提供了良好的科研条件和充足的经费,专门辟出场所100多平方米作为实验室,提供“985工程”科技创新平台经费予以资助,这使李洪兴如鱼得水。在学校、学部和学院的大力扶持下,他的科研灵感与激情不断迸发,加快了“空间四级倒立摆实物系统控制”的研究进度。  “通俗地讲,二维倒立摆是在一个平面上运动的倒立摆,而空间倒立摆则是实现了左、右、前、后以及任何方向运动的倒立摆。”李洪兴进一步打比方:杂技演员手心向上可以平托一根立起的直杆,直杆上接续立上三根,依旧不倒,就是空间四级倒立摆。可惜,人类的反应和技能是不可能实现二级以上的倒立摆的。只有新的控制理论借助于机电一体化的设备才能实现。2004年以前,他们陆续实现了“二维四级倒立摆实物系统控制”和“空间三级倒立摆实物系统控制”。此后所做的“空间四级倒立摆实物系统控制”的研发,就是让类似杂技演员托杆这种平常人不可能做到和不可思议的现象,在实验室里通过实物控制系统设备实现。

倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于20世纪50年代。美国麻省理工学院的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备,而后人们又参照双足机器人控制问题研制二级倒立摆控制设备,从而提高了检验控制理论或方法的能力,也拓宽了控制理论或方法的检验范围。三级倒立摆是由一、二级倒立摆演绎而来,它的实物系统控制实现已经是公认的难题。至于四级倒立摆实物系统控制的实现则是世界上空白的具有极大挑战性的课题。
2002年8月,李洪兴教授领导的科研团队在世界上应用李洪兴在1995年首次提出的变论域自适应控制理论成功实现了二维四级倒立摆实物系统控制。变论域自适应控制理论目前已应用于炼铝行业,将来还能够在半导体加工、机器人柔性控制、军事与航天等多个领域中得到应用。教育部组织9位专家对这一成果进行了鉴定,认为这是一项原创性的具有国际领先水平的重大科研成果。光明日报、科技日报、科学时报、中央电视台第一套、中央电视台第十套等媒体均对该成果进行了报道。该成果获得2002年度教育部自然科学一等奖。
此后,他们又将“空间多级倒立摆实物系统控制的实现”作为重要研究课题之一。从控制理论和控制工程的意义上讲,空间倒立摆实物系统控制的实现要比普通倒立摆的实现困难得多,不仅因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍增加,而且有关机械和电子器件的实现或选用也遇到瓶颈性的困难。
2003年5月,李洪兴教授领导的科研团队在世界上首次成功实现了空间三级倒立摆实物系统控制。教育部组织12位专家对这一成果进行了鉴定,仍然认为这是一项原创性的具有国际领先水平的重大科研成果。光明日报、科技日报、科学时报等媒体随后对该成果做了报道。该成果获得2005年度教育部自然科学二等奖。
从2003年9月开始,李洪兴教授领导的科研团队把实现空间四级倒立摆实物系统控制作为主攻科研目标。然而,这一目标的实现却非常困难,经过7年锲而不舍的探索研究,最终于今年7月1日前成功完成,向党的生日献礼。(电子信息与电气工程学部)

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  “你要不停地审视自己的决定,当研究进入死胡同的时候,该放弃还是该继续就在你一念之间。”李洪兴解释道,从控制理论和控制工程的意义上讲,空间倒立摆实物系统控制的实现要比普通倒立摆的实现困难得多,不仅因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍增加,而且有关机械和电子器件的实现或选用也遇到瓶颈性的困难。他抓住问题的关键,紧咬不放,把变论域自适应控制理论在实际应用中演绎到极致,解决了碰到的一系列理论和实际难题。同时,针对电子器件的实现或选用遇到的“瓶颈”,在电子器件的精密度上下足功夫,一个器件加工十或二十套,从中优中选优,甚至派人到工厂直接“监工”加工质量。有的干脆自己动手打磨,精益求精。  来大工三年多时间,李洪兴每天都在与时间赛跑。业内有“倒立摆是控制理论皇冠上的明珠”一说。李洪兴在应用数学、控制理论与控制工程、模式识别与人工智能交叉学科领域驰骋二十多年,厚重的理论积淀,捕捉科学问题的敏锐眼光,使他有接受挑战,摘取这颗明珠的底气。他是研究项目的指挥员,除了出差,大多“泡”在实验室,计算机模拟仿真——总结后调整运行程序——实物实验,每一次循环往复,都是总结失败教训、解决问题的过程。目标只有一个:让空间四级倒立摆实物像杂技演员手上的四根秆子一样立起来!“屡败屡战考验着我们的承受力”  李洪兴体会最深的是,任何一次实验的开始到结束,过程可能短暂也可能漫长,实验,可以在最后一分钟发生各种状况,将之前的努力全部一次清光。这种事经常发生,此乃科研工作的一部分,你必须学会接受它,否则根本没办法继续下去。  但他领导的团队有一种不服输的精神。“实验室里有太多的失败,坚持,让我们看到了成功的希望。”李洪兴常常跳脱既定的模式和框框另辟蹊径,寻求一种不同的或独具创意的解决方案。每次失败后,他们至少要找出5种以上的原因,进行筛选,反复尝试,以便确定最后的直接原因。  难忘的是6月18日那天,下午4时30分。实验室鸦雀无声,李洪兴教授坐在计算机前操作,大家屏住呼吸,静静等待着,只见站在桌子上的王加银把扶住四级倒立摆的手轻轻地松开,刹那间,空间四级倒立摆稳稳地立住了,没有一丝震动。大家欢呼雀跃,相拥庆贺。

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