高為炳

高為炳，河南省衛輝市人，自動控制專家，航空教育家，中國科學院院士。

在四十餘年的科研工作中取得多方面的成果：在非線性控制系統理論研究中，在絕對穩定性及用諧波平衡法研究含多個非線性元件的系統等方面取得了重要成果；在變結構控制理論研究中首創了“趨近律方法”，得到廣泛應用；在大系統理論研究中提出了穩定性分析的多層結構分解法和動態遞階控制方案；在機器人控制方面，獨創了多機器人協同工作的“主—助”控制策略；在航天控制研究中，提出了大型空間柔性結構狀態觀測和控制的新方法。

高為炳，1925年12月15日生於河南省汲縣（今衛輝市），小時候目睹了國民黨政府的腐敗，飽受列強欺凌，又從書上讀到愛迪生的故事，使他從小學時就有了做一個發明家，用科學救國的強烈願望。因此他學習非常刻苦，總希望學到更多的知識來實現自己的理想。高中畢業后，家裡給他在郵局找了工作，但他卻決心離開家鄉，外出求學。他先去南京上大學，日軍進攻南京時，又長途跋涉去後方西安上學。一路上歷盡艱辛，有一次還被土匪搶劫一空。這些都沒能動搖他繼續求學的決心，最後終於考取西北工學院航空系。在那裡他有幸受到國內許多一流學者的教誨，其中給他印象最深的是：當時剛從美國回來的王俊奎教授上第一節課就給同學們散發了自己剛在國外發表的論文，論述了對導彈進行改進后可提高射程許多倍。這在高為炳思想上產生很大震動。他說，這時他才懂得什麼叫科學研究，也使他的理想從當一個發明家變為做一個科學家。在以後的幾十年中，他的這一理想和信念從未動搖過。

1948年高為炳大學畢業時正是西安解放前夕，當時學校里許多教師和學生都想方設法另謀職業，但他卻要求留校當助教，從事教學和科研工作。高為炳先後在西北工學院、清華大學及哈爾濱工業大學任教，並從蘇聯專家指導的研究生班畢業。1952年10 月，他進入由全國八所院校航空系組建的新中國第一所航空航天高等學府——北京航空學院工作，曾任理論力學教研室副主任、院教學研究科科長。1956年加入中國共產黨，同年10月成為北航第一批晉陞的副教授，1978年10月晉陞為教授。1980年創立北航第七研究室（系統與控制研究室）並任研究室主任，1984年起任北航研究生院副院長。高為炳自50年代起開始進行運動穩定性和非線性控制系統理論研究；“文化大革命”後期開始從事現代控制理論線性系統方面的研究；1978年開始大系統理論研究；1980年開始進行現代非線性控制系統理論研究；1984年開始機器人控制問題研究；1985年開始大型空間柔性結構控制研究；1986年開始變結構控制系統研究；以後又陸續指導研究生開展了魯棒控制和離散事件動態系統研究；1990年開始關注複雜系統智能控制研究。在四十多年的科研生涯中，他共發表論文二百多篇，出版了《非線性系統導論》、《變結構控制理論基礎》等名著，受到國際國內學術界的廣泛重視並給予高度評價。1981年被國務院學位委員會首批公布為博士生導師，1991年當選中國科學院院士。原航空航天工業部分別於1991年和1992年授予他“航空高校先進科技工作者”和“有突出貢獻的專家”稱號。

1925年12月15日 出生於河南省汲縣（今衛輝市）。

1944-1948年 在西北工學院航空系學習。

1948-1950年 任西北工學院助教、講師。

1950-1951年 任清華大學航空系講師。

徠1951-1952年 哈爾濱工業大學研究生畢業，任理論力學教研室主任。

1952-1994年 任北京航空學院（后更名為北京航空航天大學）講師、副教授、教學研究科科長、理論力學教研室副主任、教授、第七研究室（系統與控制研究室）主任，研究生院副院長。

1994年3月30日 病逝於北京。

高為炳曾任中國航空學會常務理事，自動控制專業委員會主任，中國自動化學會常務理事，國務院學位委員會自動化學科評審組召集人，國家自然科學基金委自動化學科評審1組組長，國家教委科技委自動化學科組組長，人事部博士后管委會專家組成員等職。他還擔任《控制與決策》副主編，《自動化學報》編委，美國《電子電氣工程師協會工業電子學彙刊》國外副主編，中國科學院機器人學開放實驗室學術委員會主任，國內10所大學的名譽教授、顧問教授或者兼職教授，是我國自動化領域德高望重的學術帶頭人之一。

1 高為炳。運動穩定性基礎。北京：高等教育出版社，1987

2 高為炳。非線性控制系統導論。北京：科學出版社，1989

3 高為炳。變結構控制理論基礎。北京：中國科學技術出版社，1990

4 高為炳，霍偉.大系統的穩定性、分散控制及動態遞階控制基礎。北京：北京航空航天大學出版社，1994

5 高為炳。變結構控制的理論及設計方法。北京：科學出版社，1996

6 高為炳。關於非線性控制系統的穩定性問題。自動化學報，1964，2（1）：16-27

7 高為炳。用諧波平衡法研究具有幾個非線性元件的單迴路調節系統。自動化學報，1964，2（3）：136-145

8 W. B. Gao. On the absolute stability and stability degree of nonlinear systems. Science Sinica, 1966, XV(l): 107-122

9 W. B. Gao. The multilayer structure, stability and stabilization of large scale systems. Science Sinica, 1982, XXV(8): 877-887

10 高為炳，吳東南。關於非線性系統的線性化問題。中國科學，A輯，1987，XXX（7）：740-748

11 高為炳，程勉，曾文陵。柔性空間飛行器的變結構控制。航空學報，1988，9（5）：274-280

12 高為炳。非線性系統的變結構控制。自動化學報，1989，15 （5）：408-415

13 W. B. Gao. A new control strategy for robot systems in tracking tasks. Mechatronics，1991，1（3）：353-366

14 高為炳。多機器人系統的動力學與協調控制。控制與決策，1992，7（3）：161-168

非線性控制系統理論研究成果卓著

高為炳是我國最早從事非線性控制系統理論研究的學者之一。早在60年代就對Lur’e直接控制系統開創性地引入了“消除中間變數法”，導出了最少保守性的絕對穩定性判據，迄今仍是國際上同類工作中最好的結果，並為1969年出版的著名著作《Nonlinear Differential Equations of High Order》所索引。他解決了用諧波平衡法研究含多個非線性元件系統的自激振蕩問題，對強迫振蕩的存在性條件和自激振蕩的穩定性等問題的研究得到了重要結果。他還提出了“諧波線性化D-域方法”，系統解決了二階非線性系統的多類穩定性問題。他的這些重要研究成果被錢學森、宋健的名著《工程式控制制論》索引。

進入80年代后，高為炳和他所指導的研究生對現代非線性控制理論中的一批基本問題開展了系統和深刻的研究，發展完善了動態擴張演演算法，發現了非線性系統新的不變數——本性秩，解決了非線性系統最小階動態解耦問題，提出了非線性系統觀測器的一般形式和設計理論，取得了一批有很重要價值的成果，得到國際同行的高度評價。1988年高為炳在多年研究的基礎上出版了專著《非線性控制系統導論》，集中反映了他在這一領域的精深造詣。這本90萬字的宏大著作是我國第一本有關專著，系統全面地介紹了非線性控制系統理論研究的豐富成果，出版后深受歡迎，1991 年再次印刷，成為這一領域具有重要影響的著作。

首創變結構控制系統設計的“趨近律”方法

變結構控制理論是50年代由蘇聯學者創立的一種控制系統設計方法，經典的變結構控制理論主要研究用相變數描述的單變數線性系統。進入80年代以來，受控對象、運行環境和所要完成的任務越來越複雜。如何設計控制器，使得受控系統對外部干擾及內部參數變化具有較強的魯棒性成為自動控制領域的中心課題之一。在這一背景下，變結構控制理論由於其普遍適用性、對干擾的魯棒性、控制形式的簡單實用性等特點而引起人們的廣泛研究和應用。

用傳統變結構控制理論設計多輸入對象的變結構控制器時，會導致求解高階聯立不等式組，一般不能得到解析解，無法求出控制器。為克服這一困難，高為炳提出了“趨近律”方法。這一方法可將傳統方法中求解高階不等式組的問題簡化為求解一個簡單的代數方程，並通過適當選取方程中的函數和參數，可得到各種不同控制性能的變結構控制器。這一方法從全新的途徑解決了多變數系統變結構控制器的設計問題，簡明有效，易於設計，且可推廣到多種類型的複雜系統，並提供了削弱系統抖振，保證控制過程品質的有效手段，成為變結構控制器設計的一種新的基本途徑。“趨近律”方法現已被國內外學者廣泛引用，據1998年底不完全統計，已被國內外30餘種期刊和專著引用200餘次。這一研究成果1997 年獲國家教委科技進步一等獎，1999年獲國家自然科學三等獎。

隨著變結構控制理論研究和工程應用的迅速發展，許多科研工作者迫切希望及時了解最新進展並投入到相關研究工作中，急需閱讀有關專著，但由於研究正處於迅速發展之中，要系統論述最新研究成果有很大難度。在這一形勢下，高為炳克服困難，以自己多年從事變結構控制研究的深刻體驗及對其新發展和體系組成的新思考，於1990 年出版了我國第一本有關專著《變結構控制理論基礎》。該書詳細介紹了變結構控制的基本數學理論，著重以獨創的滑動模態分類和“趨近律”方法為線索，系統論述了多變數變結構控制系統的切換函數構造與控制器設計方法，深入探討了不變性與魯棒性以及新提出的品質控制等專門問題，並介紹了大量工程應用實例。該書的出版對我國變結構控制理論與應用研究起了極大的推動作用。據1999年對控制領域四個主要期刊《自動化學報》、《航空學報》、《控制與決策》和《控制理論及應用》的調查，自1992年以來，有關變結構控制的論文大幅度增長，其中有63%以上引用了此專著。變結構控制理論的創始人之一V.I.Utkin教授見到此書後專門寫了書評，稱它“是一部現代變結構控制理論基礎的系統論著，它豐富和發展了變結構理論的思想和方法，對這一理論做出了重大貢獻”，並將“趨近律”方法譽為“高為炳方法”，是“對現代變結構控制理論的根本功績”。此專著1992年獲全國優秀科技圖書一等獎。1993年高為炳根據變結構控制理論研究的最新進展重新改寫了此書，寫成專著《變結構控制的理論及設計方法》，病逝後由科學出版社於1996年出版，1997年獲國家優秀科技圖書一等獎和第三屆國家圖書獎提名獎。

緊隨科技發展 不斷擴展研究領域

高為炳科研工作的一個重要特點是：依據自動控制學科發展的世界潮流，不斷擴展研究領域，在許多重要研究方向上都取得重要成果。

在大系統理論研究方面，高為炳用圖論方法研究出大系統的多層結構分解法，將大系統分解為以一種最簡單基本結構——“最小強相聯繫統”經多層組合而成，從而將大系統的穩定性問題轉化為簡單的最小強相聯繫統穩定性分析。這一方法為大系統穩定性分析提供了一條簡便途徑，也為以最小控制器鎮定大系統提供了新的思路。連同高為炳建立的動態遞階控制理論、線性時變大系統的穩定性分析、非線性大系統在有限域中的魯棒穩定性等重要結果，形成了獨具特色的大系統穩定性和鎮定理論。這方面的研究成果在1987年獲國家教委科技進步二等獎。

機器人的協調控制系統研究

在機器人控制方面，高為炳對多機器人的協調控制進行了系統研究，提出了多機器人新的力學模型，以遞推形式的力鏈和速度鏈關係取代傳統研究中採用的聯立方程模型，解決了實時控制的計算有效性問題。他針對國際學術界採用的“主—從”型控制策略存在的易於出現內力對抗和實時計算困難的缺點，提出了“主—助”型控制策略，為解決機器人之間的負荷分配提供了一種更好方法。基於這種控制策略，高為炳在多機器人系統跟蹤控制問題、適從控制問題、複雜裝配任務問題等方面取得了一系列創新性結果，為多機器人協調控制的研究開闢了一條新的途徑。他的這些成果在國際期刊和會議發表后，受到國際同行的高度重視，多次應邀到美國、日本等國講學。

在航天飛行器控制方面，高為炳提出和解決了大型空間柔性結構的狀態觀測問題。他所提出的狀態觀測靜態方法和非線性觀測器方法成功解決了柔性結構控制中的狀態測量難題，使狀態反饋控制方法能應用於實際。有關結果引起前蘇聯和日本學者的極大興趣。

高為炳還指導研究生在自動控制領域的魯棒控制、分散控制、離散事件動態系統的監督控制、智能控制等重要研究方向上取得了許多重要成果。

高為炳在教育戰線耕耘一生，從50年代起就因課堂教學效果好而成為北航具有極高聲譽的優秀教師，深受學生尊重和愛戴。“文化大革命”后他開始指導研究生。他對研究生一貫堅持高標準、嚴要求。他曾在討論班上給研究生做了《科學研究與博士論文的典範》的報告，報告中給出的科學研究典範是現代控制理論的創始人卡爾曼，博士論文典範是穩定性理論的創始人李雅普諾夫。他認為只有敢於提出高標準，才可能在科研中有所突破，他激勵研究生學習科學大師的治學態度和研究方法，樹立起一生從事科學研究的榜樣。儘管高為炳熟知世界自動控制學科發展動態，又有在隨身攜帶的小本上記下許多待研究課題的習慣，但他從不給學生指定具體研究課題，而是要求研究生全面了解和仔細分析所從事研究方向的歷史和現狀，自己找出世界前沿課題。他說他指導研究生的原則是：可說可不說的不說，可多說可少說的少說，儘可能發揮學生的主動性和創造性。在他看來，導師“扶”出來的研究生在當今科技競爭十分激烈的時代是不會大有作為的，一定要培養起研究生的獨立工作能力，這對學生一輩子都有好處。

自1987年以來，高為炳培養了50餘名碩士、博士、博士后和國內外訪問學者，許多人已成為各條戰線的骨幹。其中2人被原航空部授予“做出突出成績的中國博士學位獲得者”稱號，1人獲國家傑出青年基金資助，1人獲教委跨世紀人才資助並獲北京市“五四”獎章，3人獲德國洪堡基金資助出國進行科研工作。高為炳為培養我國控制理論研究高層次科研人才做出了突出貢獻。

變結構控制理論是50年代由蘇聯學者創立的一種控制系統設計方法，經典的變結構控制理論主要研究用相變數描述的單變數線性系統。進入80年代以來，受控對象、運行環境和所要完成的任務越來越複雜。如何設計控制器，使得受控系統對外部干擾及內部參數變化具有較強的魯棒性成為自動控制領域的中心課題之一。在這一背景下，變結構控制理論由於其普遍適用性、對干擾的魯棒性、控制形式的簡單實用性等特點而引起人們的廣泛研究和應用。用傳統變結構控制理論設計多輸入對象的變結構控制器時，會導致求解高階聯立不等式組，一般不能得到解析解，無法求出控制器。為克服這一困難，高為炳提出了“趨近律”方法。這一方法可將傳統方法中求解高階不等式組的問題簡化為求解一個簡單的代數方程，並通過適當選取方程中的函數和參數，可得到各種不同控制性能的變結構控制器。這一方法從全新的途徑解決了多變數系統變結構控制器的設計問題，簡明有效，易於設計，且可推廣到多種類型的複雜系統，並提供了削弱系統抖振，保證控制過程品質的有效手段，成為變結構控制器設計的一種新的基本途徑。“趨近律”方法現已被國內外學者廣泛引用，據1998年底不完全統計，已被國內外30餘種期刊和專著引用200餘次。這一研究成果1997 年獲國家教委科技進步一等獎，1999年獲國家自然科學三等獎。

隨著變結構控制理論研究和工程應用的迅速發展，許多科研工作者迫切希望及時了解最新進展並投入到相關研究工作中，急需閱讀有關專著，但由於研究正處於迅速發展之中，要系統論述最新研究成果有很大難度。在這一形勢下，高為炳克服困難，以自己多年從事變結構控制研究的深刻體驗及對其新發展和體系組成的新思考，於1990年出版了我國第一本有關專著《變結構控制理論基礎》，該書詳細介紹了變結構控制的基本數學理論，著重以獨創的滑動模態分類和“趨近律”方法為線索，系統論述了多變數變結構控制系統的切換函數構造與控制器設計方法，深入探討了不變性與魯棒性以及新提出的品質控制等專門問題，並介紹了大量工程應用實例。該書的出版對中國變結構控制理論與應用研究起了極大的推動作用。據1999年對控制領域四個主要期刊《自動化學報》、《航空學報》、《控制與決策》和《控制理論及應用》的調查，自1992年以來，有關變結構控制的論文大幅度增長，其中有63%以上引用了此專著。變結構控制理論的創始人之一V.I.Utkin教授見到此書後專門寫了書評，稱它“是一部現代變結構控制理論基礎的系統論著，它豐富和發展了變結構理論的思想和方法，對這一理論做出了重大貢獻”，並將“趨近律”方法譽為“高為炳方法”，是“對現代變結構控制理論的根本功績”。此專著1992年獲全國優秀科技圖書一等獎。1993年高為炳根據變結構控制理論研究的最新進展重新改寫了此書，寫成專著《變結構控制的理論及設計方法》，病逝後由科學出版社於1996年出版，1997年獲國家優秀科技圖書一等獎和第三屆國家圖書獎提名獎。