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学科交叉的集成创新 ——中国热工动态自动化的先驱钱钟韩

已有 2447 次阅读 2021-10-19 17:19 |个人分类:科学家研究|系统分类:人物纪事

学科交叉的集成创新

——中国热工动态自动化的先驱钱钟韩

  

 

在中国一流技术科学家精英群体,钱钟韩是一位有着特殊经历、地位、学识、成就与影响的杰出的技术科学家、技术科学教育家。他在浓郁的中国文化氛围的熏陶下得以启蒙,同时又深受刚刚萌芽的中国民族工业的影响与激励成为那个书香书第、名门望族之中第一个学习近代科技的率先者;他留学英伦三岛但未获得任何学位或奖章,然而归国之后立即被当时最著名的高等学府之一----浙江大学聘为教授,时年钱钟韩26岁;他年仅37岁便受命于危难之际就任中央大学工学院代理院长,以后历任南京大学工学院院长,南京工学院副院长、院长,40多年来一直是中国高等理工科著名学府的主要组织者与领导者;在他的一生中有两次重要的蒙难1957年他受到错误批判,被迫离开副院长岗位,文革中他被诬为反动学术权威,受尽折磨与凌辱。政治上的失意却造成了钱钟韩学术上的得意,前者使他成为中国工程热物理、热工动态学和热工过程自动化等学科的奠基人之一,后者使他成为中国自动控制理论及应用学科的学术带头人之一。两次被打倒靠边站,两次在中国技术科学界崛起,两次开创新的学术方向;在50年来的科学生涯里,钱钟韩并没有出版过个人学术专著,没有发表过众多科学论文,也没有领衔主持过许多重点科研项目,更没有获得任何级别的成果奖励,但他却是中国科学院院士;作为一流技术科学家,钱钟韩的有形的科学成果或许并不很多,但在他指导、帮助下取得的成果和发表的论著却无法统计,受到他教诲、熏陶和影响恩泽的科技工作者几乎遍及中华大地,远涉海外。他在特殊的社会环境中,紧紧跟踪世界技术发展的潮流,以其卓越的智慧和超常的努力,在某些方面达到或赶上世界先进水平,为中国科技事业的发展做出了特殊的成就与贡献。同时,钱钟韩还满怀热情、呕心沥血培养和训练了一大批优秀的科技人才,一旦条件允许和门户开放时,他们就有能力、有基础、有可能向世界一流科技高峰发起冲击,能够使中国科技事业从无到有、从小到大,并迅速跻身世界先进行列。

  钱钟韩是时代的产物。在20世纪自动化学科的兴起和完善过程中,同时也是中国基础工业迫切需要建立和发展自动化技术的召唤下,钱钟韩以其敏锐的眼光和过人的胆识选择了电厂热工自动化作为主攻方向,经过长期的潜心研究和勇敢探索,并充分吸收和利用前辈学者和同事助手的智慧与成就,再加上个人的勤奋与思想方法的正确,从而提出了一系列新思想、新观点、新理论、新方法,为中国热工自动化理论与实践和发展开拓了一条崭新的道路。

  20世纪自动控制技术得到了飞速发展,并开始成为一个科学技术学科。在19世纪末,系统稳定性判据和稳定性定义的基础上,1923年英国希维赛德(O.Heovide )提出了算子法,1932年瑞典的奈魁斯特(H.Nygnist)提出以传递函数为依据的稳定性判别准则。30年代末苏联的米哈依洛夫(A.B.MИXaЙпO B)率先应用频率法来研究调节器的稳定性,把自动调节系统环节按动态特性加以典型化作为进行结构分析的基础。40年代初美国的伊文思(W.REvans)提出轨迹法,适用于迅速获知系统的响应,并可使设计者能够了解满足系统性能指标可以达到何种程度的近似结果。1945年美国的伯德(H.W.Bode)出版了《网络分析和反馈放大器设计》一书,利用对数据频率特性,形成了所谓奈魁斯特-伯德法。1947年美国的詹姆斯(H.M.James)等人出版了《伺服机构原理》,系统总结了二次大战时期形成的调节原理、伺服系统理论,从而促进了这些理论向民用工业的移植,1949年美国的维纳(N.Wiener)出版了《控制论》,揭示了机器中的通讯和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律。该书的高度概括性和联系多种学科的广泛性,对自动控制理论的形成,起了有力的促进作用。这时,经典控制理论日趋成熟,自动化技术迅速发展,自动化学科逐渐形成了。

  几乎于此同步,钱钟韩开始了他的科学生涯,包括求学与教学。虽然,钱钟韩出身在一个具有深厚国学传统的名门世家,但他并没有象其堂兄钱钟书那样沿着既定的轨道从事传统文化的学习与研究。除了个人兴趣爱好等因素之外,不容忽视的是时代与社会环境的影响。在上大学之前,钱钟韩主要生活在江苏无锡。江苏近代工业化的速度、在全国都是名列前茅的,而江苏近代工业企业主要集中在无锡、常州和南通等地,其中以无锡为最。无锡东接常熟、南临太湖、西连武进、北邻江阴,拥有太湖平原作为提供丰富农产品原料、廉价劳动力和商品销售市场的基地,发达的水、陆交通便于商人组织大规模的商品交换和物资集散,无锡成为联结生产与消费的纽带,从而为江苏近代工业发展的进程中,涌现了一批以工求生、顽强拼搏、叱咤风云的企业家。他们精明强干,有远见,追求新机器、新技术和先进的管理制度,唯才是举,择优聘用和发挥员工的聪明才智。他们能千方百计抓住一切机遇、励精图治,不断开发新产品,拓宽经营渠道,逐渐形成了10个实力比较雄厚的企业集团,其中荣氏集团为最杰出者。钱钟韩的父亲不仅是荣氏集团的重要成员,而且也是无锡民族工业界举足轻重的头面人物。这样的家世背景对于钱钟韩选择学习技术科学、特别是选择对中国工业有重要影响的电机工程为专业不能不说有某种必然联系。钱钟韩弟妹几乎也都是学习工程科学的,或许不是偶然的。家庭环境和教会学校两方面的影响,为年青的钱钟韩在故纸堆之外开启了一扇了解西方文明的大门,特别是学习近代科学技术的启蒙之窗。

   经过慎重考虑,钱钟韩决定投考对中国工业的诞生和发展有重大贡献的著名理工科大学---上海交通大学。1929年,18岁的钱钟韩以优异的成绩考入上海交通大学电机系。同年,我国著名的工程控制论、系统工程专家钱学森也考入上海交通大学铁道机械工程专业。在以治学严谨著称的上海交通大学里,钱钟韩不仅系统学习了自动化学科的相关基础课程,而且全面接受了极为严格扎实的科学训练。虽然钱钟韩从中学时代就甚为喜欢数学,但他更感兴趣的是现实的物理世界,而不是单纯的逻辑问题。大学期间的理工科教育,进一步发展了他重视工程结果,而不盲目相信数学的思想,特别是那些没有解决的问题,或者可能成为一门学科的生长点,构成了钱钟韩深入钻研的起点。钱钟韩开始有意识的认识将基础知识经过精心选择与组织,使之成为自己思想体系和知识结构的有机组成部分,其它孤立、零星的知识,则可以在需要时再去查手册或找专题参考书,当然也需要掌握相应的检索方法。在脑子里时常装着一些实际工程问题,极大提高了钱钟韩吸取知识和捕捉信息的敏感性。这种独特的学习方法,比较有利于科研活动找到突破口,同时避免与其他同行在科研选题上的低水平重复。上海交通大学的治学熏陶,对钱钟韩科学素养的形成产生了深刻的影响。

  留学经历对钱钟韩的科学素养的构建无疑具有举足轻重的意义。自1911年辛亥革命成功到1949年新中国成立,不同时期总共派出官费留学生约3万人,其中大多数人是学习人文科学。只是在1928年公布的教育部组织法提出:严限选派资格,注重应用科学,以为造就专门人才以后,学习自然科学和工程技术的留学生逐渐增加。钱钟韩就是在这样的背景下,考取江苏省第一届官费留学生,赴英国伦敦大学帝国理工研究院。英国是近代技术革命的发源地,伦敦大学是由50多个学院和研究院联合组成的英国最大的一所综合性大学。该校创建于1828年,其创始人的建校指导思想是对于古老的牛津、剑桥大学的教育传统深为不满,主张学生应来自各个阶层,教学内容不应过于狭窄,提倡各种学说自由发展和相互交流以促进社会繁荣。伦敦大学的帝国理工研究院在这种指导思想下以培养科学通才、科学全才而闻名于世的。在这所学校里,钱钟韩不仅深入研究了当时最先进的电机,热工等学科的基础理论,而且受到过独立科研训练和开放式的科学思想的熏陶。在准备硕士论文期间,钱钟韩经过独立研究和反复实验之后,对权威教授已取得的公认成果提出质疑,在热电测量的理论方法上取得了一些有积极意义的成果,从而奠定了他在热工动态学领域的学术基础。

  如果说社会环境和求学经历为钱钟韩的科学素养的形成提供了某种可能性的话,那么浙江大学浓郁的学术氛围则将这种可能性转变为现实性,直接孕育、催发新思想的成长与成熟。现代中国真正办学成功的大学校长,大概只有北京大学的蔡元培和浙江大学的竺可桢。他们二人都胸襟豁达,气度非凡,学识渊博,造诣极深,在学术上都能令人信服地领导各个领域的科学家开展学术研究活动;他们极其尊重人才,都不畏压力广罗各派人才,并充分发挥各类人才的作用。仅1937年前后,竺可桢就从国内外聘请了谈家桢、章用、罗宗洛、梅光迪、王淦昌、卢嘉锡、钱钟韩等各学科名教授来浙江大学任教。被著名科学史家李约瑟称赞为东方的剑桥--浙江大学,在竺可桢的领导下,配备有先进的科研设备,优良的自由民主学风,加上遵义湄谭(1940--1946)那种相对安定的治学环境,吸引了各个学派的大批学者。在抗日战争极其特殊艰难的条件下,浙江大学为中华民族保全和培植了数量可观的杰出科技人才,一位诺贝尔奖获得者;近百位中国科学院院士,其中80%都曾在遵湄生活过。钱钟韩创造性的科学活动就是在浙江大学起步的。

 在浙江大学期间,钱钟韩基本上采用原版教科书,讲授过程中又将国内外学术期刊上发表的新成果直接引入课堂,这既使教学内容不断更新,同时也使师生能跟上世界科技发展出潮流,钱钟韩讲授的电厂设计和热工学等课程,简明扼要,条理清晰,生动透彻,精辟丰富,很受工学院内众多系科学生的欢迎。这样的教学不仅易于培养杰出的创造性人才。而且也使钱钟韩本人逐渐形成独树一帜的科学思想。

  钱钟韩还不囿于本专业学科的小天地,吸取不同学科的养料,在众多领域进行了卓有成效的科学研究。在生物的力学的学术报告中,钱钟韩抓住生物界里有许多司空见惯而又从未被人注意、思考的问题,说明了千万年来生物在适应自然环境的不同生存条件中不断进化、存优汰劣,从而达到力学上最优结构的问题。他在另一次学术纵论中,从材料品种的发展、性能的改进,必然导致设计理论模式、方法的变革,从秦砖汉瓦一直谈到新型材料、塑料工业及发展前景,几十年的科学进展,已日益证明钱钟韩当时的预见的合理性与准确性。这种跨学科综合研究方法一直指引着钱钟韩从现实基础上理论与实践相结合的探索发展科技的途径。在现代科技思想丰润土壤上成长起来的钱钟韩是一位适应大科技时代的技术科学帅才。他是一位能够驾驭波澜壮阔的大科技的舵手,是一个一专多能、通晓多种领域的通才,是一个能够指挥科技队伍千军万马协同作战的帅才。的道路,给国家现代化带来新的信息、新的贡献。

   动力工程的热、电、机系统之间存在着相互制约、不可分割的有机联系,然而以往的动力工程学科基本上是分门别类地剖析各项动力设备的构造和设计、用孤立、静止的观点和原理的方法去透视各项动力设备,因而没有抓住问题的要害---动力系统的整体运行和不断适应外界需求的特性。钱钟韩系统总结自己多年教学与研究的亲身体验,提出了新颖独到的动力工程学科的动态系统观。他认为,真正有效的动力工程学科应该从动态运行和联合系统的角度出发,着重研究动力工程系统整体运行的规律和不断适应外界需求的功能作用,并且充分注意各项机、电、热设备之间的相互制约和相互创造,从而在了解分件设计和制造技术的基础上,进一步形成研究联合运行和整体设计的科学体系。根据这一科学体系,然后将机械、热工、电气以及检测仪表和自动化等多方面的专业知识融会贯通起来,构成一个跨学科特性,易于学习的教学体系,从而使培养的学生能够对整个动力工程有一个透视认识和全面了解。根据机电结合的科学体系与教学体系的内在要求,钱钟韩和他的同事们于1954年将南京工学院机械工程系的热能动力装置专业、电力工程系的发电厂配电网及联合输电系统专业、工业电气化专修科等从原系分出,成立了动力工程系,从而创建了一个具有中国特色的机械、热工、电气相结合的动力工程学科体系。这一充分体现钱钟韩机电结合思想的学科体系,为提高中国工业部门的国际竞争能力,开发动力工程领域基础知识,改革沿袭苏联教育体制的中国大学专业划分过窄、人才培养模式单一的弊端,以及增进大学师生与工业部门工程师之间的相互联系等做出了举足轻重的贡献。

   机电结合思想指导下,钱钟韩在20世纪50--60年代期间,首次成功地将经典控制理论引入热工系统,使处于经验形态的热力工程上升为具有现代化科学形态的热工动态学,开创了中国热工自动化研究领域。热工动态学是钱钟韩科学思想的主体。钱钟韩在50年代中期,独立创造地提出了综合解决窑炉传热问题的热流线路分析法。借鉴电路分析理论中比较成熟的概念和方法,钱钟韩提出了热流阻抗和串联及并联的热流线路的新概念,从而引出了一整套的统一而且实用的计算方法。根据这些新观点,钱钟韩分析和批评了苏联学术权威的有关计算方法和图表数据,并指出其中某些比较严重的错误和缺陷。以此为开端,钱钟韩还为热流线的分析法的进一步推广做了不懈的努力。将经典控制理论引入热工系统,并不是一种简单随意的套用,而是有内在根据,审慎严谨的移植。钱钟韩指出,在分析复杂对象的动态特性时,孤立地提出一些传递函数或频率特性,并不加判别地把它应用于未经研究的条件,往往会导致原则性的错误[1]

   在热工自动化领域,钱钟韩不仅提出了许多新概念和新方法,而且很善于为动力设备热工现象的动态变化建立简洁而合理的系统模型。钱钟韩对机电联合对象(既有动力学和热力学过程,又有电磁过程)的各个环节(汽轮机-发电机-电网-负载设备)的功频特性进行了比较全面的分析,并利用机电调节对象功频特性的综合电模型说明各个环节之间的相互作用,并求出联合系统的综合传递函数。这种电模型能够适用于较大的变动范围,既可以说明正常运行工况附近的小范围变动(增量),又可以用它对大幅度的变动(例如,启动、跳闸或严重的短路故障)作理论分析。根据各种电模型,可以建立机电系统在不同运行方式下的动态方程(传递函数),导出各项特征参数,如重要振荡成分的频率、阻尼系统和持续时间等。钱钟韩的这一成就,澄清了电力部门及科研机构同行间长期争论的核心问题,有效推动了中国大功率汽轮机发电机运行技术的发展。钱钟韩提出的用电模型分析复杂热工系统的思路,在直观性、实时性、整体性和形象性等方面,是一般数学模型和计算机仿真所难以企及的,同时也为对复杂非线性系统进行快速仿真计算奠定了必要的理论基础。

  钱钟韩的系统建模思想虽然主要强调具有动态性、直观性的电模型比其他模型有更多的优越性,但也不轻视其他物理模型和数学模型。尤其是计算技术的精度和速度水平提高的条件下,钱钟韩在热动态学的热工自动化领域也努力尝试建立简洁、方便、合适的数学模型。在用现代控制理论改造传统热工理论的过程中,钱钟韩突出的成就不仅表现为利用系统模型(电模型、数学模型)准确地表述物理科学和工程学里的许多思想,而且能够创造性地使用语言符号来表达个人的思路和特色,不止要求符合逻辑算法规则,而且强调能够更充分地反映客观对象的复杂性。20世纪70年代以后,钱钟韩将模型降阶的思想与方法应用于大型单元机组仿真工程,系统指导了华东电管局望亭发电厂计算机监控测试点、北京电管局军粮城电厂自动化和西北电管局秦岭发电厂30万千瓦单元机组的仿真工程等,获得巨大成功,使中国电厂热工自动化依靠自己的努力接近了世界先进水平。所有这一切,也奠定了钱钟韩作为中国电厂热工自动化的先驱地位。在大量工程实践验证的基础上,20世纪80年代以后,钱钟韩从理论上系统总结了热工系统模型降阶的机理与方法,紧扣住现实工程应用中的中、低频分段处理有限信息资源合理分配的原则,以阶次尽可能低的近似模型最大限度地逼近高阶原型的思路,导出了几种有国际先进水平的方法。这些方法都具有物理概念明确,计简便易行,使用灵活方便,以及能获得较高精度的突出优点,对于节省大型计算机资源的开销和迅速抓住复杂性问题的要害等方面都有十分积极的意义[2] 

由此可见,钱钟韩的科学素养不仅是他汲取国际先进科技成果和提炼国内工程实践经验的结晶,而且也顺应8090年代自动控制学科的世界性发展潮流。这是一种极富中国特色的在科学技术领域追赶世界先进水平的道路与方式。

 

参考文献:


[1]卢嘉锡.院士思维(卷2[C].合肥:安徽教育出版社,1998.595

[2]卢嘉锡.院士思维(卷2[C].合肥:安徽教育出版社,1998.597

 




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