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反馈的力量:"刻舟”问题本是控制问题

已有 2839 次阅读 2017-1-4 12:33 |个人分类:唯恐天下不乱|系统分类:观点评述| 都是瞎搞

物理学家或者是力学家,争来争去,暴露了这个"刻舟”问题原本就是控制问题,是系统的动力学问题,也正如马老师给出的那篇60年代美国物理期刊的文章"Dynamical Paradox",是动态的“悖论”!

至于那篇文章的推导,关于那个二次极限是否可以交换顺序,[lim_{ttoinfty}lim_{kto 0}x_k(t)neq lim_{kto 0}lim_{ttoinfty}x_k(t)] 它是个问题,到底对不对,需要仔细检查,这里 $x_k$ 是船的位置,$k$是水的阻尼系数。

从来自自控的直觉来看,如果俺有,这个由动量定理得出的结论太奇怪。对于平衡点问题,像俺这样被“照本宣科”教育出来的非主流教授,首先要寻找描述系统 dynamics 的微分那个方程

\[\dot{x}(t)=f(x,t), \quad f(x_e,t)=0\]  然后找到那些 $x_e$ 平衡点。目前这个“姿势”,对于俺这个“三流”教授,有了速度和位置方程后\[(m_{boat}+M_{boy})\dot{v}=-kv, \quad \dot{x}=v, \quad k>0\] 平衡点无数 $(v_e,x_e)=(0,x_e),\forall x_e\in (-\infty,\infty)$。给定初始条件$(v_0,x_0)$,其解为\[v(t)=v_0\exp(-ct), \quad x(t)=x_0+v_0(1-\exp(-ct))/c, \quad c=k/(m_{boat}+M_{boy})\] 系统临界稳定,有一个负的和零的特征根$(0, -c)$。受到扰动后,如果初始速度不为零,船似乎是不能从哪里来回到哪里去的 \[x(\infty)=x_0+v_0/c, \quad v(\infty)=0\]

这课看来是无法再乱搞下去!一般来说,船的最终位置不是初始位置。如果$k\to 0$,系统由临界稳定到不稳定(发散)。当$k=0$, 水的阻力为零,由任意非零初始速度出发,$x=x_0+v_0t\to \infty$ 如果$v_0>0$。

问题出在了哪里?一定是组合系统(船+人)的质心速度和水阻力需要的速度搞混,后者是船的速度,所以结论与物理学的结论不符?

然而从控制理论出发的 Dynamics 并不和物理学的结论矛盾。上面的微分方程只描述了,人停下来以后的那一段人和船组合系统的动力学特征。当人停下来之后,用动量定理 $v_0, x_0$满足如下关系\[(m_{boat}+M_{boy})v_0=-kx_0\]

这就是Tilley的"Dynamical Paradox"的公式(3),$x_0,v_0$ 就是那里的 $A_k, V_1$,注意初始速度和位置符号相反。因此\[x(\infty)=x_0+v_0/c=0\]

船还是要回到出发点。

看来物理是搞上半身的,控制负责下半身,中间是政府负责。物理或者力学和控制dynamics 联系不上,前者只关心是否脱了裤子,有没有速度,后者在意脱了裤子,有了速度会怎样,中间那一块考虑到雾霾问题,死活不让你脱了裤子放屁!

水对船的阻力被MIT的French教授定义为$-kv$,这实际上就是反馈,连续、闭环、状态、线性负反馈,是控制信号,“反馈的力量”搞得物理学家或者作为控制理论老祖宗的力学家的传人们手足无措!French教授的那本书《牛顿力学》,1980年有中译。想想,30几年前,一个湖南小伙子,顶着一把破伞,在老家一个阁楼里找到这本改变中国,不,是改变科学网,盗版的“马列”著作,是多么大地传说呀,感人呀,学习改变命运,哈哈。

物理学家几十年前的“乱搞”,震惊了中国的政治家,确切地说是高层,这让他们见到了“反馈”的力量,无论孙猴子怎样闹,内部的纷乱都是浮云、雾霾,只要有一点点反馈,舀点海水,来点毛毛雨,俺们这政权稳定一万年直到永世,于是政府决定“资助”这门“科学”,新的学科诞生,创新引领世界!

说点正事,前数学与系统科学院长郭雷,嗯,是他,就是曾去调研韩春雨的无党派人士(说这俺自己都觉得缺德,是会报应的,嘿嘿),与他的学生谢亮亮早在十几年前就“发现并证明了关于反馈机制最大能力与局限的一系列基本定理和‘临界’常数”,所以物理学家的这个回到原来位置,一定是临界稳定,因为反馈的最大能力有局限,如果有外力,只有速度负反馈的船还是会到新的平衡点,嗯,很有可能飘到美国。

由此,对付“外在力量”是中国政府最大的主题呀。哦,这怎么就不符合高博主的直觉呢,于是新的一轮讨伐“伪科学”的攻势,又在科学网开始了。

时候不到,时候到了,无论是MIT的船,还是泰坦尼亚号,迟早都会沉掉,这个俺信,时间久了,它们至少都会自己烂掉先。



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4 李楠 徐晓 icgwang xqhuang

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