作者簡介：馬騰飛，籍貫天津，畢業於中國科學院大學近代物理研究所控制工程專業。
行星發動機（圖片來自互聯網）
相信看過《流浪地球》的人，對電影中的一萬臺“行星發動機”推動地球搬家的構想一定印象深刻，這裡拋開天馬行空的想象力不談，談談我對行星發動機群的協同控制系統設計的看法。
若將電影中整個地球當成一個大的運載火箭來看，每一個行星發動機都可以看成一個子級發動機，根據電影中的設定，每一個單獨的行星發動機在工作時都會產生百億噸級推力，如此巨大的力量必然會對附近大氣產生明顯擾動，在蝴蝶效應的作用下，全球的大氣都會受到不同程度的擾動；根據設定，行星發動機在運行時由於“喘振”效應，會產生類似心跳的聲音，如此多的發動機同時運行會在地球上引起巨大的共振；另外從可靠性分析來看，“流浪地球”計劃是地球面臨危機時倉促上馬的項目，行星發動機使用的是新研發的燒石頭的重聚變技術，每一個行星發動機高達11km，甚至比“世界之巔”珠穆朗瑪峰還要高上兩千米！其主體直徑約30km，加上基座直徑大約50-60km。如此巨大且從未經驗證的項目，其運行可靠性可想而知，這也是為什麼要儲備大量“火石”以備不時之需的原因，更別說在電影中還有類似木星引力引發了地震造成行星發動機宕機的不可抗力因素的存在，在複雜的外部因素和內部因素共同影響下，如何控制一萬臺行星發動機協調運行將是一個複雜的技術難題。
在航天飛行器動力系統設計中，為了降低複雜耦合作用帶來的控制難度；提高控制系統的可靠性；增大運行效率，在技術和資源充足的情況下，單臺大功率發動機方案往往是最優選項，然而受成本與技術條件所限，火箭推進系統採用的大都是多子集發動機併發方案。歷史上，空間技術領先的蘇聯人在自己的載人登月計劃中一次使用了30臺發動機的子火箭——N1運載火箭，然而該計劃最終以慘烈的失敗告終。SpaceX公司著名的獵鷹-9火箭，使用了9臺老式發動機，大大降低了成本。而 “獵鷹重型”運載火箭一子級採用了驚人的27臺發動機併發方案，這當然是得益於先進的多變量反饋控制技術。
“獵鷹重型”運載火箭一子級採用了27臺發動機併發方案（圖片來自互聯網）
回到之前的話題，若要實現《流浪地球》中誇張的一萬臺行星發動機協同運行的目標，必然要使用先進的多變量反饋控制技術。為了實現這一方案，每一個行星發動機附近應配備一個監測站，監測站應具有檢測大氣狀況和地理狀況等外部環境的功能。這些信息經過領航者空間站的通信功能彙總到一個總控制站。總控站的超級計算機經過對這些數據的分析計算之後得到一個複雜的過程模型，然後通過這個模型計算得到一萬臺行星發動機的實時多變量控制器，將控制信號發送回每個行星發動機。在行星發動機執行完這些控制指令後，部署在外太空的檢測衛星應將控制結果反饋給總控制站，並實時更新模型來修正控制效果。
行星發動機多變量控制系統結構圖
假設電影中的故事發生在我們的平行世界，從時間線上來看，流浪地球計劃啟動時間距離我們現在很近，探測技術發展水平應與這個世界的人類發展水平相當，而人類現在還不能準確預報像地震這樣的快速地殼運動，同樣的，在流浪地球計劃啟動時人類的探測技術還不足以預測到快速地殼運動等未知因素造成對行星發動機造的的快擾動。同時，由於存在信號傳輸延時和模型測量計算誤差導致總控制器的控制信號不能滿足瞬時控制要求，在進行行星發動機的控制器設計時，每個行星發動機應在附近單獨配備一個子控制器，作為輔助控制器使被控對象——行星發動機滿足瞬時控制要求。
雖然，在電影中木星引力引發了地震造成行星發動機大規模宕機的極端情況下，只有“飽和式”救援這種“硬重啟”的解決方法，但是在少量發動機意外停機情況下，控制系統應具有使被控系統在整體穩定的基礎上性能與故障前差別不大（即魯棒穩定性）的功能。在如今的併發系統設計中，為了解決由於發動機意外宕機而引起的可靠性下降問題，往往給每個發動機留一定的功率冗餘量，並設計一個魯棒多變量控制器，在某一臺發動機意外宕機時，首先診斷故障系統並對其進行隔離，之後通過調配其他發動機提供更大的瞬時功率來彌補宕機發動機造成的總功率不足。我認為設計行星發動機的控制系統時，也應該採用了這種設計思路——即通過設計一個魯棒多變量控制器來實現能量的重新調配。總之，一個好的控制控制系統一定會設計必要的冗餘來提高系統的可靠性。
無論如何，若電影中那種使一萬臺行星發動機協同工作的控制系統真的被設計並製造出來，那一定是一個控制工程史上的傑作。
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