更加高大上的例子是航天飞机返回。航天飞机好比装上翅膀的火箭,所以有在大气层中滑翔着陆的能力,可以不像弹道式再入的宇宙飞船那样像石头一样向地球硬生生地砸来、纯粹靠降落伞减速着陆。问题是,航天飞机在再入过程中,还是有与大气层摩擦生热的问题:下降速度越快,摩擦生热越大;滑翔时间越长,累计生热也越大。所以航天飞机返回地球需要在下沉率和滑翔时间之间巧妙平衡,这样才能既避免下降过快而急剧升温,又避免因滑翔时间过长而造成过大的累计升温。航天飞机再入时的速度高达25马赫(1马赫即为1倍高速),从夏威夷到新奥尔良只有20min的时间。要从这样的速度降低到着陆滑跑速度,下沉不能太快,又不能滑翔时间太长,这事情不好办。
解决办法:航天飞机再入后,马上半侧着身子,这样机翼一边高一边低,大大降低升力的产生,实际上增加了下沉率。问题是,这样机翼半侧着,机翼产生侧向的“升力”,要不了多久,航向就跑偏到不知道哪里去了。因此,航天飞机过一段时间就要向另一个方向侧过去,继续保持合适的下沉率,同时向另一侧持续转弯。航天飞机就是这样,像跳舞一样,左三步,右三步,摇过来,晃过去,在高空走S形。这个S形具有稳定的频率和幅度,具有一定的模式(极限环),但不是一直线(单一的稳定态)。
更简单的极限环可以用汽车油门作例子。如果油门很涩的话,脚下虽然平稳地踩下去了,但油门并不是平稳地增加,而是脚下踩到一定程度的时候,油门才突然“醒过来”,猛然动作起来,然后再平稳增加。脚下平稳抬起的时候反过来,要到一定程度时,才突然“醒过来”,也有一个猛然动作后再平稳减小的过程。如果速度正好稳定在油门“发涩”区间,速度低了一点,加油门要超过一定位置才有反应,而且一旦反应就过度,于是速度过高了;然后减油门,但依然要过一定位置才反应,同样一旦反应就过度,于是速度又低了。如果画成曲线的话,脚下踩油门的动作好比是三角波,速度就好比是方波了。汽车油门“发涩”问题一般不严重,驾车人对车速保持的要求也没有那么高。但同样的问题在工业过程控制上有时就不好办:控制阀的阀杆要保持密封,容易因为密封件过紧而“发涩”,高压过程的问题尤其突出。于是工艺参数的记录曲线就像长城的城墙垛一样了,不再是平顺的几乎直线了。不严重的话可以装作没看见,严重的话就必须解决,否则可能要限产、出次品,损失就大了。
对于非线性系统来说,渐进稳定性有时是可遇而不可求的,只能退而求其次,要求极限环。但极限环足够小的话,也就差不多成为一个点了,和渐进稳定性也就差不多了。虽然现实世界的问题基本上都或多或少是非线性的,工程上还是尽量作为线性问题处理,有时甚至不顾理论上的漏洞,用线性方法硬套非线性问题。这一方面有现有工程工具基本上是线性的原因,另外也是由于工程上的KISS(Keep It Simple Stupid)原则,也就是说,不要聪明反被聪明误,能简单的绝不弄复杂了。这是很重要的原则。前面说到,工程科学是建立在对现实问题简化、分解的基础上的,抓住主要矛盾,用最直接、最简洁的办法解决,才能不被枝节问题弄花了眼,弄乱了心思,舍本逐末。所以自控的理论和方法大多是线性的。