中国学科发展战略·控制科学

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内容简介: "中国学科发展战略"丛书以中国科学院学部开展的"中国科学院学部学科发展战略研究项目"的研究成果为基础,由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成,旨在系统分析有关学科的发展态势和规律,提炼关键学科理论和技术问题,提出学科创新发展的新思想和新方法,并为学科的均衡发展提供政策和措施建议。《中国学科发展战略·控制科学》系统梳理了学科的发展历程,总结了学科发展规律和内在逻辑,前瞻了学科中长期发展趋势,同时面向我国现代化建设的长远战略需求,提炼出学科前沿的重大科学问题和符合中国发展需求的新问题和重大战略方向。

目录: 总序i序言vii前言ix摘要xi第一篇控制科学发展战略总体报告第一章绪论3第二章控制科学的定位与学科分支8第一节控制与控制科学的定位8第二节控制科学的新特点和新方向10一、信息技术的进步深刻地带动控制科学的变化10二、普适性、多样性与高新科技的推动要求综合性的研究12三、向其他领域拓展14第一节控制科学的学科分支15第三章历史回顾与启示18第一节历史回顾18一、早期的控制思想19二、经典控制理论20三、现代控制理论22四、控制器的演变与计算机的作用23五、控制科学在中国26第二节启示29第四章现状分析与探讨34第一节基本的和共性的领域-控制理论34一、线性系统35二、非线性控制系统36三、分布参数系统控制38四、鲁棒控制40五、系统辨识、自适应控制与随机系统42六、智能控制45七、离散事件动态系统46八、对控制理论发展的看法49第二节应用领域之一——航空航天与运动体50第三节应用领域之二——过程控制53第四节网络与多智能(自主)体系统控制55一、复杂网络与控制55二、控制科学的作用57三、多智能(自主)体系统59第五节向其他学科渗透61一、脑控系统61二、生物系统62三、量子控制63四、经济控制论与金融控制工程64五、软件控制64六、其他交叉65七、软件实现65八、教育65九、几个新问题66第五章需求分析、思考与建议67第一节需求分析67一、人类认识自然和改造自然的需求67二、社会经济发展建设需求68三、国家安全需求69第二节学科发展的思考70一、信息丰富的时代特征70二、控制要求的实际性与基于数学的控制理论的结合73三、对控制已有做法的再认识76第三节未来发展的几个重大需求方向80一、感知、通信、计算、控制一体化80二、管理、决策、控制一体化80三、控制在认知科学、神经科学发展中的作用81四、空天一体化——飞行器控制81五、微观科学发展的需求82六、大数据时代的控制83七、网络安全83八、电网控制84第四节建议84一、切实做好控制理论中关键问题的研究85二、组织力量解决重大装备控制器设计问题85三、加强通用平台、验证平台建设与实验设备研制85四、加强控制算法与软件的研究86五、重视多学科交叉研究86六、抓住信息丰富的时代特征发展控制科学87七、控制科学与数学的结合88八、控制教育必须跟上时代的脚步89说明与致谢91参考文献93第二篇控制理沦第六章绪言97第一节控制理论诞生和发展的源泉97第二节推动控制理论发展的关键98第三节科学技术的进步对控制理论的发展有重大影响98第四节控制理论自身发展局限与时代发展需求并存99第七章线性系统控制理论:回顾与展望100第一节经典线性系统控制理论100一、理论形成标志:频率法的建立100二、频率方法在线性离散系统中的推广101三、频率方法对其他控制领域的影响101四、研究对象和方法102五、局限性103六、重要专著103第二节现代线性系统控制理论103一、理论形成标志:状态空间法的建立103二、20世纪60年代状态空间法的主要成果103三、20世纪60~70年代形成的新的研究体系与进展105四、线性系统控制理论的几个主要课题的研究进展110第三节展望117一、反馈能力极限118二、控制器降阶120三、控制教育问题120第八章非线性系统控制理论122第一节非线性控制理论的起源122第二节非线性控制的几个分支:同顾与展望124一、变结构控制121二、几何非线性控制127三、(微分)代数非线性控制128四、构造非线性控制128五、基于内模原理的谩计130六、其他研究分支132第三节现代非线性控制:机遇与挑战132第九章分布参数系统控制133第一节历史与现状134第二节可能的挑战138一、不稳定系统的镇定和鲁棒控制139二、有穷逼近问题141三、传感器和控制器最优分布问题142四、分布控制、分布量测问题143五、随机分布参数控制问题144六、非线性问题144七、应用问题的驱动145第十章离散事件动态系统146第一节历史与现状146第二节可能的挑战156一、逻辑和时序的性质的分析与综合156二、活性调度和控制157三、大规模复杂DEDS的优化控制158四、基于事件的优化与分布式控制策略的优化设计159五、DEDS的仿真优化160第十一章随机系统控制理论,161第一节受控马尔可夫模型161第二节随机微分博弈163第三节随机混合动力系统164第四节无穷区间的费用准则165第五节估计、滤波与控制165一、估计和随机逼近165二、滤波166三、控制167第六节基于倒向随机微分方程的随机系统168第七节网络环境下的随机控制理论169第八节随机自适应控制169第九节对未来的几点展望170第十二章鲁棒控制:回顾与展望172第一节H范数173第二节不确定系统描述173第三节鲁棒稳定性174第四节鲁棒性能178第五节H,x控制178第六节鲁棒控制设计181第七节H。控制与鲁棒控制的时域方法182第八节其他扩展182第九节面临的挑战与机遇183第十三章系统辨识:新的模式、挑战及机遇186第一节背景及现状186第二节包容更广泛的不确定性189一、系统结构的非随机不确定性189二、缺乏数据和信息而产生的不确定性190三、缺乏计算能力导致的不确定性190四、结构切换导致的不确定性190第i节基于网络和通信的辨识191一、局部信息191二、通信限制192三、通信不确定性192四、网络拓扑变化下系统辨识的可靠性192五、网络结构的辨识192第四节随机及非线性系统的辨识193第五节大数据时代的系统辨识194第六节考虑资源的有效利用,突出复杂性的研究195一、近似理论196二、统计196二、信息理论196四、计算复杂性197第七节以目标驱动的、综合化的系统辨识197第八节客户服务:友好且高效的工具198第九节结论与建议198第十四章自适应控制:过去、现在与未来200第一节基本概念与组成200第二节发展回顾与案例分析202一、发展回顾202二、案例分析205三、自校正调节器208第三节发展现状与生长点211一、总体现状211二、生长点213第四节问题与展望213一、应用问题214二、若干未完全解决的理论问题215三、关键科学问题217四、与其他学科交叉218第十五章新兴领域对控制理论的需求和挑战221说明与致谢226参考文献229第三篇航空航天与运动体控制第十六章地面武器装备的控制科学与技术,281第一节地面武器装备控制技术的发展历程与我国研究成果281一、机动目标的识别、建模与跟踪282二、地面武器平台的伺服控制284三、地面武器平台的火力控制284四、地面武器平台的指挥控制285第二节地面武器装备控制技术发展的趋势与关键科学问题287一、机动目标的识别、建模与跟踪287二、地面武器平台的伺服控制287二、地面武器平台的火力控制288四、地面武器平台的指挥控制289第三节地面武器装备控制技术发展的优先领域与重点方向291一、机动目标的识别、建模与跟踪291二、地面武器平台的伺服控制291三、地面武器平台的火力控制292四、多平台的协同控制与优化问题293五、基于复杂性研究的陆战平台火力指挥与控制系统综合优化设计问题294第十七章汽车的控制科学与技术295第一节汽车控制技术的发展历程与我国研究成果295第二节汽车控制技术发展趋势与关键科学问题297一、动力总成控制系统297二、车辆主动安全控制系统301三、新能源汽车控制304四、工程/特种车辆控制306第三节汽车控制发展的优先领域和重点方向308第十八章机器人的控制科学与技术311第一节国内外先进机器人控制技术发展历程与我国研究成果311一、工业机器人312二、地面移动机器人313三、医疗与康复助力机器人317四、水下机器人319五、生物启发的机器人系统——仿生机器人321六、微纳操作机器人322第二节机器人先进控制技术的发展趋势与关键科学问题323第三节机器人先进控制发展的优先领域和重点方问324第十九章航空飞行器的控制科学与技术326第一节航空飞行器控制技术发展历程与我国研究成果326一、航空飞行器控制技术发展历程326二、航空飞行器控制技术的创新能力和实力地位327第二节航空飞行器控制的发展趋势与关键科学问题327一、航空飞行器控制发展的规律327二、航空飞行器控制发展的趋势328三、航空飞行器控制发展的关键科学问题328第三节航空飞行器控制发展的优先领域和重点方向335第二十章空间飞行器的控制科学与技术,337第一节空间飞行器控制技术的发展历程与我国研究成果338一、空间飞行器控制技术发展历程338二、空间飞行器控制技术发展现状342第二节空间飞行器控制技术的发展趋势与关键科学问题349一、空间飞行器的跨尺度鲁棒轨道控制349二、带有活动部件的多体航天器姿态控制350三、充液航天器姿态控制351四、空间飞行器交会过程的姿轨联合控制352五、空间非合作目标捕获的路径规划及控制352六、空间飞行器编队飞行分布式协同控制353第三节空间飞行器控制技术发展的优先领域和重点方向353一、高精度姿态定向控制353二、高可靠性的姿态控制353三、高性能的推进技术354四、空间在轨服务354五、深空探测航天器编队飞行控制354六、以深空探测空间轨道交会为背景的卫星轨道控制354第二十~章舰船和水下运动体的控制科学与技术355第一节舰船和水下运动体控制发展历程与我国研究成果355一、舰船和水下运动体控制的发展历程355二、舰船和水下运动体控制技术发展现状358三、舰船和水下运动体控制带来的控制科学新特点、新问题360第二节舰船和水下运动体控制的发展趋势与关键科学问题361一、内部各分支的互动发展规律361二、进一步研究的关键性问题与瓶颈问题361三、中长期发展趋势及学科前沿的重大科学问题362第j节舰船和水下运动体控制发展的优先领域和重点方向362第二十二章空天飞行器的控制科学与技术,364第一节空天飞行器控制技术的发展历程与我国研究成果364第二节空天飞行器控制技术的发展趋势与关键科学问题366一、可靠进入空间的控制前沿问题与挑战366二、空天飞行器的控制前沿问题与挑战367三、空天飞行器在控制方面的关键技术368第三节空天飞行器控制技术发展的优先领域和重点方向370一、上升段制导370二、升力式再入制导371三、跳跃式再入制导371四、气动控制372五、复合控制373六、对我国航天飞行控制技术发展趋势的思考374第二十三章航空航天和运动体控制中的共性科学问题376第一节多项功能、多元信息一体化376一、网络化环境下的控制、计算与通信一体化376二、面向不确定性的控制、决策与管理一体化377三、导航、制导与控制一体化377四、事件驱动与时间驱动的混合动态系统377第二节面向控制任务的建模378一、高速运动体控制的建模问题378二、菲线性随动系统的建模问题379第三节运动体的自主控制379一、运动体的环境与态势感知379二、运动体的目标识别380三、运动体的任务规划与智能决策380第四节运动体高可靠、可重构与容错性381一、余度容错结构381二、故障检测与诊断方法381三、控制重构382四、可靠性建模与分析方法382五、软件可靠性383第五节多运动体的协同优化383一、异构无人平台的动态分组理论及其体系结构设计与优化384二、拓扑连通性保持条件下的异构无人平台协同与一致性控制384三、异构多无人平


书摘:

  第一章绪论
  当今世界,发达国家生产力水平的先进性主要体现之一是其自动化程度,这是因为自动化可以显著提高生产设备的工作精度和速度,使设备在人不宜直接参与的环境中工作;弥补人类自身在感知、决策与操作诸方面的准确、快速和能力上的不足等。而自动化技术的基础是控制科学,自动控制作为解放人类生产力的至关重要的手段,从工农业生产、交通运输、电力、能源与资源的科学合理利用、计算机和通信网络、机器人、航空航天、武器装备乃至人类经济活动、社会管理等方面,已经渗透到人类社会的各个领域。因此,作为自动化技术的基础的控制科学,是当今社会科学技术进步的最主要的动力之一。
  本报告中所论及的控制科学只是自动化科学的一部分,而且是实现自动化的核心。控制科学的定位是:在信息科学的意义下,研究与控制器(或控制平台)设计与实现有关的科学问题。控制器是针对给定系统与对系统的性能要求,使其接入后系统能自动满足性能要求的装置。这种装置的核心在信息丰富时代应为执行一些算法的计算装置。
  控制科学起源于人类认识与改造世界的实践活动,控制科学跟一般的自然科学在目的性上有一个明显的区别,它更侧重于在认识世界的基础上改造世界。因此控制科学更多地具有“使能科学”的特征,它所研究的问题常可归结为能否做和怎样做两类,具有明显的技术科学特征。很多学科对控制科学的形成与发展做出过贡献,包括力学、理论和应用数学、计算机科学、航空与航天、机械与电气工程、运筹学和经济学,以及化学、物理学和生物科学等。控制科学的每一次重要的突破都是来自解决实际问题的技术需求和总结实际问题的理论需求。瓦特(Watt)关于蒸汽机的离心调速器的发明和麦克斯韦(Maxwell)的论文《论调节器》标志着现代意义上控制器的出现和最早分析有控制器参与其中的科学论文的发表。布莱克(Black)负反馈放大器的发明、奈奎斯特(Nyquist)频域稳定性分析方法和Bode的对数特性的广泛有效的应用与根分布法一起构成了以比例积分微分(PID)控制方法为核心的经典控制理论;这些理论与方法是建立在对系统描述采用传递函数与频率特性之上的,拉普拉斯(Laplace)变换和傅里叶(Fourier)变换为这类方法提供了理论支持,同时这类方法具有明显的物理与工程应用的特征,并已成功地在飞机和导弹自动驾驶仪、火炮跟踪系统和过程控制等中得到应用。反映系统动态特性的微分方程是另一类对控制系统进行描述的方法,它出现在20世纪40年代,60年代卡尔曼(Kalman)针对系统多变量控制的要求,对线性时不变系统提出了状态空间理论,为控制科学的理论研究提供了很好的理论框架。雷达、火炮和导航技术的需求导致了维纳滤波和预卜理论的出现,卡尔曼滤波的理论与方法使滤波这类问题的解决建立在可计算与设计之上,从而有效地推动了工程应用,如阿波罗登月;在实际工程中控制常受到各种限制,如幅值、功率、总能量等方面的限制,这类限制常表现为控制函数只能在有界闭集中选取,经典的变分法求最优函数所导出的Euler方程是建立在可取函数必须在开集上进行变分这一基础之上的。为了解决具闭集约束条件下的最优函数的求取,苏联学者庞特里亚金(L.S.Pontryagin)等创立了极大值原理,作为存在闭集约束条件下最优控制应满足的必要条件;美国学者R.Bellman基于资源规划创立了解决约束条件下最优控制问题的动态规划方法,提出了最优性原理,他们共同建立了最优控制理论,这些都为现代控制理论奠定了基础。在解决飞机在参数大范围变化中稳定性问题时,最初由麻省理工学院(MIT)学者提出了自适应控制的MIT方法,经由Astrom和Landau从两个不同角度发展形成的自适应控制,已成功地在工业部门得到广泛的应用;为了解决实际工程中系统建模的不确定性问题,Zames、Doyle、Kharitonov等人以不同的数学方法发展和完善了鲁棒控制理论,目前这些已经成为解决工程控制问题的主流控制方法。
  通过梳理控制科学的发展历程,不难看出,控制科学发展的动力主要来自实际需求,实际需求促使我们建立新的理论与方法,学科本身的逻辑发展促使理论与方法得到深化和完善并向其他领域延拓。这启发我们应该从战略发展的角度出发根据当今时代信息丰富的特征,归纳总结重大需求和学科的逻辑发展带来的关键科学问题,分析控制科学新的重大需求、新的科技进展对控制科学发展提供的机遇和条件、控制学科发展的瓶颈和新的可能的学科生长点等。
  计算机、数据处理、通信和传感技术迅速发展是信息丰富时代的主要特征,这为扩展控制对经济及国防需要的贡献提供了空前的机遇。控制科学要充分利用这一机遇,迎接新的挑战,推进学科发展,扩展应用领域,以适应这种时代特征。广泛的分布式计算、覆盖全球的通信网络、日益精确的种类繁多的传感系统的出现,为我们提供了海量的可供利用的数据和信息。有效地利用这些新的条件能极大地提高我们处理问题的能力,以及处理问题的速度、广度和深度,这使得我们有能力用以前不敢想象的方法去解决更为困难和复杂的问题,这将对控制科学从理论到应用的发展产生意义深远的影响。
  当今控制科学面临的挑战来自三个方面。
  (1)人类对控制系统提出日益严格的要求,这表现为:极端的工作环境,高精度与高质量,工作高复杂性(非线性、不确定性、时变性、多耦合与高动态等)。
  (2)宏观尺度下遵循经典物理规律的控制科学向其他领域的扩展,如量子控制、基因调控、认知科学等。
  (3)信息丰富时代为控制科学带来了新的特征,这体现在四个方面。①控制有时不再是针对单个对象或系统,而是面对一个相互有信息联系的系统集合或系统群,如网络,也可以是面对一个具有不同时间尺度分层递阶结构的系统集合。②控制科学的理论不只是表现为一种单纯的数学方法和理论,更体现为一种以数学、工程学和信息科学为基础的计算机算法相结合的方式。计算机不再仅仅是仿真和计算手段,而成为控制本身的一个关键组成。③软件系统开始与物理系统以日益一体化的方式相结合。一体化的控制将成为未来控制系统设计的一种重要方式。④控制系统的日益复杂使得控制的可靠性成为必须高度重视的问题。系统可靠水平要求远超过单个部件能达到的可靠性,需要我们利用不可靠的部件建造非常可靠的系统。即使个别的部件失效的时候,大多数工程系统必须继续工作。这正促使我们改变传统控制科学各种观点和理论,努力去适应这一变化,也激励我们尝试用全新的思路和方法去迎接这种挑战。
  在近30年里,国内外对控制科学如何发展这一问题一直给予了极大的关注,过去对中国控制界产生重要影响的国际报告主要有三个。
  第一个报告是1986年由52位世界知名控制教授开会后起草的Challenge to Control —— A Collective View(发表在IEEE Trans.Automatic Control,第2卷第32期,1987年,第271~第285页)。这一报告发表正值里根提出“主动防御”计划(即“星球大战计划”)之时,在美国控制正被十分看好,而这些教授明确地提出控制正面临挑战的论断是有深远意义的。
  第二个报告是1988年年底由美国工业与应用数学学会(SIAM)、美国科学基金会和三军研究部门共同组织的一个研讨会(该研讨会准备了两年)(Report of the Panel on Future Direction in Control Theory,1988),会后提出了“Report of the Panel on Future Direction in Control Theory:A Mathematic Perspective,SIAM Reports on Issue in the Mathematic Sciences,1988”。这是一个针对将控制理论视为数学的一个分支的研究报告,报告中指出控制理论是一门数学、工程学与计算机结合的科学。报告在分析大量事实以后指出:①控制理论的任何重大突破都是由重要的应用课题推动的;②计算机在控制中起着十分重要的作用,应将控制规律转化成计算机算法与软件;③数学不仅体现在控制系统的核心控制律和系统的有效分析上,而且是控制方法和对应算法软件的基础。
  第三个报告是2002年由几位国际控制界知名教授撰写的(Murray,et al.2003),Control in an Information Rich World: Report of the Panel on Future Directions in Control,Dynamics and Systems。这一报告同样经历了两年的讨论才得以完成。从报告的题目就可以看出当今控制科学发展的时代特征是信息丰富。同时,报告也明确指出当今控制器的设计在本质上就是关于计算机算法的设计,这样的结论正是分析了信息丰富的时代特点、各种领域中控制科学应用与发展的状况而得到的。
  在国内外还有很多学者撰写过一些有关控制科学或其一些学科分支的综述报告(Guo et al.,1999;郭雷,2011;2012;黄琳等,2011;Vinvent et al.,1995;European Commission,2000)。此外,中国自动化学会在中国科学技术协会组织下于2007年和2010年分别组织撰写出版了两本《控制科学与工程学科发展报告》(中国科学技术协会等,2008;中国科学技术协会和中国自动化学会,2011),控制理论专业委员会从2009年开始组织了五次“控制科学与工程的前沿论坛”。为了做好“控制科学”发展战略的研究工作,我们先后举办了两次研讨会,分别于2011 年9 月24~25 日在北京大学和2012 年4 月7~8 日在中南大学举行,同时我们又主持了2012年9月5~6日在东北大学举办的“控制科学的前沿与挑战”技术科学论坛。国内外学者和专家在这三次会议上共做了45个综述报告,会议从控制理论、过程控制、航空航天与运动体、网络、交叉学科及其他、特邀报告六个方面在控制科学所涉及的研究领域进行了深入交流与讨论。项目研讨期间,不少学者在《自动化学报》上发表了系列综述论文(包为民,2013;柴天佑等,2013;陈关荣,2013;陈虹等,2013;陈杰等,2013;陈宗基等,2013;桂卫华等,2013;黄琳,2013;姜钟平和黄捷,2013;吕灵灵等,2013;梅生伟和朱建全,2013;谭民和王硕,2013;王飞跃,2013;王乐一和赵文虓,2013;王沛和吕金虎,2013;王巍,2013;王行愚等,2013;席裕庚等,2013;游科友和谢立华,2013;张化光等,2013;周东华等,2013),与此同时,五个分组又分别用举办会议、邮件通信等方式讨论形成了分组报告,本报告就是在这些准备工作的基础上形成的。
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