控制科学与工程学科发展现状及趋势

一、国内外现状概述：

经典控制理论的研究对象一般为单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统的数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频域方法。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时域和频域中系统的运动特性、控制系统的设计原理和校正方法。其局限性主要表现在一般仅适用于单变量和定常系统。

现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和揭示了系统内部状态和性能。较之经典控制理论，现代控制理论的研究对象要广泛得多，原则上将，它既可以是单变量、线性、定常、连续的，也可以是多变量、非线性、时变、离散的。

智能控制可以概括为自动控制和运筹学、计算智能、人工智能等学科的结合，其结构是：识别、推理、决策、执行。在低层次的控制中用常规控制器，而在高层次的控制中则应用具有在线学习、修正、组织、决策和规划能力的控制器，模拟人的某些智能和经验来引导求解过程。智能控制理论是以专家系统、模糊控制、神经网络等智能计算方法为基础的智能控制。智能控制的发展还不完善，甚至可以说才刚刚开始，但是可以预见智能控制的发展与完善将引起控制科学与工程学科的全面革命。

集散控制系统（DCS）就是在生产过程自动化的巨大需求的背景下发展起来的一种自动化技术。它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限，又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险。当前DCS发展的一个新趋势是基于无线工业网络的集散控制系统，采用DCS不是简单地取代传统的控制设备，而是一种高新技术的发展。

进入21世纪后，由于新学科和交叉学科的发展，新时期的控制理论与工程应用面临新的机遇与问题，一下所列几个问题可以帮助我们理解面临的挑战：

（1）具有符号和连续动力学系统的控制。下一代的系统将把逻辑运算（如何符号推理和决策）和连续量（如电压、位置和浓度）结合起来。目前的理论不能有效地处理这样的系统，特别是描述大系统的时候。

（2）分布、异步和网络环境中的控制。为了保证系统的稳定性、性能和鲁棒性，分布在多个通过数据包通信而相互连接的计算单元之中的控制必须采用新的形式。对于那些控制时无法忽略计算与通信上的约束的应用威严，这一点尤为突出。

（3）高层次的协调与自主。反馈越来越多地应用于企业的决策系统中，包括供应链的管理和物流、空间管理和空中交通控制以及C4ISR系统。为了使系统在实际环境中能可靠地运行，需要将近二三十年鲁棒控制系统在分析和设计方面所取得的成就扩展到这些更高层次的决策系统里。

（4）控制算法的自动综合，且具有集成的验证和确认。未来的工程系统需要能够快速进行设计、再设计和实现控制的软件。研究人员需要开发功能更强大的设计工具，使得从建模到环路中含有硬件的仿真（hardware-in-the-loop simulation）的整个控制系统设计过程能自动完成，这包括系统级软件验证和确认。

（5）利用不可靠的部件建立可靠的系统。对于大部分的大工程系统，即使个别元件不

能工作时，整个系统必须能够连续运行。进一步地，这要求系统的设计允许系统可以自动重构，以便它的功能逐渐下降而不是突然地停止。

至今，以上所列五个问题仍事当今自动化研究与发展所面临的最主要问题和研究热点。 目前，复杂系统的分析与控制仍然是国际主流的研究方向，尤其是网络化控制系统为代表体现了复杂系统研究的热潮。与之相关，对各类智能合作控制策略与技术的研究，从群体智能（Swarm Intelligence）到基于代理的智能控制方法，也已成为受到广泛关注的热点课题。

机器人与智能机器是最典型的自动化应用；智能交通技术与交通堵塞、能源短缺和环境污染紧密相关，在欧洲、美国和日本有较严格的汽车尾气排放标准；自动化在航空航天领域有重要的应用，航空航天技术是一个国家自动化水平的综合体现；传感网络已成为国内外近期的主要研发热点，尽管由于技术等方面的制约，无线传感器网络的大规模商业应用还有待时日，但其发展远景广阔。目前，无线传感器网络的应用主要集中在环境的监测的保护、医疗护理、军事领域以及其他探测用途。与之相关，智能空间技术也是未来自动化领域研究的主要方向之一。智能空间技术把控制、传感、通信、计算融为一体，其关键技术包括传感器网络、机器人技术等。

二、国内主要进展和成果：

（一）自动化领域：

柴天佑：复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法。

王飞跃：智能控制理论与方法的研究。

（二）控制理论与工程

（三）模式识别与智能系统

（四）系统工程

（五）检测技术与自动化装置

（六）导航、制导与控制

（七）新兴领域和方向：生物信息学，智能交通系统，智能空间系统，复杂系统的平行控制和管理。

控制理论

一、研究现状与主要成果

（一）系统的复杂性与复杂系统控制

（1）控制系统复杂性研究

（2）混杂与切换系统

（3）多自主体得涌现

（4）量子控制

（5）混沌及其控制

（二）智能控制及其应用

（1）人工神经元网络方法

（2）模糊逻辑与模糊控制

（3）学习控制

（三）高技术导向的新控制理论与新方法

（1）空天飞行器制导控制

（2）电力系统控制

（3）通信与网络控制

（4）机器人控制

（5）预测控制

（6）自抗扰控制

（7）鲁棒控制

（四）控制理论中带有根本性的关键问题

（1）系统辨识

（2）分布参数系统的能控能观性

（3）非线性系统控制

21世纪控制论在以下几个应用领域面临挑战：

（1）航空航天与交通

（2）信息与网络

（3）机器人与智能及其

（4）生物与医学

（5）材料与过程控制

整理自：

中国科学技术协会.控制科学与工程学科发展报告2007-2008.北京：中国科学技术出版社，2008.

钱学森的《工程控制论》

刘豹的《自动控制原理》、《自动调节理论基础》

第二篇：20xx年控制科学与工程学科发展研究项目正式开启