吉林大学：《信息爆炸时代的控制》讲义

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 陈虹马彦翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号,长春130025,中国 email:chenh@jlu.edu.cn

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 陈虹 马彦 翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号, 长春130025, 中国 email: chenh@jlu.edu.cn

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 2002年6月30日 陈虹马彦翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号,长春130025,中国. Email: chen@ jlu. edu.cr 摘要 控制领域提供了设计物理系统和信息系统的原理和方法,使这些系统可 以自动地适应环境的变化以保持期望的性能。在过去的40年里,随着相关理 论和数学方面取得的突破性进展,以及传感技术和计算技术的改善,控制领 域已经取得了巨大进展。如今,控制系统在许多领域起着重要的作用,如制 造业、电子、通讯、运输、计算机和网络,以及许多军事系统等。 进入21世纪,控制原理和方法的应用机遇快速增长。计算、通信和传感 器等价格日渐低廉并且无所不在,拥有嵌入式处理器、传感器和网络硬件的 设备越来越多。这使开发具有一定智能和高性能的机器成为可能,将大大影 响我们生活的每一方面,不但包括各种生活必需品,而且包括我们生存的环 境 在信息日益丰富的今天,新的发展将要求控制学科有重大的扩充。例如, 涉及因特网操作、半自主的指挥与控制系统、企业级供给链管理等控制系统 的复杂性已经达到了现有方法的处理能力极限。未来控制在航空航天和运 输、信息和网络、机器人和智能机器、生物和制药、材料和加工等领域的应 用将产生复杂性远远超出当前水平的系统,在这些领域取得进展需要新的研 究 这篇报告主要阐述了控制领域当前和未来技术发展环境的一些概观,描述 了未来十年中控制在军事、商业和科学应用中的地位,也为由于控制应用而 带来的工程和技术的新突破提供了建议

iii 信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 2002年6月30日 陈虹 马彦 翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号, 长春130025, 中国. Email: chenh@jlu.edu.cn 摘要 控制领域提供了设计物理系统和信息系统的原理和方法，使这些系统可 以自动地适应环境的变化以保持期望的性能。在过去的40 年里，随着相关理 论和数学方面取得的突破性进展，以及传感技术和计算技术的改善，控制领 域已经取得了巨大进展。如今，控制系统在许多领域起着重要的作用，如制 造业、电子、通讯、运输、计算机和网络，以及许多军事系统等。 进入21 世纪，控制原理和方法的应用机遇快速增长。计算、通信和传感 器等价格日渐低廉并且无所不在，拥有嵌入式处理器、传感器和网络硬件的 设备越来越多。这使开发具有一定智能和高性能的机器成为可能，将大大影 响我们生活的每一方面，不但包括各种生活必需品，而且包括我们生存的环 境。 在信息日益丰富的今天，新的发展将要求控制学科有重大的扩充。例如， 涉及因特网操作、半自主的指挥与控制系统、企业级供给链管理等控制系统 的复杂性已经达到了现有方法的处理能力极限。未来控制在航空航天和运 输、信息和网络、机器人和智能机器、生物和制药、材料和加工等领域的应 用将产生复杂性远远超出当前水平的系统，在这些领域取得进展需要新的研 究。 这篇报告主要阐述了控制领域当前和未来技术发展环境的一些概观，描述 了未来十年中控制在军事、商业和科学应用中的地位，也为由于控制应用而 带来的工程和技术的新突破提供了建议

小组成员名单 Richard 1. Murray(主席) Calefornia Institute of Technology Karl Astrom Pramod p Khargonekar Lund Institute of Technology University of Florida Stephen P. Boyd P. R. Kumar Stanford University University of linois Siva s. banda P.S. Krishnaprasad Air Force Research Laborat ory University of Maryland Roger W Log Harvard University Massachusetts Institute of Technology Jerrold E. Marsden Virginia tech California Institute of Technology Munzer a. dahleh George Meyer Massachusetts Institute of Technology NASA Ames Research Center California Institute of Technology Ford Mot or Company John Guckenheimer Gunter Stein Cornell University Honeywell International Charles j. holland Pravin varaiya Department of Defense University of California, Berkeley 其它成员 Richard Albaness, Jim Battersssson, Richard Braatz, Dennis Bernst ein, Joel Bur dick, Raffaello D'Andrea, Michael Dickinson, Frank Doyle, Martha Gallivan, Jonathan How. Marc jacobs. Jared Leadbetter. esse Leitner. Steven Low. Hideo Mabuchi. D anne Newm an, Shankar Sastry, John Seinfeld, Eduardo Sontag, Anna Stefanop oulou len Tannenvaum, Claire Tomlin, Kevin Wise

iv 小组成员名单 Richard M. Murray (主席) Calefornia Institute of Technology Karl J. Åström Pramod P. Khargonekar Lund Institute of Technology University of Florida Stephen P. Boyd P.R. Kumar Stanford University University of Illinois Siva S. Banda P.S. Krishnaprasad Air Force Research Laboratory University of Maryland Roger W. Brockett Greg J. McRae Harvard University Massachusetts Institute of Technology John A. Burns Jerrold E. Marsden Virginia Tech California Institute of Technology Munzer A. Dahleh George Meyer Massachusetts Institute of Technology NASA Ames Research Center John C. Doyle William F. Powers California Institute of Technology Ford Motor Company John Guckenheimer Gunter Stein Cornell University Honeywell International Charles J. Holland Pravin Varaiya Department of Defense University of California, Berkeley 其它成员 Richard Albaness, Jim Battersssson, Richard Braatz, Dennis Bernstein, Joel Bur￾dick, Raaello D'Andrea, Michael Dickinson, Frank Doyle, Martha Gallivan, Jonathan How, Marc Jacobs,Jared Leadbetter, Jesse Leitner, Steven Low, Hideo Mabuchi, Di￾anne Newman, Shankar Sastry, John Seinfeld, Eduardo Sontag, Anna Stefanopoulou, Allen Tannenvaum, Claire Tomlin, Kevin Wise

目录 序言 1概要 i17 2领域纵览 2.1什么是控制 22控制系统示例 12 23基于信息系统的作用不断增加 2.4领域面临的机遇与挑战 19 3应用、机遇和挑战 31航空航天和运输 26 32信息和网络 33机器人和智能机器 34生物和医药 50 35材料和加工 56 36其它应用 4教育及其外延 41控制教育的新环境 使控制更易理解 4.3拓宽控制教育 44在K-12数学和科学教育中的机遇 45其他机遇与趋势 74 5建议 5.1控制、计算和通信的集成 52复杂决策系统的控制

v 目录 序言 vii 1 概要 1 2 领域纵览 7 2.1 什么是控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 控制系统示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 基于信息系统的作用不断增加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 领域面临的机遇与挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 应用、机遇和挑战 25 3.1 航空航天和运输 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 信息和网络 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 机器人和智能机器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4 生物和医药 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 材料和加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 其它应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 教育及其外延 69 4.1 控制教育的新环境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2 使控制更易理解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 拓宽控制教育 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4 在K-12数学和科学教育中的机遇 . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5 其他机遇与趋势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 建议 79 5.1 控制、计算和通信的集成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2 复杂决策系统的控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80