许多学科都为控制领域做出了贡献,包括理论数学和应用数学、航空学、 化学、机械学和电子工程学、运筹学和经济学,以及物理和生物科学。与不 同领域的交叉是控制领域的传统和特点 成功和影响 过去的40年中,模拟和数字电子学的发展使控制技术的发展远远超 出了它最初的应用范围,在许多应用中,控制已成为使能技术( ena bling technology)。以往研究的成果包括 ●空间飞行器的导航和控制系统,包括商用飞机、制导导弹、先进的战斗 机、(星球)登陆车和卫星。控制系统提供了稳定性,并且当存在大的 环境变化和系统不确定性时系统具有良好的跟踪性能 制造业中的控制系统,如汽车工业和集成电路工业。由计算机控制的机 械设备提供了精确定位和生产高质量元器件和产品所需的装配线 工业过程控制系统,特别在碳氢化合物和化学过程工业。通过监控成千 上万个传感信号和对成百上千个阀门、加热罨、泵和其他执行器进行调 节,以保证产品质量 ·通讯系统的控制,包括电话系统、蜂窝电话和互联网。控制系统调节发 送器和转发器的信号功率,管理网络路由设备中的缓冲区,并提供对传 输线路变化的自适应噪声抵消 控制的这些应用对现代社会的生产力产生了巨大的影响 图1.3:现代网络化系统:(a)加利弗尼亚能源冈,(b) NFSNET因特网的中 枢
3 许多学科都为控制领域做出了贡献，包括理论数学和应用数学、航空学、 化学、机械学和电子工程学、运筹学和经济学，以及物理和生物科学。与不 同领域的交叉是控制领域的传统和特点。 成功和影响 过去的40年中，模拟和数字电子学的发展使控制技术的发展远远超 出了它最初的应用范围，在许多应用中，控制已成为使能技术(enabling technology)。以往研究的成果包括： • 空间飞行器的导航和控制系统，包括商用飞机、制导导弹、先进的战斗 机、（星球）登陆车和卫星。控制系统提供了稳定性，并且当存在大的 环境变化和系统不确定性时系统具有良好的跟踪性能。 • 制造业中的控制系统，如汽车工业和集成电路工业。由计算机控制的机 械设备提供了精确定位和生产高质量元器件和产品所需的装配线。 • 工业过程控制系统，特别在碳氢化合物和化学过程工业。通过监控成千 上万个传感信号和对成百上千个阀门、加热器、泵和其他执行器进行调 节，以保证产品质量。 • 通讯系统的控制，包括电话系统、蜂窝电话和互联网。控制系统调节发 送器和转发器的信号功率，管理网络路由设备中的缓冲区，并提供对传 输线路变化的自适应噪声抵消。 控制的这些应用对现代社会的生产力产生了巨大的影响。 (a) (b) 图 1.3: 现代网络化系统：(a) 加利弗尼亚能源网，(b) NFSNET 因特网的中 枢
概要 除了在工程应用中的影响,控制学科也做出了重要的学术贡献。控制理论 家和工程师为了提供设计反馈系统的正确技术,严格地利用数学知识,并对 数学做出了贡献。他们是“系统观点”坚定的提倡者。他们为建模、分析、 设计和测试提供了可信的技术,这使那些现今使用的复杂工程系统的设计和 实现成为可能。而且,对于信奉系统观点的和那些希望掌握牢固知识和技巧 的人,控制社团已经成为主要源泉和训练基地 未来的机遇和挑战 正如期望的,随着控制系统与理论的发展,新的应用机遇将不断涌现。 分布式计算、通讯和传感系统的出现,使研究人员可以获得大量的数据,并 可以对这些数据进行处理和传输,这在20年前是无法想象的。特别是,软件 系统与物理系统的结合也越来越紧密,这对军事、商业和科学技术产生了深 远的影响。图1.3所示为具有这种发展趋势的两个系统。控制正在成为构造相 互关联系统的基本元素,并且当存在不确定性时,控制系统将提供高性能 高可靠性、以及可重置的操作 在所有这些领域中,共同的特征是系统层面的需求远远超出可得到的单个 元件的可靠性。控制(从最一般意义上讲)扮演了一个核心角色,通过测量 系统的当前状态来修正系统的运行,以确保系统达到期望的目标。控制领域 的挑战在于放弃控制系统是只有单控制器的单过程的传统观点,承认控制系 统是对实际的物理和信息系统的各种信息进行收集与处理,并且这些信息的 联系和相互作用是十分复杂的 除了计算、通讯和传感技术的价格日益低廉和应用日益广泛之外,相应 的基于信息的系统越来越重要,使得控制从低水平的决策系统向高水平的控 制系统发展。例如,提高飞行系统的自主性(最终是为了实现彻底的无人驾 驶),将局部反馈回路集成到企业的计划表及资源分配系统中。将控制学科 的优势扩展到这些非传统的系统,为提高效率、产量、安全性和可靠性提供 了巨大的机遇 控制是国防系统的关键技术,并且在打击恐怖主义及反对不平等威胁的斗 争中越来越重要。控制使人们能够利用自主或半自主系统实施困难和危险的 任务,也可以利用先进成熟的指挥和控制系统构成鲁棒的、可重构的决策系 统。在微系统和传感器网中,控制技术的应用将大大提高检测威胁的能力, 避免造成损失。在通讯系统中,反馈的应用将在动态不确定和敌对的环境中 提供可靠、灵活、安全的网络 为了在新的应用中实现控制,必须发展新的方法和算法。从当前该领域所 面临的挑战中,举一些例子来说明将遇到的困难
4 概要 除了在工程应用中的影响，控制学科也做出了重要的学术贡献。控制理论 家和工程师为了提供设计反馈系统的正确技术，严格地利用数学知识，并对 数学做出了贡献。他们是“系统观点”坚定的提倡者。他们为建模、分析、 设计和测试提供了可信的技术，这使那些现今使用的复杂工程系统的设计和 实现成为可能。而且，对于信奉系统观点的和那些希望掌握牢固知识和技巧 的人，控制社团已经成为主要源泉和训练基地。 未来的机遇和挑战 正如期望的，随着控制系统与理论的发展，新的应用机遇将不断涌现。 分布式计算、通讯和传感系统的出现，使研究人员可以获得大量的数据，并 可以对这些数据进行处理和传输，这在 20 年前是无法想象的。特别是，软件 系统与物理系统的结合也越来越紧密，这对军事、商业和科学技术产生了深 远的影响。图1.3所示为具有这种发展趋势的两个系统。控制正在成为构造相 互关联系统的基本元素，并且当存在不确定性时，控制系统将提供高性能、 高可靠性、以及可重置的操作。 在所有这些领域中，共同的特征是系统层面的需求远远超出可得到的单个 元件的可靠性。控制（从最一般意义上讲）扮演了一个核心角色，通过测量 系统的当前状态来修正系统的运行，以确保系统达到期望的目标。控制领域 的挑战在于放弃控制系统是只有单控制器的单过程的传统观点，承认控制系 统是对实际的物理和信息系统的各种信息进行收集与处理，并且这些信息的 联系和相互作用是十分复杂的。 除了计算、通讯和传感技术的价格日益低廉和应用日益广泛之外，相应 的基于信息的系统越来越重要，使得控制从低水平的决策系统向高水平的控 制系统发展。例如，提高飞行系统的自主性（最终是为了实现彻底的无人驾 驶），将局部反馈回路集成到企业的计划表及资源分配系统中。将控制学科 的优势扩展到这些非传统的系统，为提高效率、产量、安全性和可靠性提供 了巨大的机遇。 控制是国防系统的关键技术，并且在打击恐怖主义及反对不平等威胁的斗 争中越来越重要。控制使人们能够利用自主或半自主系统实施困难和危险的 任务，也可以利用先进成熟的指挥和控制系统构成鲁棒的、可重构的决策系 统。在微系统和传感器网中，控制技术的应用将大大提高检测威胁的能力， 避免造成损失。在通讯系统中，反馈的应用将在动态不确定和敌对的环境中 提供可靠、灵活、安全的网络。 为了在新的应用中实现控制，必须发展新的方法和算法。从当前该领域所 面临的挑战中，举一些例子来说明将遇到的困难：
·具有符号和连续动态的系统的控制。下一代的系统将把逻辑运算(如 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,特别是描述大系统时 ·在分布式、异步网络环境中的控制。为了保证系统的稳定性、性能和 鲁棒性,分布在多个计算单元、由信息包连接的控制需要新的形式,特 别是当实现控制时,人们不应忽略计算与通讯方面的约束条件对性能的 影响 高级协作与自主。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C4SR系统。为 了使系统在实际环境中能可靠地运行,需要将最近二、三十年来鲁棒控 制系统在分析和设计方面所取得的成就扩展到这些更高级的决策系统 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,使得从建模到半实物仿真( 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 ·从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非突然停 止 这些挑战中的每一项都需要控制社团的多年努力,才能使研究成果更加严 格、实用和可以广泛应用。这也需要基金委员会的资助来保证当前的研究得 以继续,并将取得的研究成果付诸应用 建议 为了迎接挑战和预示控制领域的前景,专家小组建议开展以下行动 1.全面加强控制、计算机科学、通讯和网络技术的一体化研究。这包括高 级的、网络化的、分布式系统建模和控制的原理、方法和工具,以及可 靠的、嵌入式的实时软件 C4ISR TE Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveill ane and reconnaissance,即指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察的缩写,译者注
5 • 具有符号和连续动态的系统的控制。 下一代的系统将把逻辑运算（如 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，特别是描述大系统时。 • 在分布式、异步网络环境中的控制。为了保证系统的稳定性、性能和 鲁棒性，分布在多个计算单元、由信息包连接的控制需要新的形式，特 别是当实现控制时，人们不应忽略计算与通讯方面的约束条件对性能的 影响。 • 高级协作与自主。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1。为 了使系统在实际环境中能可靠地运行，需要将最近二、三十年来鲁棒控 制系统在分析和设计方面所取得的成就扩展到这些更高级的决策系统。 • 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，使得从建模到半实物仿真(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。 • 从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非突然停 止。 这些挑战中的每一项都需要控制社团的多年努力，才能使研究成果更加严 格、实用和可以广泛应用。这也需要基金委员会的资助来保证当前的研究得 以继续，并将取得的研究成果付诸应用。 建议 为了迎接挑战和预示控制领域的前景，专家小组建议开展以下行动： 1. 全面加强控制、计算机科学、通讯和网络技术的一体化研究。这包括高 级的、网络化的、分布式系统建模和控制的原理、方法和工具，以及可 靠的、嵌入式的实时软件。 1C4ISR 是Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance，即指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察的缩写，译者注
概要 2.全面加强对更高级别的决策控制的研究,并向企业级系统发展。这包括 存在不确定性时的动态资源分配、动态系统的学习、自适应和人工智 能 3.在新兴领堿如纳米技术、量子力学、电磁学、生物学和环境科学,探索 控制技术的高风险和远程应用。在这个意义上,双重身份的研究者、各 学科间的交叉资助可能是特别有效的机制 4.继续支持理论研究和与数学的广泛合作。控制领域的强大之处在于它与 严格数学理论间的紧密联系。这也将越来越重要。 5.投资新的教育方法及其外延,向非传统用户宣传控制概念和工具。控制 社团必须更加努力地培养大量的科学家和工程师,使他们掌握反馈原 理,并能使用控制方法去改变系统的动态性能及处理不确定性 控制的影响体现在广泛的应用中,如航空航天和交通运输、信息和网络 机器人和智能机械、材料和加工、生物和医药。它将使人们能够构建更复杂 的系统,并保证所构建的系统是可靠、高效和鲁棒的。专家小组的建议建立 在控制领域多年严谨工作的基础上,是在信息爆炸时代抓住机遇的关键
6 概要 2. 全面加强对更高级别的决策控制的研究，并向企业级系统发展。这包括 存在不确定性时的动态资源分配、动态系统的学习、自适应和人工智 能。 3. 在新兴领域如纳米技术、量子力学、电磁学、生物学和环境科学，探索 控制技术的高风险和远程应用。在这个意义上，双重身份的研究者、各 学科间的交叉资助可能是特别有效的机制。 4. 继续支持理论研究和与数学的广泛合作。控制领域的强大之处在于它与 严格数学理论间的紧密联系。这也将越来越重要。 5. 投资新的教育方法及其外延，向非传统用户宣传控制概念和工具。控制 社团必须更加努力地培养大量的科学家和工程师，使他们掌握反馈原 理，并能使用控制方法去改变系统的动态性能及处理不确定性。 控制的影响体现在广泛的应用中，如航空航天和交通运输、信息和网络， 机器人和智能机械、材料和加工、生物和医药。它将使人们能够构建更复杂 的系统，并保证所构建的系统是可靠、高效和鲁棒的。专家小组的建议建立 在控制领域多年严谨工作的基础上，是在信息爆炸时代抓住机遇的关键
第2章 领域纵览 控制学科与许多工程技术领域有着广泛接触。它对现代社会的影响是深 远的,也常常难以理解。本章将通过示例和简评回顾该领域的发展,并描述 控制所处的新环境 21什么是控制 术语“控制”有许多解释,经常随着领域的不同而变化。本报告把控制 定义为在工程系统中使用的算法和反馈。那么,控制包括诸如电子放大器中 的反馈回路、化学和材料加工过程中的定值( set point)控制器、飞行器上 的线传操控飞行(田 y by wire)系统,甚至在因特网上控制传输流量的路由协议 等。新的应用包括高可靠的软件系统、自主汽车和机器人、战场指挥系统和 生物工程系统。控制是一门信息科学,包括模拟和数字信息 现代控制器可测量系统的运行状态,同期望动态相比较,基于系统对外部 输入响应的模型计算出校正值,并作用于系统使其产生期望的变化。测量 计算和执行的基本反馈回路是控制的中心概念。设计控制逻辑的关键问题是 要保证闭环系统的动态是稳定的(有界干扰产生有界误差),且具有期望的 动态特性(良好的抗干扰性、对操作点的变化具有快速响应性等)。可以通 过建模和分析方法描述这些特性。建模和分析技术可以描述系统的基本物理 特性,并且当存在不确定性、噪音及元件损坏时,可以估计系统的可能动 态 现代控制系统的典型示例如图21所示,图中很清楚地看到测量、计算和 执行这三个控制系统的基本组成部分。现代控制系统中,计算是由计算机完 成的,该过程需要模/数(A/D)和数/模(D/A)转换器。不确定性包括测
7 第 2 章 领域纵览 控制学科与许多工程技术领域有着广泛接触。它对现代社会的影响是深 远的，也常常难以理解。本章将通过示例和简评回顾该领域的发展，并描述 控制所处的新环境。 2.1 什么是控制 术语“控制”有许多解释，经常随着领域的不同而变化。本报告把控制 定义为在工程系统中使用的算法和反馈。那么，控制包括诸如电子放大器中 的反馈回路、化学和材料加工过程中的定值（set point）控制器、飞行器上 的线传操控飞行( y by wire) 系统，甚至在因特网上控制传输流量的路由协议 等。新的应用包括高可靠的软件系统、自主汽车和机器人、战场指挥系统和 生物工程系统。控制是一门信息科学，包括模拟和数字信息。 现代控制器可测量系统的运行状态，同期望动态相比较，基于系统对外部 输入响应的模型计算出校正值，并作用于系统使其产生期望的变化。测量、 计算和执行的基本反馈回路是控制的中心概念。设计控制逻辑的关键问题是 要保证闭环系统的动态是稳定的（有界干扰产生有界误差），且具有期望的 动态特性（良好的抗干扰性、对操作点的变化具有快速响应性等）。可以通 过建模和分析方法描述这些特性。建模和分析技术可以描述系统的基本物理 特性，并且当存在不确定性、噪音及元件损坏时，可以估计系统的可能动 态。 现代控制系统的典型示例如图2.1所示，图中很清楚地看到测量、计算和 执行这三个控制系统的基本组成部分。现代控制系统中，计算是由计算机完 成的，该过程需要模/数（A/D）和数/模（D/A）转换器。不确定性包括测