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中北大学2012届本科毕业设计说明书关于中国自动控制领域发展的研究程代展 中国科学研究院数学与系统科学研究院系统与控制重点实验室自动控制就是将控制技术与其他信息技术融合起来，自主控制工业过程，减少人为干预。自动化在社会，经济以及我们的日常生活中发挥着很重要的作用。控制论也就是自动化理论，是工程与数学交叉的一个学科分支，旨在监测动态系统的运行。在工业制造自动化及其设备方面，中国有着悠久的历史。近些年，中国在自动控制理论方面取得了长足进步，提出了许多新理论和新工程技术，满足了工业，农业，国防以及社会的其他方面的需求。现代科学例如复杂性，系统多样性，量子技术等，均发现其与控制学科的紧密联系。另一方面，控制论本身还有许多尚未解决的需要更加深入研究的基础性问题。本文旨在回顾中国在这些方面所取得发展和进步以及展望其未来的发展方向。关键字：控制理论，高科技方向，当代科学，基础性问题1 对中国的控制论的简要概述 自动化技术是社会生产力的一个关键因素。自动控制技术在工业，国防以及能源供应，通信，交通运输，工业制造，航空航天，导弹以及火箭导航等方面的发展上扮演着不可或缺的角色。一个国家的自动化程度体现着该国工业和国防的发展水平。自动控制系统可以简述为一种含有某些可以辨识其行为元件的设备。由于执行机构能够自主的进行控制行为，设备和进程也被称为是自动化的。一个典型的案例是18世纪80年代由瓦特发明的浮力球控制器，通过检测水龙头的流量来调节进水阀的开关量。在5000多年的文明史上，作为四大文明古国之一，中国拥有不计其数的发明创造，当然其中包含了大量的自动化器件和设备。其中，有用来检测地震的地动仪（公元前139年公元前78年），能够自动识别南方的指南针（公元250年公元330年），还有用于金属冶炼的鼓风机（公元前57年公元前25年），宋朝宋应星编写的天工开物（主要介绍自然科学）包含了许多的工程设备。尽管Maxwell关于调速器的论著要早许多，但是Wiener的著作控制学被认为是控制学的开端。Pontryagin的最大值原理，Bellman的动态编程以及Kalman的控制系统的滤波器和静态空间被认为是现代控制理论的三大里程碑。Dr.Tsien于1954年编写的工程控制学中国学者对于现代控制论发展的一大贡献。自那以后，中国的研究人员和工程师们在控制论的发展和应用方面做了许许多多的工作。在现代中国，尤其是1979年以来，30年的改革开放使得中国发生了翻天覆地的巨变。中国的GDP在以大约10个百分点的速度增长。如今，已是世界第三大经济体和经济引擎的中国正在向全球的经济主体行列迈进。工业化和农业现代化需要自动化技术。特别的是，中国正处在一个新的起点上，面临着严峻的挑战。在过去的30年里，中国的经济发展严重依赖廉价劳动力和高耗能（在生产同样的产品时，中国钢铁的企业能耗是同类型美国企业能耗的4倍），并且很少关注环境保护。为了实施可持续发展战略和提高企业的国际竞争力，中国已经在着手进行改造，如产品升级，替换，提高技术密集度，减少能源消耗以及关注环保。所有这一切不可避免的要依靠自动化的程度。与其他一些发达国家相比，中国对于自动化技术和其理论依据更为期待。在接下来的篇章里，将介绍中国的研究人员在控制领域做了哪些贡献以及就中国的可持续发展而言在控制论上最需要什么。2 高科技主导控制论 在20世纪60年代，基于著名的状态空间法来研究控制论的策略，导致了现代控制理论的诞生，并且发展迅猛。线性控制论的主体框架主要是在20世纪60年代至20世纪70年代间完成的。随后的发展包括稳态控制学，稳态控制学是在20世纪80年代出现并且于20世纪90年代成为了一个活跃的研究领域。在20 世纪70年代至20 世纪80 年代间，几何图形学被应用到了分析和控制非线性系统中。诚然，这也取得了骄人的成绩。也就是直到20世纪90年代，控制论才被作为一个新的学科建立起来。当然，在控制论中依旧有许多有待探讨和违背解决的问题。但是控制论研究的主体方向已经渐渐发生了改变。越来越多的注意力被聚焦在了高科技主导的控制论问题上。与纯粹的数学运算相异的是，控制论根源于工程应用领域，旨在研究解决实际的应用问题。如果没有工程应用的背景和目的，那么控制论也将失去其存在的意义和价值！与此同时，在许多高新技术领域，也出现了许多亟待解决的控制问题，这就向系统和控制领域的科学研究人员提出了新的挑战。作为一门学科，概念越是宽泛，那么人们对其所获成果的期望值也就越低！将普通的控制论应用于具有特殊性的高科技上，可能会产生更多型的问题和结果。作者已经在相关的文献里阐释了他的观点，本文中，我们会给出更多的高科技所要求的细节，也许这正是针对控制论及其应用所主要研究的课题。2.1网络交互式控制系统当今社会，网络已经成为我们日常生活的一个重要方面，也是先进技术发展的一个重要部分。得益于互联网，我们可以方便快捷的进行信息交互。网络传感器亦或是拥有一定计算存储能力的执行机构节点，都可以远程控制复杂的动态系统。与网络交互系统紧密相关的是两大基本控制问题，网络的控制和网络交互系统的控制。 网络互连有其特殊的问题，比如网络拥堵，数据包丢失以及用于确定某些信息的数据延迟。为了确保大型网络的工作效率，像互联网，对其进行故障监测是个不小的挑战。一个网络交互控制系统是由一系列的动态单元构成的。这些单元通过一个重要的交互网络进行信息交换，以此达到操作和行为的协调性。网络交互式控制系统的研究集中在以下几个方面：1.系统模型的建立：既然一个交互式控制系统是由传感器，执行元件和控制器构成的，那么我们就有必要建立一个何时的模型来研究实际系统的动态性能和可控性。2.控制器的分析和设计：正是由于交互式控制系统有着自身独特的特点如交互性，迟后性以及随意性，所以设计此类型的控制系统时，在考虑如上特点时，就有必要建立新的分析模型和新的控制方案。3.监测失误：在针对系统失误的监测中，特有的注意力需要针对网络交互式控制系统的独有特性。4.实验和仿真研究：与机械系统不同的是，这种动态的网络交互式系统几乎不能被种种方程来描述。因而实验和仿真研究，作为解决交互式控制系统一些问题的高效工具应运而生。标准检查程序问题和软件工具是为了学习和控制此类系统的设计而发展来的。 虽然目前许多工业上的交互式控制系统已经研究了很长时间，如动力系统，交通运输系统，信息通信系统。但是也仅仅是上世纪末，人们才开始从交互式控制系统的观点出发来进行研究。在不久的将来，这种新的观点有望带来突破性的进展。交互式控制系统是一个相互交叉的学科分类，是一个极具挑战并且前途光明的研究领域！2.2 智能机器人在20世纪70年代至20世纪80年代间，随着计算机控制机器人的出现，机器人领域成为了计算机科学和机械工程研究的热土，这是因为这些研究正好模拟了相关控制技术的研究成果。自那以后，机器人控制技术成为了控制论中较为活跃的分支。在过去的大约20年中，中国在机器人技术研究和产品的研制上有了客观的成果。中国生产了一些列的工业机器人，然而，中国对于印刷机器人，焊接机器人，汽车生产线上的装配机器人，无人机，水下机器人以及各式各样的机器人的需求量是非常庞大的，中国的机器人制造远未满足该需求。这个领域的一些课题包括机器人的状态预估，监测控制以及在复杂环境下利用智能控制技术对智能机器人进行控制等等。在机器人领域的未来发展中，挑战将永远存在，略举数例，比如：自主型的人机交互技术，采用高数据流传感器的控制技术，服务和医疗机器人。2.3 导弹、飞机和火箭的引导制导在空天领域，控制论曾一度成为它们的生存技术。严格来讲，现代控制理论最成功的工程应用就是人造卫星的控制。中国的空间计划早在中华人民共和国成立之初就已经发起了。中国的第一枚导弹制造于1958年；中国将第一颗人造卫星，东方红1号于1970年发射至既定轨道。中国成为了世界上第五个成功将卫星送入太空的国家。载人航天计划开始于1992年，在2003年，中国用神舟5号飞船将中国第一位航天员送入太空。中国成为世界上继苏联，美国之后第三个拥有能将人类自主送入太空能力的国家。中国与2007年发射了嫦娥一号探月卫星。据非官方说法，中国在2007年成功试射了一枚反卫星导弹。导航制导与控制包括位置，速度，以及姿态的控制，在导弹和卫星的控制上有着基础性的地位。这一领域有着足够的难题等待人们去挑战！在惯性导航制导控制中，在线算法系统是一个很关键的技术。另一个导航制导技术则是空天制导。中国的科学研究人员在这些领域做出了令人瞩目的进步。由于以上两种控制技术的联系，基于地磁场和重力变化度的导航技术在近些年来发展的很快。目前，综合性导航成为了一个新趋势，并且中国在这方面的研究成就显著。一些非线性控制技术也被用来进行姿态和轨道控制。举例来说，滑动模型控制技术被借鉴到自动驾驶仪的设计中；利用Fliess泛函展开式，最近提出了一种进行导弹追踪和姿态控制的新技术。基于特性模型的适应性控制也是一种创新。2.4 工业生产和制造中的控制在现代工业体系中，过程控制是不可或缺的，中国研究人员提出了一种计算机集成生产系统。在实时数据库和数据库相互联系的支持下，计算机集成生产系统由3个不同级别的生产工艺构成，一个是生产控制系统，一个是工业制造系统和一个企业资源规划。这样的一体化系统取得了巨大的成功。由于世界上能源的普遍缺乏，安全高效的控制能源系统成为了目前的紧迫任务。人们提出了一种分裂策略来解决当前的能源危机。一种普遍认可的汉密尔顿技术成为了动力控制系统中的有效方法。在现代工业中，生产流程都拥有交互信息的复杂结构。因为如此，可预估控制模型才能被高效的应用。人们提出了最优控制方法，并得到了成功应用。随着计算机技术的发展，智能控制技术得到了快速发展，并且广泛应用于工业生产制造。神经网络技术为描述系统的输入输出行为提供了强大的工具。因为系统的输入输出是不能被建立成可分析型模型的。已取得一些关于神经网络技术收敛性和稳定性及其应用的理论分析。基于模糊逻辑，模糊控制成为了一种可实践的有用工具。一种新的模糊控制推论已被提出来了。要想解决系统中的不确定性和不可动态建模问题，抗敏感扰动控制技术被提出，主要针对在不确定性方面的预估和补偿，这种新技术在工业应用上取得了一些成效。在将高科技应用到现代工业的同时，现代工业对我们提出了更快、更精准的控制要求。现代控制论中得出的越来越多的结论正在或即将被应用到工业中。3 当代科学推动控制论前进当代科学中出现了许多富有挑战性的系统和控制问题，这就为控制理论和控制技术的发展提供了新的广阔空间。3.1多重代理系统在上世纪末，复杂性和复杂系统的出现吸引了来自生物学家，医学家，计算机科学家和系统学家的眼球。据说复杂的科学才是21世纪的科学。多重代理系统的同步性自然是由生物学家发现的，然后再由系统学家用简单的规则进行了建模仿真的研究。最近，系统学家开始揭示其内在的数学逻辑，并且通过设计集散控制来获取多重代理系统的同步性。对多重代理系统的共识使得对这个系统研究的很广泛。不同的研究方法如李亚普诺夫方程，广义拉萨尔不变性原理都被用来证明：在合适的集散控制下，利用本系统信息，在多重代理系统的共识下，我们应当注意的是，最先得出的结论并没有要求任何优先连接权给著名的Vicsek 模型,而是被研究人员唐和郭在随机框架中得出来的。3.2转换系统转换系统也许被认为是含有多重标准和多重模型的最简的交互系统。他们拥有复杂系统的典型性质如非线性，因此研究转换系统也成为一个控制系统的热门课题。稳定性和稳定状态是研究转换系统的基本问题。在此过程中，李亚普诺夫二次普通方程有着重要作用。李亚普诺夫方程的存在是被证实了的。并且一些必要充分条件被获得。人们对转换系统的可控性进行了研究，一些充分或必要和充分必要条件被获得。 转换系统还是研究多重代理系统的基础。正因为如此，在多重代理系统共识的研究中，得到了一些转换系统的新特性。3.3系统生物学系统生物学旨在理解系统生物的动态性。它致力于在系统层面分析系统生物。事实上，Norbert Wiener，现代控制论之父，是第一个提出控制论也可以被称为生物控制论。所以，需要清楚的一点是，系统生物学是与系统学和控制论紧密相关的，系统生物学得到了很大关注，当然，其关注群体不仅仅来自生物学领域，而且来自医学和系统科学领域。受惠于人类基因组工程，系统生物领域成为了一个多重学科研究的交叉领域。它不研究个人基因，蛋白质或者细胞等等，相反，它研究的是一个生物系统中所有细胞，蛋白质，DNA和RNA的行为与关系。这被称为是细胞网络。最活跃的细胞网络也许是基因调整网络，它们对环境的变化做出反应，决定着细胞的生长，繁殖和衰亡。在生物信息学中，理解DNA和RNA的复制和转录是很重要的。中国的研究人员已经得出了许多重要的结论，这些结论来自对没有代码信息的RNA的分析研究，包含了微型RNA和反转录的RNA，蛋白质结构和功能，表观基因组学，统计遗传学和进化，复杂的疾病的功能基因，计算系统生物学以及更多的功能基因。描绘出细胞网络结构不是一份简单的工作。布林网络结构首先由卡夫曼引进，后来成为了在描述，分析，研究和仿真细胞网络时一款强大的工具。 3.4量子控制Tarn和他的研究团队在20世纪80年代早些时候提出了将现代控制理论应用到量子系统中。在过去的十多年里，由于纳米技术发展的推动和隧道扫描电子显微镜的发明，量子控制成为了一个热点话题。这是因为在控制论中原子是可操控的。量子控制是量子力学和控制论的交叉学科，它的目标是从控制论的角度去理解量子力学系统的发展和控制。目前，中已经有许多研究团队在为这个领域贡献着他们的力量。一个最为重要且需要被解决的问题是发展关于量子现象的控制是否是必要的。研究人员祁和郭这样指出：反馈所需的信息是通过量子闭环系统的测量元件取得的。然而，不同级别的机械系统对扰动的敏感度不同。从现代控制论的观点出发，反馈就是要将扰动和不确定性降低。因此，在取得由测量元件和对扰动敏感的机械设备后的数据时，就需要进行权衡了。为了阐述量子控制的必要性，席和金在考虑了量子交互系统换相扰动后，将量子闭环系统与经典闭环系统作比较，错误的修正率差别很大。 消相干是量子信息和量子通信要解决的关键问题，它是量子控制的瓶颈，也是量子计算机发展中的关键。这不可避免的要受到有关系统和环境之间的相互作用。净化是一个传统的方法，即在获得最高的量子纠缠态的同时抵御噪音破坏系统的能力。不幸的是，在持续的噪音下用净化的方法打开量子系统是不实用的。席的团队分析了量子系统的纠缠动力学，获得了一些关于纠缠动力学突然崩溃的性质，特别是和环境温度的关系。为了使基于量子技术的可能稳态系统成为现实，需要建立更多的先进技术和理论。例如，利用反馈实时控制单个量子系统的可行性。4 控制论中的基本问题在控制论系统中，依然有许多既基础而又富有挑战性的问题有待解决。这些问题的解决对于控制论的发展无疑是重要的。因此，系统与控制论的研究人员需要在这些方面多加关注。4.1自动控制系统的性能和复杂性 反馈性能是控制论里最基本的问题之一。Wiener提出了两个基本的概念，信息和反馈。目前，反馈被认为是控制论的核心。熟识反馈性能对于控制器的设计时大有裨益的。不仅如此，而且有助于理解控制系统的内在本质。郭和他的研究团队就反馈性能这个问题钻研了好多年，他们通过提出不确定性系统的边界，在这个问题的研究上获得了量子上的结论，成为了该领域的先驱。他们也提出了一些不稳定学说，包括非线性系统的决定性参数顺序和临界价值半径。这些结论激发了对于更宽泛控制系统的性能研究。许多非线性机械系统有其确定的复杂特性：动态性能的多重平衡，循环和轮流解决顺序。黄河他的合作者研究了此类动态性能的可控性，稳定性以及协调控制，并获得了许多成果。 研究混沌系统的复杂特性，也是一个很有意义的课题。这一课题或许可以在交流通信领域获得潜在的应用。在中国，混沌系统的研究很是活跃。大量的控制性能被研究得出，得出的关于混沌系统的多重诱导因子是一个很有意义的结论，也获得了业界的认可。4.2 复杂系统的鉴别 系统鉴别是现代控制论的一个经典问题，这是由于大部分的现代控制理论都依赖系统的动态模型。因此，为了鉴别不同的复杂系统，我们需要发展新的鉴别技术。陈和他的研究团队在复杂系统识别这个领域研究了数年，他们的很多研究成果被用在了新的挑战上。对于Wiener模型 和汉密尔顿系统而言，人们提出了新的递归算法和集合算法。更为突出的是，有人在可靠的证据下得出了多输入多输出通道下非线性由暗变明的适应性算法。一个复杂系统的模型可能不止一个。因此，这一系列模型的数据搜集和识别成为了新一类型的建模和识别问题。这一类型的问题，不论是学术研究还是复杂过程系统的应用都是一个不小的难