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1、控制科学与工程学科发展现状及趋势B13122 王宇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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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。
