中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·控制科學

總序i序言vii前言ix摘要xi第一篇控制科學發(fā)展戰(zhàn)略總體報告第一章緒論3第二章控制科學的定位與學科分支8第一節(jié)控制與控制科學的定位8第二節(jié)控制科學的新特點和新方向10一、信息技術(shù)的進步深刻地帶動控制科學的變化10二、普適性、多樣性與高新科技的推動要求綜合性的研究12三、向其他領(lǐng)域拓展14第一節(jié)控制科學的學科分支15第三章歷史回顧與啟示18第一節(jié)歷史回顧18一、早期的控制思想19二、經(jīng)典控制理論20三、現(xiàn)代控制理論22四、控制器的演變與計算機的作用23五、控制科學在中國26第二節(jié)啟示29第四章現(xiàn)狀分析與探討34第一節(jié)基本的和共性的領(lǐng)域-控制理論34一、線性系統(tǒng)35二、非線性控制系統(tǒng)36三、分布參數(shù)系統(tǒng)控制38四、魯棒控制40五、系統(tǒng)辨識、自適應控制與隨機系統(tǒng)42六、智能控制45七、離散事件動態(tài)系統(tǒng)46八、對控制理論發(fā)展的看法49第二節(jié)應用領(lǐng)域之一——航空航天與運動體50第三節(jié)應用領(lǐng)域之二——過程控制53第四節(jié)網(wǎng)絡(luò)與多智能（自主）體系統(tǒng)控制55一、復雜網(wǎng)絡(luò)與控制55二、控制科學的作用57三、多智能（自主）體系統(tǒng)59第五節(jié)向其他學科滲透61一、腦控系統(tǒng)61二、生物系統(tǒng)62三、量子控制63四、經(jīng)濟控制論與金融控制工程64五、軟件控制64六、其他交叉65七、軟件實現(xiàn)65八、教育65九、幾個新問題66第五章需求分析、思考與建議67第一節(jié)需求分析67一、人類認識自然和改造自然的需求67二、社會經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)需求68三、國家安全需求69第二節(jié)學科發(fā)展的思考70一、信息豐富的時代特征70二、控制要求的實際性與基于數(shù)學的控制理論的結(jié)合73三、對控制已有做法的再認識76第三節(jié)未來發(fā)展的幾個重大需求方向80一、感知、通信、計算、控制一體化80二、管理、決策、控制一體化80三、控制在認知科學、神經(jīng)科學發(fā)展中的作用81四、空天一體化——飛行器控制81五、微觀科學發(fā)展的需求82六、大數(shù)據(jù)時代的控制83七、網(wǎng)絡(luò)安全83八、電網(wǎng)控制84第四節(jié)建議84一、切實做好控制理論中關(guān)鍵問題的研究85二、組織力量解決重大裝備控制器設(shè)計問題85三、加強通用平臺、驗證平臺建設(shè)與實驗設(shè)備研制85四、加強控制算法與軟件的研究86五、重視多學科交叉研究86六、抓住信息豐富的時代特征發(fā)展控制科學87七、控制科學與數(shù)學的結(jié)合88八、控制教育必須跟上時代的腳步89說明與致謝91參考文獻93第二篇控制理淪第六章緒言97第一節(jié)控制理論誕生和發(fā)展的源泉97第二節(jié)推動控制理論發(fā)展的關(guān)鍵98第三節(jié)科學技術(shù)的進步對控制理論的發(fā)展有重大影響98第四節(jié)控制理論自身發(fā)展局限與時代發(fā)展需求并存99第七章線性系統(tǒng)控制理論：回顧與展望100第一節(jié)經(jīng)典線性系統(tǒng)控制理論100一、理論形成標志：頻率法的建立100二、頻率方法在線性離散系統(tǒng)中的推廣101三、頻率方法對其他控制領(lǐng)域的影響101四、研究對象和方法102五、局限性103六、重要專著103第二節(jié)現(xiàn)代線性系統(tǒng)控制理論103一、理論形成標志：狀態(tài)空間法的建立103二、20世紀60年代狀態(tài)空間法的主要成果103三、20世紀60～70年代形成的新的研究體系與進展105四、線性系統(tǒng)控制理論的幾個主要課題的研究進展110第三節(jié)展望117一、反饋能力極限118二、控制器降階120三、控制教育問題120第八章非線性系統(tǒng)控制理論122第一節(jié)非線性控制理論的起源122第二節(jié)非線性控制的幾個分支：同顧與展望124一、變結(jié)構(gòu)控制121二、幾何非線性控制127三、（微分）代數(shù)非線性控制128四、構(gòu)造非線性控制128五、基于內(nèi)模原理的謾計130六、其他研究分支132第三節(jié)現(xiàn)代非線性控制：機遇與挑戰(zhàn)132第九章分布參數(shù)系統(tǒng)控制133第一節(jié)歷史與現(xiàn)狀134第二節(jié)可能的挑戰(zhàn)138一、不穩(wěn)定系統(tǒng)的鎮(zhèn)定和魯棒控制139二、有窮逼近問題141三、傳感器和控制器最優(yōu)分布問題142四、分布控制、分布量測問題143五、隨機分布參數(shù)控制問題144六、非線性問題144七、應用問題的驅(qū)動145第十章離散事件動態(tài)系統(tǒng)146第一節(jié)歷史與現(xiàn)狀146第二節(jié)可能的挑戰(zhàn)156一、邏輯和時序的性質(zhì)的分析與綜合156二、活性調(diào)度和控制157三、大規(guī)模復雜DEDS的優(yōu)化控制158四、基于事件的優(yōu)化與分布式控制策略的優(yōu)化設(shè)計159五、DEDS的仿真優(yōu)化160第十一章隨機系統(tǒng)控制理論，161第一節(jié)受控馬爾可夫模型161第二節(jié)隨機微分博弈163第三節(jié)隨機混合動力系統(tǒng)164第四節(jié)無窮區(qū)間的費用準則165第五節(jié)估計、濾波與控制165一、估計和隨機逼近165二、濾波166三、控制167第六節(jié)基于倒向隨機微分方程的隨機系統(tǒng)168第七節(jié)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隨機控制理論169第八節(jié)隨機自適應控制169第九節(jié)對未來的幾點展望170第十二章魯棒控制：回顧與展望172第一節(jié)H范數(shù)173第二節(jié)不確定系統(tǒng)描述173第三節(jié)魯棒穩(wěn)定性174第四節(jié)魯棒性能178第五節(jié)H，x控制178第六節(jié)魯棒控制設(shè)計181第七節(jié)H?？刂婆c魯棒控制的時域方法182第八節(jié)其他擴展182第九節(jié)面臨的挑戰(zhàn)與機遇183第十三章系統(tǒng)辨識：新的模式、挑戰(zhàn)及機遇186第一節(jié)背景及現(xiàn)狀186第二節(jié)包容更廣泛的不確定性189一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的非隨機不確定性189二、缺乏數(shù)據(jù)和信息而產(chǎn)生的不確定性190三、缺乏計算能力導致的不確定性190四、結(jié)構(gòu)切換導致的不確定性190第i節(jié)基于網(wǎng)絡(luò)和通信的辨識191一、局部信息191二、通信限制192三、通信不確定性192四、網(wǎng)絡(luò)拓撲變化下系統(tǒng)辨識的可靠性192五、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的辨識192第四節(jié)隨機及非線性系統(tǒng)的辨識193第五節(jié)大數(shù)據(jù)時代的系統(tǒng)辨識194第六節(jié)考慮資源的有效利用，突出復雜性的研究195一、近似理論196二、統(tǒng)計196二、信息理論196四、計算復雜性197第七節(jié)以目標驅(qū)動的、綜合化的系統(tǒng)辨識197第八節(jié)客戶服務：友好且高效的工具198第九節(jié)結(jié)論與建議198第十四章自適應控制：過去、現(xiàn)在與未來200第一節(jié)基本概念與組成200第二節(jié)發(fā)展回顧與案例分析202一、發(fā)展回顧202二、案例分析205三、自校正調(diào)節(jié)器208第三節(jié)發(fā)展現(xiàn)狀與生長點211一、總體現(xiàn)狀211二、生長點213第四節(jié)問題與展望213一、應用問題214二、若干未完全解決的理論問題215三、關(guān)鍵科學問題217四、與其他學科交叉218第十五章新興領(lǐng)域?qū)刂评碚摰男枨蠛吞魬?zhàn)221說明與致謝226參考文獻229第三篇航空航天與運動體控制第十六章地面武器裝備的控制科學與技術(shù)，281第一節(jié)地面武器裝備控制技術(shù)的發(fā)展歷程與我國研究成果281一、機動目標的識別、建模與跟蹤282二、地面武器平臺的伺服控制284三、地面武器平臺的火力控制284四、地面武器平臺的指揮控制285第二節(jié)地面武器裝備控制技術(shù)發(fā)展的趨勢與關(guān)鍵科學問題287一、機動目標的識別、建模與跟蹤287二、地面武器平臺的伺服控制287二、地面武器平臺的火力控制288四、地面武器平臺的指揮控制289第三節(jié)地面武器裝備控制技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域與重點方向291一、機動目標的識別、建模與跟蹤291二、地面武器平臺的伺服控制291三、地面武器平臺的火力控制292四、多平臺的協(xié)同控制與優(yōu)化問題293五、基于復雜性研究的陸戰(zhàn)平臺火力指揮與控制系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計問題294第十七章汽車的控制科學與技術(shù)295第一節(jié)汽車控制技術(shù)的發(fā)展歷程與我國研究成果295第二節(jié)汽車控制技術(shù)發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題297一、動力總成控制系統(tǒng)297二、車輛主動安全控制系統(tǒng)301三、新能源汽車控制304四、工程／特種車輛控制306第三節(jié)汽車控制發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方向308第十八章機器人的控制科學與技術(shù)311第一節(jié)國內(nèi)外先進機器人控制技術(shù)發(fā)展歷程與我國研究成果311一、工業(yè)機器人312二、地面移動機器人313三、醫(yī)療與康復助力機器人317四、水下機器人319五、生物啟發(fā)的機器人系統(tǒng)——仿生機器人321六、微納操作機器人322第二節(jié)機器人先進控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題323第三節(jié)機器人先進控制發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方問324第十九章航空飛行器的控制科學與技術(shù)326第一節(jié)航空飛行器控制技術(shù)發(fā)展歷程與我國研究成果326一、航空飛行器控制技術(shù)發(fā)展歷程326二、航空飛行器控制技術(shù)的創(chuàng)新能力和實力地位327第二節(jié)航空飛行器控制的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題327一、航空飛行器控制發(fā)展的規(guī)律327二、航空飛行器控制發(fā)展的趨勢328三、航空飛行器控制發(fā)展的關(guān)鍵科學問題328第三節(jié)航空飛行器控制發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方向335第二十章空間飛行器的控制科學與技術(shù)，337第一節(jié)空間飛行器控制技術(shù)的發(fā)展歷程與我國研究成果338一、空間飛行器控制技術(shù)發(fā)展歷程338二、空間飛行器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀342第二節(jié)空間飛行器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題349一、空間飛行器的跨尺度魯棒軌道控制349二、帶有活動部件的多體航天器姿態(tài)控制350三、充液航天器姿態(tài)控制351四、空間飛行器交會過程的姿軌聯(lián)合控制352五、空間非合作目標捕獲的路徑規(guī)劃及控制352六、空間飛行器編隊飛行分布式協(xié)同控制353第三節(jié)空間飛行器控制技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方向353一、高精度姿態(tài)定向控制353二、高可靠性的姿態(tài)控制353三、高性能的推進技術(shù)354四、空間在軌服務354五、深空探測航天器編隊飛行控制354六、以深空探測空間軌道交會為背景的衛(wèi)星軌道控制354第二十～章艦船和水下運動體的控制科學與技術(shù)355第一節(jié)艦船和水下運動體控制發(fā)展歷程與我國研究成果355一、艦船和水下運動體控制的發(fā)展歷程355二、艦船和水下運動體控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀358三、艦船和水下運動體控制帶來的控制科學新特點、新問題360第二節(jié)艦船和水下運動體控制的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題361一、內(nèi)部各分支的互動發(fā)展規(guī)律361二、進一步研究的關(guān)鍵性問題與瓶頸問題361三、中長期發(fā)展趨勢及學科前沿的重大科學問題362第j節(jié)艦船和水下運動體控制發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方向362第二十二章空天飛行器的控制科學與技術(shù)，364第一節(jié)空天飛行器控制技術(shù)的發(fā)展歷程與我國研究成果364第二節(jié)空天飛行器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵科學問題366一、可靠進入空間的控制前沿問題與挑戰(zhàn)366二、空天飛行器的控制前沿問題與挑戰(zhàn)367三、空天飛行器在控制方面的關(guān)鍵技術(shù)368第三節(jié)空天飛行器控制技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域和重點方向370一、上升段制導370二、升力式再入制導371三、跳躍式再入制導371四、氣動控制372五、復合控制373六、對我國航天飛行控制技術(shù)發(fā)展趨勢的思考374第二十三章航空航天和運動體控制中的共性科學問題376第一節(jié)多項功能、多元信息一體化376一、網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下的控制、計算與通信一體化376二、面向不確定性的控制、決策與管理一體化377三、導航、制導與控制一體化377四、事件驅(qū)動與時間驅(qū)動的混合動態(tài)系統(tǒng)377第二節(jié)面向控制任務的建模378一、高速運動體控制的建模問題378二、菲線性隨動系統(tǒng)的建模問題379第三節(jié)運動體的自主控制379一、運動體的環(huán)境與態(tài)勢感知379二、運動體的目標識別380三、運動體的任務規(guī)劃與智能決策380第四節(jié)運動體高可靠、可重構(gòu)與容錯性381一、余度容錯結(jié)構(gòu)381二、故障檢測與診斷方法381三、控制重構(gòu)382四、可靠性建模與分析方法382五、軟件可靠性383第五節(jié)多運動體的協(xié)同優(yōu)化383一、異構(gòu)無人平臺的動態(tài)分組理論及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化384二、拓撲連通性保持條件下的異構(gòu)無人平臺協(xié)同與一致性控制384三、異構(gòu)多無人平