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第一篇 控制科学发展战略总体报告3

第一章 绪论3

第二章 控制科学的定位与学科分支8

第一节 控制与控制科学的定位8

第二节 控制科学的新特点和新方向10

一、信息技术的进步深刻地带动控制科学的变化10

二、普适性、多样性与高新科技的推动要求综合性的研究12

三、向其他领域拓展14

第三节 控制科学的学科分支15

第三章 历史回顾与启示18

第一节 历史回顾18

一、早期的控制思想19

二、经典控制理论20

三、现代控制理论22

四、控制器的演变与计算机的作用23

五、控制科学在中国26

第二节 启示29

第四章 现状分析与探讨34

第一节 基本的和共性的领域——控制理论34

一、线性系统35

二、非线性控制系统36

三、分布参数系统控制38

四、鲁棒控制40

五、系统辨识、自适应控制与随机系统42

六、智能控制45

七、离散事件动态系统46

八、对控制理论发展的看法49

第二节 应用领域之一——航空航天与运动体50

第三节 应用领域之二——过程控制53

第四节 网络与多智能（自主）体系统控制55

一、复杂网络与控制55

二、控制科学的作用57

三、多智能（自主）体系统59

第五节 向其他学科渗透61

一、脑控系统61

二、生物系统62

三、量子控制63

四、经济控制论与金融控制工程64

五、软件控制64

六、其他交叉65

七、软件实现65

八、教育65

九、几个新问题66

第五章 需求分析、思考与建议67

第一节 需求分析67

一、人类认识自然和改造自然的需求67

二、社会经济发展建设需求68

三、国家安全需求69

第二节 学科发展的思考70

一、信息丰富的时代特征70

二、控制要求的实际性与基于数学的控制理论的结合73

三、对控制已有做法的再认识76

第三节 未来发展的几个重大需求方向80

一、感知、通信、计算、控制一体化80

二、管理、决策、控制一体化80

三、控制在认知科学、神经科学发展中的作用81

四、空天一体化——飞行器控制81

五、微观科学发展的需求82

六、大数据时代的控制83

七、网络安全83

八、电网控制84

第四节 建议84

一、切实做好控制理论中关键问题的研究85

二、组织力量解决重大装备控制器设计问题85

三、加强通用平台、验证平台建设与实验设备研制85

四、加强控制算法与软件的研究86

五、重视多学科交叉研究86

六、抓住信息丰富的时代特征发展控制科学87

七、控制科学与数学的结合88

八、控制教育必须跟上时代的脚步89

说明与致谢91

参考文献93

第二篇 控制理论97

第六章 绪言97

第一节 控制理论诞生和发展的源泉97

第二节 推动控制理论发展的关键98

第三节 科学技术的进步对控制理论的发展有重大影响98

第四节 控制理论自身发展局限与时代发展需求并存99

第七章 线性系统控制理论：回顾与展望100

第一节 经典线性系统控制理论100

一、理论形成标志：频率法的建立100

二、频率方法在线性离散系统中的推广101

三、频率方法对其他控制领域的影响101

四、研究对象和方法102

五、局限性103

六、重要专著103

第二节 现代线性系统控制理论103

一、理论形成标志：状态空间法的建立103

二、20世纪60年代状态空间法的主要成果103

三、20世纪60～70年代形成的新的研究体系与进展105

四、线性系统控制理论的几个主要课题的研究进展110

第三节 展望117

一、反馈能力极限118

二、控制器降阶120

三、控制教育问题120

第八章 非线性系统控制理论122

第一节 非线性控制理论的起源122

第二节 非线性控制的几个分支：回顾与展望124

一、变结构控制124

二、几何非线性控制127

三、（微分）代数非线性控制128

四、构造非线性控制128

五、基于内模原理的设计130

六、其他研究分支132

第三节 现代非线性控制：机遇与挑战132

第九章 分布参数系统控制133

第一节 历史与现状134

第二节 可能的挑战138

一、不稳定系统的镇定和鲁棒控制139

二、有穷逼近问题141

三、传感器和控制器最优分布问题142

四、分布控制、分布量测问题143

五、随机分布参数控制问题144

六、非线性问题144

七、应用问题的驱动145

第十章 离散事件动态系统146

第一节 历史与现状146

第二节 可能的挑战156

一、逻辑和时序的性质的分析与综合156

二、活性调度和控制157

三、大规模复杂DEDS的优化控制158

四、基于事件的优化与分布式控制策略的优化设计159

五、DEDS的仿真优化160

第十一章 随机系统控制理论161

第一节 受控马尔可夫模型161

第二节 随机微分博弈163

第三节 随机混合动力系统164

第四节 无穷区间的费用准则165

第五节 估计、滤波与控制165

一、估计和随机逼近165

二、滤波166

三、控制167

第六节 基于倒向随机微分方程的随机系统168

第七节 网络环境下的随机控制理论169

第八节 随机自适应控制169

第九节 对未来的几点展望170

第十二章 鲁棒控制：回顾与展望172

第一节 H∞范数173

第二节 不确定系统描述173

第三节 鲁棒稳定性174

第四节 鲁棒性能178

第五节 H∞控制178

第六节 鲁棒控制设计181

第七节 H∞控制与鲁棒控制的时域方法182

第八节 其他扩展182

第九节 面临的挑战与机遇183

第十三章 系统辨识：新的模式、挑战及机遇186

第一节 背景及现状186

第二节 包容更广泛的不确定性189

一、系统结构的非随机不确定性189

二、缺乏数据和信息而产生的不确定性190

三、缺乏计算能力导致的不确定性190

四、结构切换导致的不确定性190

第三节 基于网络和通信的辨识191

一、局部信息191

二、通信限制192

三、通信不确定性192

四、网络拓扑变化下系统辨识的可靠性192

五、网络结构的辨识192

第四节 随机及非线性系统的辨识193

第五节 大数据时代的系统辨识194

第六节 考虑资源的有效利用，突出复杂性的研究195

一、近似理论196

二、统计196

三、信息理论196

四、计算复杂性197

第七节 以目标驱动的、综合化的系统辨识197

第八节 客户服务：友好且高效的工具198

第九节 结论与建议198

第十四章 自适应控制：过去、现在与未来200

第一节 基本概念与组成200

第二节 发展回顾与案例分析202

一、发展回顾202

二、案例分析205

三、自校正调节器208

第三节 发展现状与生长点211

一、总体现状211

二、生长点213

第四节 问题与展望213

一、应用问题214

二、若干未完全解决的理论问题215

三、关键科学问题217

四、与其他学科交叉218

第十五章 新兴领域对控制理论的需求和挑战221

说明与致谢226

参考文献229

第三篇 航空航天与运动体控制281

第十六章 地面武器装备的控制科学与技术281

第一节 地面武器装备控制技术的发展历程与我国研究成果281

一、机动目标的识别、建模与跟踪282

二、地面武器平台的伺服控制284

三、地面武器平台的火力控制284

四、地面武器平台的指挥控制285

第二节 地面武器装备控制技术发展的趋势与关键科学问题287

一、机动目标的识别、建模与跟踪287

二、地面武器平台的伺服控制287

三、地面武器平台的火力控制288

四、地面武器平台的指挥控制289

第三节 地面武器装备控制技术发展的优先领域与重点方向291

一、机动目标的识别、建模与跟踪291

二、地面武器平台的伺服控制291

三、地面武器平台的火力控制292

四、多平台的协同控制与优化问题293

五、基于复杂性研究的陆战平台火力指挥与控制系统综合优化设计问题294

第十七章 汽车的控制科学与技术295

第一节 汽车控制技术的发展历程与我国研究成果295

第二节 汽车控制技术发展趋势与关键科学问题297

一、动力总成控制系统297

二、车辆主动安全控制系统301

三、新能源汽车控制304

四、工程/特种车辆控制306

第三节 汽车控制发展的优先领域和重点方向308

第十八章 机器人的控制科学与技术311

第一节 国内外先进机器人控制技术发展历程与我国研究成果311

一、工业机器人312

二、地面移动机器人313

三、医疗与康复助力机器人317

四、水下机器人319

五、生物启发的机器人系统——仿生机器人321

六、微纳操作机器人322

第二节 机器人先进控制技术的发展趋势与关键科学问题323

第三节 机器人先进控制发展的优先领域和重点方向324

第十九章 航空飞行器的控制科学与技术326

第一节 航空飞行器控制技术发展历程与我国研究成果326

一、航空飞行器控制技术发展历程326

二、航空飞行器控制技术的创新能力和实力地位327

第二节 航空飞行器控制的发展趋势与关键科学问题327

一、航空飞行器控制发展的规律327

二、航空飞行器控制发展的趋势328

三、航空飞行器控制发展的关键科学问题328

第三节 航空飞行器控制发展的优先领域和重点方向335

第二十章 空间飞行器的控制科学与技术337

第一节 空间飞行器控制技术的发展历程与我国研究成果338

一、空间飞行器控制技术发展历程338

二、空间飞行器控制技术发展现状342

第二节 空间飞行器控制技术的发展趋势与关键科学问题349

一、空间飞行器的跨尺度鲁棒轨道控制349

二、带有活动部件的多体航天器姿态控制350

三、充液航天器姿态控制351

四、空间飞行器交会过程的姿轨联合控制352

五、空间非合作目标捕获的路径规划及控制352

六、空间飞行器编队飞行分布式协同控制353

第三节 空间飞行器控制技术发展的优先领域和重点方向353

一、高精度姿态定向控制353

二、高可靠性的姿态控制353

三、高性能的推进技术354

四、空间在轨服务354

五、深空探测航天器编队飞行控制354

六、以深空探测空间轨道交会为背景的卫星轨道控制354

第二十一章 舰船和水下运动体的控制科学与技术355

第一节 舰船和水下运动体控制发展历程与我国研究成果355

一、舰船和水下运动体控制的发展历程355

二、舰船和水下运动体控制技术发展现状358

三、舰船和水下运动体控制带来的控制科学新特点、新问题360

第二节 舰船和水下运动体控制的发展趋势与关键科学问题361

一、内部各分支的互动发展规律361

二、进一步研究的关键性问题与瓶颈问题361

三、中长期发展趋势及学科前沿的重大科学问题362

第三节 舰船和水下运动体控制发展的优先领域和重点方向362

第二十二章 空天飞行器的控制科学与技术364

第一节 空天飞行器控制技术的发展历程与我国研究成果364

第二节 空天飞行器控制技术的发展趋势与关键科学问题366

一、可靠进入空间的控制前沿问题与挑战366

二、空天飞行器的控制前沿问题与挑战367

三、空天飞行器在控制方面的关键技术368

第三节 空天飞行器控制技术发展的优先领域和重点方向370

一、上升段制导370

二、升力式再入制导371

三、跳跃式再入制导371

四、气动控制372

五、复合控制373

六、对我国航天飞行控制技术发展趋势的思考374

第二十三章 航空航天和运动体控制中的共性科学问题376

第一节 多项功能、多元信息一体化376

一、网络化环境下的控制、计算与通信一体化376

二、面向不确定性的控制、决策与管理一体化377

三、导航、制导与控制一体化377

四、事件驱动与时间驱动的混合动态系统377

第二节 面向控制任务的建模378

一、高速运动体控制的建模问题378

二、非线性随动系统的建模问题379

第三节 运动体的自主控制379

一、运动体的环境与态势感知379

二、运动体的目标识别380

三、运动体的任务规划与智能决策380

第四节 运动体高可靠、可重构与容错性381

一、余度容错结构381

二、故障检测与诊断方法381

三、控制重构382

四、可靠性建模与分析方法382

五、软件可靠性383

第五节 多运动体的协同优化383

一、异构无人平台的动态分组理论及其体系结构设计与优化384

二、拓扑连通性保持条件下的异构无人平台协同与一致性控制384

三、异构多无人平台的分组一致性控制与分组平衡态分析385

第六节 运动体控制系统评估与确认385

第二十四章 航空航天和运动体控制领域发展政策建议387

第一节 打破学科壁垒，重视配套技术387

第二节 完善和改进控制学科的教育388

第三节 加强通用平台、验证平台建设与实验设备研制388

第四节 转变理念，架起理论与应用的桥梁389

第五节 重视基础，加强产、学、研相结合390

说明与致谢392

参考文献395

第四篇 过程控制405

第二十五章 绪论405

第二十六章 过程控制学科发展历程及我国研究成果评述与现状分析408

第一节 信息获取与处理技术408

一、网络化数据获取和处理系统411

二、虚拟仪器412

三、盲源分离方法413

四、数据挖掘技术413

第二节 过程建模与优化技术414

一、有色冶金过程建模414

二、有色冶金过程优化415

三、有色冶金过程建模与优化的现状分析416

第三节 先进控制方法与系统性能评估技术416

一、预测控制416

二、随机控制与随机分布控制419

三、复杂工业过程运行优化控制421

第四节 异常检测、寿命预测与维修决策技术421

一、异常检测与寿命预测的联合研究423

二、异常检测与维修决策的联合研究424

三、寿命预测与维修决策的联合研究426

四、维修决策与备件管理的联合研究427

第五节 过程装备与技术标准428

第二十七章 过程控制学科发展的规律、趋势、关键科学问题431

第一节 信息获取与处理技术的主要趋势和科学问题431

第二节 过程建模与优化技术主要趋势和科学问题432

一、现代有色冶金反应体系中多相多场交互作用机理及其数学描述432

二、现代有色冶金绿色生产的运行优化控制433

第三节 先进控制方法与系统性能评估技术主要趋势和科学问题433

一、预测控制433

二、数据驱动的控制器设计方法434

三、运行指标多目标优化决策434

四、不同网络环境下的运行闭环反馈控制435

五、运行控制的动静态性能分析435

第四节 异常检测、寿命预测与维修决策技术的主要趋势和科学问题435

一、基于多维监测信息合理的融合实现剩余寿命预测436

二、不同工况下维修决策的定量关系研究436

三、多部件系统在有限区间内的维修策略436

第五节 过程装备与技术标准主要趋势和科学问题437

一、片上控制系统437

二、工业控制系统网络安全技术437

三、战略基础设施工业控制系统安全评估理论与方法437

第六节 过程控制学科发展的优先领域和重点方向437

第二十八章 过程控制学科发展政策建议438

说明与致谢439

参考文献440

第五篇 网络控制445

第二十九章 绪论445

第三十章 网络控制科学的历史与方法论内涵446

第一节 控制科学与动力学446

第二节 网络科学与拓扑学447

第三节 拓扑结构与动态过程：控制科学的双重研究对象448

一、网络科学中的拓扑控制448

二、控制科学中的拓扑结构452

三、基于稳态分析方法论的网络控制理论460

四、网络化控制系统理论460

第三十一章 复杂动态网络环境下控制理论遇到的问题与挑战469

第一节 复杂动态网络469

第二节 现代网络科学与工程471

第三节 复杂网络的牵制控制473

第四节 有向复杂动态网络的能控性478

第五节 “网络的网络”之建模与控制482

第六节 复杂网络环境下控制理论的挑战与任务485

第三十二章 网络控制工程中的控制科学问题与挑战486

第一节 智能电网给网络控制带来的挑战486

一、电力CPS的体系结构487

二、电力CPS的发展方向490

三、电力CPS给网络控制理论带来的挑战490

第二节 基因调控网络的控制科学问题494

一、生物系统与基因网络494

二、控制理论在基因调控网络研究中的若干应用497

三、若干问题及展望504

第三节 轨道交通领域相关网络科学问题506

一、轨道交通系统概述506

二、与轨道交通相关的网络科学问题508

三、轨道交通网络中的若干待解决问题511

第四节 物联网对网络和控制科学的挑战与机遇513

一、物联网是网络化复杂系统514

二、物联网以应用推动信息科技发展515

三、物联网的感、传、智、控516

四、物联网多学科集成的科学问题与机遇518

第五节 网络控制工程的共性问题与挑战522

一、基于通信网络的控制522

二、通信网络的控制523

三、控制与通信的一体化设计524

第三十三章 总结与展望526

第一节 网络控制科学研究的新方法526

第二节 复杂网络系统控制理论526

第三节 网络控制工程527

一、智能电网中的博弈思想与方法527

二、大规模生物网络的构建、建模、模拟、动力学分析与控制528

三、提升轨道交通系统的运营效率和安全可靠性528

四、物联网工程529

五、基于云的网络化控制系统530

说明与致谢532

参考文献534

第六篇 交叉学科及其他555

第三十四章 绪论555

第三十五章 微观尺度下系统控制理论与实现中的科学问题560

第一节 量子参数估计与量子系统辨识561

第二节 开放量子系统的动力学特性分析563

第三节 量子系统参量在线测量与获取564

第四节 量子系统控制理论564

第五节 量子系统实验的实现565

第三十六章 软件控制论567

第一节 研究历程与现状分析567

一、研究背景和发展历程567

二、研究现状569

第二节 挑战性问题571

第三节 发展方向573

一、计算是一种控制过程573

二、服务是一种控制系统574

三、构造是一种工程化过程574

第四节 若干建议575

第三十七章 金融工程与控制理论的交叉研究576

第一节 历史发展576

第二节 现状与需求分析579

第三节 存在的科学技术问题及新特点580

一、行为金融意义下的投资组合问题580

二、投资组合的动态风险管理问题582

第四节 未来发展方向583

第三十八章 控制科学与脑科学交叉领域的研究585

第一节 研究背景和发展现状分析586

第二节 研究的主要问题589

一、基于思维或意念的脑电信号模式研究589

二、高性能控制信号转换算法的研究590

三、脑控系统的应用研究591

第三节 进一步研究的方向591

第四节 可行性与建议593

第三十九章 控制科学教育趋势594

第一节 概述594

第二节 历史与现状595

一、控制科学的高等教育发展史595

二、控制科学人才培养规格与模式的演变596

三、控制科学的教学建设597

第三节 控制教育的发展趋势598

第四十章 面向控制科学与工程教育的软件平台发展601

第一节 引言601

第二节 控制科学与工程教育602

一、科研与教育一体化的发展战略602

二、重视“自下而上”的教学方面成果603

第三节 相关软件平台发展605

第四节 思考与建议609

说明与致谢612

参考文献613

关键词索引627