中国学科发展战略·控制科学

总序i序言vii前言ix摘要xi第一篇控制科学发展战略总体报告第一章绪论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第一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第二篇控制理沦第六章绪言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：同顾与展望124一、变结构控制121二、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、基于内模原理的谩计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，x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i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196二、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287二、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问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～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j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、菲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