中國學科發展戰略·控製科學 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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産品特色

內容簡介

　　"中國學科發展戰略"叢書以中國科學院學部開展的"中國科學院學部學科發展戰略研究項目"的研究成果為基礎，由以院士為主體、眾多專傢參與的學科發展戰略研究組經過深入調查和廣泛研討共同完成，旨在係統分析有關學科的發展態勢和規律，提煉關鍵學科理論和技術問題，提齣學科創新發展的新思想和新方法，並為學科的均衡發展提供政策和措施建議。《中國學科發展戰略·控製科學》係統梳理瞭學科的發展曆程，總結瞭學科發展規律和內在邏輯，前瞻瞭學科中長期發展趨勢，同時麵嚮我國現代化建設的長遠戰略需求，提煉齣學科前沿的重大科學問題和符閤中國發展需求的新問題和重大戰略方嚮。

目錄

總序i序言vii前言ix摘要xi第一篇控製科學發展戰略總體報告第一章緒論3第二章控製科學的定位與學科分支8第一節控製與控製科學的定位8第二節控製科學的新特點和新方嚮10一、信息技術的進步深刻地帶動控製科學的變化10二、普適性、多樣性與高新科技的推動要求綜閤性的研究12三、嚮其他領域拓展14第一節控製科學的學科分支15第三章曆史迴顧與啓示18第一節曆史迴顧18一、早期的控製思想19二、經典控製理論20三、現代控製理論22四、控製器的演變與計算機的作用23五、控製科學在中國26第二節啓示29第四章現狀分析與探討34第一節基本的和共性的領域-控製理論34一、綫性係統35二、非綫性控製係統36三、分布參數係統控製38四、魯棒控製40五、係統辨識、自適應控製與隨機係統42六、智能控製45七、離散事件動態係統46八、對控製理論發展的看法49第二節應用領域之一——航空航天與運動體50第三節應用領域之二——過程控製53第四節網絡與多智能（自主）體係統控製55一、復雜網絡與控製55二、控製科學的作用57三、多智能（自主）體係統59第五節嚮其他學科滲透61一、腦控係統61二、生物係統62三、量子控製63四、經濟控製論與金融控製工程64五、軟件控製64六、其他交叉65七、軟件實現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、社會經濟發展建設需求68三、國傢安全需求69第二節學科發展的思考70一、信息豐富的時代特徵70二、控製要求的實際性與基於數學的控製理論的結閤73三、對控製已有做法的再認識76第三節未來發展的幾個重大需求方嚮80一、感知、通信、計算、控製一體化80二、管理、決策、控製一體化80三、控製在認知科學、神經科學發展中的作用81四、空天一體化——飛行器控製81五、微觀科學發展的需求82六、大數據時代的控製83七、網絡安全83八、電網控製84第四節建議84一、切實做好控製理論中關鍵問題的研究85二、組織力量解決重大裝備控製器設計問題85三、加強通用平颱、驗證平颱建設與實驗設備研製85四、加強控製算法與軟件的研究86五、重視多學科交叉研究86六、抓住信息豐富的時代特徵發展控製科學87七、控製科學與數學的結閤88八、控製教育必須跟上時代的腳步89說明與緻謝91參考文獻93第二篇控製理淪第六章緒言97第一節控製理論誕生和發展的源泉97第二節推動控製理論發展的關鍵98第三節科學技術的進步對控製理論的發展有重大影響98第四節控製理論自身發展局限與時代發展需求並存99第七章綫性係統控製理論：迴顧與展望100第一節經典綫性係統控製理論100一、理論形成標誌：頻率法的建立100二、頻率方法在綫性離散係統中的推廣101三、頻率方法對其他控製領域的影響101四、研究對象和方法102五、局限性103六、重要專著103第二節現代綫性係統控製理論103一、理論形成標誌：狀態空間法的建立103二、20世紀60年代狀態空間法的主要成果103三、20世紀60～70年代形成的新的研究體係與進展105四、綫性係統控製理論的幾個主要課題的研究進展110第三節展望117一、反饋能力極限118二、控製器降階120三、控製教育問題120第八章非綫性係統控製理論122第一節非綫性控製理論的起源122第二節非綫性控製的幾個分支：同顧與展望124一、變結構控製121二、幾何非綫性控製127三、（微分）代數非綫性控製128四、構造非綫性控製128五、基於內模原理的謾計130六、其他研究分支132第三節現代非綫性控製：機遇與挑戰132第九章分布參數係統控製133第一節曆史與現狀134第二節可能的挑戰138一、不穩定係統的鎮定和魯棒控製139二、有窮逼近問題141三、傳感器和控製器最優分布問題142四、分布控製、分布量測問題143五、隨機分布參數控製問題144六、非綫性問題144七、應用問題的驅動145第十章離散事件動態係統146第一節曆史與現狀146第二節可能的挑戰156一、邏輯和時序的性質的分析與綜閤156二、活性調度和控製157三、大規模復雜DEDS的優化控製158四、基於事件的優化與分布式控製策略的優化設計159五、DEDS的仿真優化160第十一章隨機係統控製理論，161第一節受控馬爾可夫模型161第二節隨機微分博弈163第三節隨機混閤動力係統164第四節無窮區間的費用準則165第五節估計、濾波與控製165一、估計和隨機逼近165二、濾波166三、控製167第六節基於倒嚮隨機微分方程的隨機係統168第七節網絡環境下的隨機控製理論169第八節隨機自適應控製169第九節對未來的幾點展望170第十二章魯棒控製：迴顧與展望172第一節H範數173第二節不確定係統描述173第三節魯棒穩定性174第四節魯棒性能178第五節H，x控製178第六節魯棒控製設計181第七節H。控製與魯棒控製的時域方法182第八節其他擴展182第九節麵臨的挑戰與機遇183第十三章係統辨識：新的模式、挑戰及機遇186第一節背景及現狀186第二節包容更廣泛的不確定性189一、係統結構的非隨機不確定性189二、缺乏數據和信息而産生的不確定性190三、缺乏計算能力導緻的不確定性190四、結構切換導緻的不確定性190第i節基於網絡和通信的辨識191一、局部信息191二、通信限製192三、通信不確定性192四、網絡拓撲變化下係統辨識的可靠性192五、網絡結構的辨識192第四節隨機及非綫性係統的辨識193第五節大數據時代的係統辨識194第六節考慮資源的有效利用，突齣復雜性的研究195一、近似理論196二、統計196二、信息理論196四、計算復雜性197第七節以目標驅動的、綜閤化的係統辨識197第八節客戶服務：友好且高效的工具198第九節結論與建議198第十四章自適應控製：過去、現在與未來200第一節基本概念與組成200第二節發展迴顧與案例分析202一、發展迴顧202二、案例分析205三、自校正調節器208第三節發展現狀與生長點211一、總體現狀211二、生長點213第四節問題與展望213一、應用問題214二、若乾未完全解決的理論問題215三、關鍵科學問題217四、與其他學科交叉218第十五章新興領域對控製理論的需求和挑戰221說明與緻謝226參考文獻229第三篇航空航天與運動體控製第十六章地麵武器裝備的控製科學與技術，281第一節地麵武器裝備控製技術的發展曆程與我國研究成果281一、機動目標的識彆、建模與跟蹤282二、地麵武器平颱的伺服控製284三、地麵武器平颱的火力控製284四、地麵武器平颱的指揮控製285第二節地麵武器裝備控製技術發展的趨勢與關鍵科學問題287一、機動目標的識彆、建模與跟蹤287二、地麵武器平颱的伺服控製287二、地麵武器平颱的火力控製288四、地麵武器平颱的指揮控製289第三節地麵武器裝備控製技術發展的優先領域與重點方嚮291一、機動目標的識彆、建模與跟蹤291二、地麵武器平颱的伺服控製291三、地麵武器平颱的火力控製292四、多平颱的協同控製與優化問題293五、基於復雜性研究的陸戰平颱火力指揮與控製係統綜閤優化設計問題294第十七章汽車的控製科學與技術295第一節汽車控製技術的發展曆程與我國研究成果295第二節汽車控製技術發展趨勢與關鍵科學問題297一、動力總成控製係統297二、車輛主動安全控製係統301三、新能源汽車控製304四、工程／特種車輛控製306第三節汽車控製發展的優先領域和重點方嚮308第十八章機器人的控製科學與技術311第一節國內外先進機器人控製技術發展曆程與我國研究成果311一、工業機器人312二、地麵移動機器人313三、醫療與康復助力機器人317四、水下機器人319五、生物啓發的機器人係統——仿生機器人321六、微納操作機器人322第二節機器人先進控製技術的發展趨勢與關鍵科學問題323第三節機器人先進控製發展的優先領域和重點方問324第十九章航空飛行器的控製科學與技術326第一節航空飛行器控製技術發展曆程與我國研究成果326一、航空飛行器控製技術發展曆程326二、航空飛行器控製技術的創新能力和實力地位327第二節航空飛行器控製的發展趨勢與關鍵科學問題327一、航空飛行器控製發展的規律327二、航空飛行器控製發展的趨勢328三、航空飛行器控製發展的關鍵科學問題328第三節航空飛行器控製發展的優先領域和重點方嚮335第二十章空間飛行器的控製科學與技術，337第一節空間飛行器控製技術的發展曆程與我國研究成果338一、空間飛行器控製技術發展曆程338二、空間飛行器控製技術發展現狀342第二節空間飛行器控製技術的發展趨勢與關鍵科學問題349一、空間飛行器的跨尺度魯棒軌道控製349二、帶有活動部件的多體航天器姿態控製350三、充液航天器姿態控製351四、空間飛行器交會過程的姿軌聯閤控製352五、空間非閤作目標捕獲的路徑規劃及控製352六、空間飛行器編隊飛行分布式協同控製353第三節空間飛行器控製技術發展的優先領域和重點方嚮353一、高精度姿態定嚮控製353二、高可靠性的姿態控製353三、高性能的推進技術354四、空間在軌服務354五、深空探測航天器編隊飛行控製354六、以深空探測空間軌道交會為背景的衛星軌道控製354第二十～章艦船和水下運動體的控製科學與技術355第一節艦船和水下運動體控製發展曆程與我國研究成果355一、艦船和水下運動體控製的發展曆程355二、艦船和水下運動體控製技術發展現狀358三、艦船和水下運動體控製帶來的控製科學新特點、新問題360第二節艦船和水下運動體控製的發展趨勢與關鍵科學問題361一、內部各分支的互動發展規律361二、進一步研究的關鍵性問題與瓶頸問題361三、中長期發展趨勢及學科前沿的重大科學問題362第j節艦船和水下運動體控製發展的優先領域和重點方嚮362第二十二章空天飛行器的控製科學與技術，364第一節空天飛行器控製技術的發展曆程與我國研究成果364第二節空天飛行器控製技術的發展趨勢與關鍵科學問題366一、可靠進入空間的控製前沿問題與挑戰366二、空天飛行器的控製前沿問題與挑戰367三、空天飛行器在控製方麵的關鍵技術368第三節空天飛行器控製技術發展的優先領域和重點方嚮370一、上升段製導370二、升力式再入製導371三、跳躍式再入製導371四、氣動控製372五、復閤控製373六、對我國航天飛行控製技術發展趨勢的思考374第二十三章航空航天和運動體控製中的共性科學問題376第一節多項功能、多元信息一體化376一、網絡化環境下的控製、計算與通信一體化376二、麵嚮不確定性的控製、決策與管理一體化377三、導航、製導與控製一體化377四、事件驅動與時間驅動的混閤動態係統377第二節麵嚮控製任務的建模378一、高速運動體控製的建模問題378二、菲綫性隨動係統的建模問題379第三節運動體的自主控製379一、運動體的環境與態勢感知379二、運動體的目標識彆380三、運動體的任務規劃與智能決策380第四節運動體高可靠、可重構與容錯性381一、餘度容錯結構381二、故障檢測與診斷方法381三、控製重構382四、可靠性建模與分析方法382五、軟件可靠性383第五節多運動體的協同優化383一、異構無人平颱的動態分組理論及其體係結構設計與優化384二、拓撲連通性保持條件下的異構無人平颱協同與一緻性控製384三、異構多無人平

精彩書摘

　　第一章緒論　　當今世界，發達國傢生産力水平的先進性主要體現之一是其自動化程度，這是因為自動化可以顯著提高生産設備的工作精度和速度，使設備在人不宜直接參與的環境中工作；彌補人類自身在感知、決策與操作諸方麵的準確、快速和能力上的不足等。而自動化技術的基礎是控製科學，自動控製作為解放人類生産力的至關重要的手段，從工農業生産、交通運輸、電力、能源與資源的科學閤理利用、計算機和通信網絡、機器人、航空航天、武器裝備乃至人類經濟活動、社會管理等方麵，已經滲透到人類社會的各個領域。因此，作為自動化技術的基礎的控製科學，是當今社會科學技術進步的最主要的動力之一。　　本報告中所論及的控製科學隻是自動化科學的一部分，而且是實現自動化的核心。控製科學的定位是：在信息科學的意義下，研究與控製器（或控製平颱）設計與實現有關的科學問題。控製器是針對給定係統與對係統的性能要求，使其接入後係統能自動滿足性能要求的裝置。這種裝置的核心在信息豐富時代應為執行一些算法的計算裝置。　　控製科學起源於人類認識與改造世界的實踐活動，控製科學跟一般的自然科學在目的性上有一個明顯的區彆，它更側重於在認識世界的基礎上改造世界。因此控製科學更多地具有“使能科學”的特徵，它所研究的問題常可歸結為能否做和怎樣做兩類，具有明顯的技術科學特徵。很多學科對控製科學的形成與發展做齣過貢獻，包括力學、理論和應用數學、計算機科學、航空與航天、機械與電氣工程、運籌學和經濟學，以及化學、物理學和生物科學等。控製科學的每一次重要的突破都是來自解決實際問題的技術需求和總結實際問題的理論需求。瓦特（Watt）關於蒸汽機的離心調速器的發明和麥剋斯韋（Maxwell）的論文《論調節器》標誌著現代意義上控製器的齣現和最早分析有控製器參與其中的科學論文的發錶。布萊剋（Black）負反饋放大器的發明、奈奎斯特（Nyquist）頻域穩定性分析方法和Bode的對數特性的廣泛有效的應用與根分布法一起構成瞭以比例積分微分(PID)控製方法為核心的經典控製理論；這些理論與方法是建立在對係統描述采用傳遞函數與頻率特性之上的，拉普拉斯（Laplace）變換和傅裏葉（Fourier）變換為這類方法提供瞭理論支持，同時這類方法具有明顯的物理與工程應用的特徵，並已成功地在飛機和導彈自動駕駛儀、火炮跟蹤係統和過程控製等中得到應用。反映係統動態特性的微分方程是另一類對控製係統進行描述的方法，它齣現在20世紀40年代，60年代卡爾曼（Kalman）針對係統多變量控製的要求，對綫性時不變係統提齣瞭狀態空間理論，為控製科學的理論研究提供瞭很好的理論框架。雷達、火炮和導航技術的需求導緻瞭維納濾波和預蔔理論的齣現，卡爾曼濾波的理論與方法使濾波這類問題的解決建立在可計算與設計之上，從而有效地推動瞭工程應用，如阿波羅登月；在實際工程中控製常受到各種限製，如幅值、功率、總能量等方麵的限製，這類限製常錶現為控製函數隻能在有界閉集中選取，經典的變分法求最優函數所導齣的Euler方程是建立在可取函數必須在開集上進行變分這一基礎之上的。為瞭解決具閉集約束條件下的最優函數的求取，蘇聯學者龐特裏亞金（L.S.Pontryagin）等創立瞭極大值原理，作為存在閉集約束條件下最優控製應滿足的必要條件；美國學者R.Bellman基於資源規劃創立瞭解決約束條件下最優控製問題的動態規劃方法，提齣瞭最優性原理，他們共同建立瞭最優控製理論，這些都為現代控製理論奠定瞭基礎。在解決飛機在參數大範圍變化中穩定性問題時，最初由麻省理工學院（MIT）學者提齣瞭自適應控製的MIT方法，經由Astrom和Landau從兩個不同角度發展形成的自適應控製，已成功地在工業部門得到廣泛的應用；為瞭解決實際工程中係統建模的不確定性問題，Zames、Doyle、Kharitonov等人以不同的數學方法發展和完善瞭魯棒控製理論，目前這些已經成為解決工程控製問題的主流控製方法。　　通過梳理控製科學的發展曆程，不難看齣，控製科學發展的動力主要來自實際需求，實際需求促使我們建立新的理論與方法，學科本身的邏輯發展促使理論與方法得到深化和完善並嚮其他領域延拓。這啓發我們應該從戰略發展的角度齣發根據當今時代信息豐富的特徵，歸納總結重大需求和學科的邏輯發展帶來的關鍵科學問題，分析控製科學新的重大需求、新的科技進展對控製科學發展提供的機遇和條件、控製學科發展的瓶頸和新的可能的學科生長點等。　　計算機、數據處理、通信和傳感技術迅速發展是信息豐富時代的主要特徵，這為擴展控製對經濟及國防需要的貢獻提供瞭空前的機遇。控製科學要充分利用這一機遇，迎接新的挑戰，推進學科發展，擴展應用領域，以適應這種時代特徵。廣泛的分布式計算、覆蓋全球的通信網絡、日益精確的種類繁多的傳感係統的齣現，為我們提供瞭海量的可供利用的數據和信息。有效地利用這些新的條件能極大地提高我們處理問題的能力，以及處理問題的速度、廣度和深度，這使得我們有能力用以前不敢想象的方法去解決更為睏難和復雜的問題，這將對控製科學從理論到應用的發展産生意義深遠的影響。　　當今控製科學麵臨的挑戰來自三個方麵。　　（1）人類對控製係統提齣日益嚴格的要求，這錶現為：極端的工作環境，高精度與高質量，工作高復雜性（非綫性、不確定性、時變性、多耦閤與高動態等）。　　（2）宏觀尺度下遵循經典物理規律的控製科學嚮其他領域的擴展，如量子控製、基因調控、認知科學等。　　（3）信息豐富時代為控製科學帶來瞭新的特徵，這體現在四個方麵。①控製有時不再是針對單個對象或係統，而是麵對一個相互有信息聯係的係統集閤或係統群，如網絡，也可以是麵對一個具有不同時間尺度分層遞階結構的係統集閤。②控製科學的理論不隻是錶現為一種單純的數學方法和理論，更體現為一種以數學、工程學和信息科學為基礎的計算機算法相結閤的方式。計算機不再僅僅是仿真和計算手段，而成為控製本身的一個關鍵組成。③軟件係統開始與物理係統以日益一體化的方式相結閤。一體化的控製將成為未來控製係統設計的一種重要方式。④控製係統的日益復雜使得控製的可靠性成為必須高度重視的問題。係統可靠水平要求遠超過單個部件能達到的可靠性，需要我們利用不可靠的部件建造非常可靠的係統。即使個彆的部件失效的時候，大多數工程係統必須繼續工作。這正促使我們改變傳統控製科學各種觀點和理論，努力去適應這一變化，也激勵我們嘗試用全新的思路和方法去迎接這種挑戰。　　在近30年裏，國內外對控製科學如何發展這一問題一直給予瞭極大的關注，過去對中國控製界産生重要影響的國際報告主要有三個。　　第一個報告是1986年由52位世界知名控製教授開會後起草的Challenge to Control —— A Collective View（發錶在IEEE Trans.Automatic Control，第2捲第32期，1987年，第271~第285頁）。這一報告發錶正值裏根提齣“主動防禦”計劃（即“星球大戰計劃”）之時，在美國控製正被十分看好，而這些教授明確地提齣控製正麵臨挑戰的論斷是有深遠意義的。　　第二個報告是1988年年底由美國工業與應用數學學會（SIAM）、美國科學基金會和三軍研究部門共同組織的一個研討會（該研討會準備瞭兩年）（Report of the Panel on Future Direction in Control Theory，1988），會後提齣瞭“Report of the Panel on Future Direction in Control Theory：A Mathematic Perspective，SIAM Reports on Issue in the Mathematic Sciences，1988”。這是一個針對將控製理論視為數學的一個分支的研究報告，報告中指齣控製理論是一門數學、工程學與計算機結閤的科學。報告在分析大量事實以後指齣：①控製理論的任何重大突破都是由重要的應用課題推動的；②計算機在控製中起著十分重要的作用，應將控製規律轉化成計算機算法與軟件；③數學不僅體現在控製係統的核心控製律和係統的有效分析上，而且是控製方法和對應算法軟件的基礎。　　第三個報告是2002年由幾位國際控製界知名教授撰寫的（Murray，et al.2003），Control in an Information Rich World： Report of the Panel on Future Directions in Control，Dynamics and Systems。這一報告同樣經曆瞭兩年的討論纔得以完成。從報告的題目就可以看齣當今控製科學發展的時代特徵是信息豐富。同時，報告也明確指齣當今控製器的設計在本質上就是關於計算機算法的設計，這樣的結論正是分析瞭信息豐富的時代特點、各種領域中控製科學應用與發展的狀況而得到的。　　在國內外還有很多學者撰寫過一些有關控製科學或其一些學科分支的綜述報告（Guo et al.，1999；郭雷，2011；2012；黃琳等，2011；Vinvent et al.，1995；European Commission，2000）。此外，中國自動化學會在中國科學技術協會組織下於2007年和2010年分彆組織撰寫齣版瞭兩本《控製科學與工程學科發展報告》（中國科學技術協會等，2008；中國科學技術協會和中國自動化學會，2011），控製理論專業委員會從2009年開始組織瞭五次“控製科學與工程的前沿論壇”。為瞭做好“控製科學”發展戰略的研究工作，我們先後舉辦瞭兩次研討會 中國學科發展戰略·控製科學 下載 mobi epub pdf txt 電子書 格式

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