控制科技在信息丰富的世界中未来的发展方向(一）

前言 专门小组于2000年7月16日至17日在马里兰大学的College Park举行了一个会议，讨论控制领域的现状及其未来的机会。专门小组的成员参加了会议，并且邀请了学术界、工业界及政府部门的代表参加会议。在接下来的15个月中还举行了其他的会议及讨论，包括由DARPA和AFOSR主办的专题讨论会上的陈述，与政府的计划管理人员的会议，写作委员会会议。这些会议的结果，在专题讨论会与会议上在专门小组成员与团体内部结合讨论，构成了专门小组结论和建议的主要根据。 在报告的撰写期间有几个类似的报告和论文着重论述了控制的未来趋势，引起了座谈小组的注意。在2000年6月的专题讨论会上许多专门小组的成员和与会代表都参与了1988年Fleming的报告[2]和1987年IEEE学报的一篇自动控制文章[3]，二者都为过去十年及相关的延续活动提供了一张路线图。最近，欧洲委员会发起了一个关于未来控制系统[4]的专题讨论会，还有其他更集中的的焦点，专题讨论会在过去的几年中一直都在举办[5]-[8]。几篇新近的论文和报告突出了控制的成就及对控制的新的展望[10]，[11]。专门小组也广泛应用一个新近关于控制工程教育的未来方向的[6] NSF/CSS报告。 报告的大部分是在2001年9月11日这个悲惨事件之前写的，但是很明显，控制科技将在世界反恐怖活动中扮演一个很重要的角色。从对无人车辆的指挥及控制的新方法到鲁棒的网络连接业务，运输系统，能源基础设施以及对生物和化学剂的感知及探测，控制技术以及对这些东西的洞察将为保护人的生命和保卫我们的社会提供新的方法。 报告的观点与焦点 计算，通信和传感技术的迅速发展为控制领域扩展它对经济及国防需要作贡献提供了空前的机遇。报告介绍了这个被授权去考察这些机会的专门小组专家们的发现及建议。它介绍了对该领域的一个总的看法，回顾了它的成功及影响，对当前新的挑战作了描述。报告没有试图去覆盖整个领域。相反地，它的焦点集中在社会所面对的那些正在经历飞速变化和要求新的方法去迎接的挑战和机遇。 对控制的总的看法 在报告中一个控制系统是指这样一种装置，它通过计算和反馈去修改一个系统的行为。控制系统工程的根源可追溯到对图1所示的飞球调节器的工业革命。这个装置利用了一个飞球结构去感知一个蒸汽轮机的转动速度并且利用一系列的连接调节进入机器的蒸汽的流动。通过如此调节涡轮机的速度，为以蒸汽动力的工厂能够迅速推广提供了安全，可靠以及连贯的运行。 图1.（a）开发于18世纪80年代的离心调速器对点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机（b）的成功实现起了关键作用。（图片由Richard Adamek (1999年版权)和剑桥大学提供。） 控制在发展中扮演着一个根本性的角色。电力、通信、运输和制造业等技术。例子包括军用和商用飞机的自动驾驶仪（图2（a）），电力网的调节与控制，硬盘驱动器的读/写头的高精度定位（图2（a））。反馈是一种可以在各种应用领域中实现的技术，并且已经在不同的地方被多次重新发明并取得专利权。 图2.控制的应用：（a）具有能遥控的自动驾驶仪的波音777飞机和（b）希捷梭鱼（Barracuda）36ES2磁盘驱动器。（图片由波音公司和希捷科技提供。） 从控制的现代观点来看对于不确定管理来讲反馈被看作一种工具。通过对一个系统的运转的测量，把测量值与基准值对比，并且调整可得到的控制变量，我们能够促使系统做出正确的反应即使它的动态反应未被确实知道或者是外部的干扰倾向于使它做出不正确的反应。自从他因为它们必须在存在干扰的条件中可靠及有效运行。这是一个工程系统的本质的特征。正是控制的这个方面作为在不确定条件下保证鲁棒性的一种手段解释了为什么反馈控制系统在现代科技世界里总是在我们的周围。他们体现在我们的家庭，汽车，家用电器；体现在我们的工厂和通信系统；也体现在我们的运输，军事，及空间系统上。 控制的应用是非常广泛的并且包含在许多不同应用中。这些包括机电系统的控制，即计算机控制的传动装置和传感器调节系统的行为；电子系统的控制，即反馈是用于对部件变化的补偿及提供可靠的、可重复的性能；信息与决策系统的控制，即基于对未来需要的评估对有限的资源的动态的分配。控制原理也能够在以下领域中被发现，如生物学，医学及经济学，曾经出现过反馈机制的领域。控制在工程系统中也日益变成一个关键性的任务功能：如果控制系统不能工作整个体系都将失灵。 很多学科对控制领域做出过贡献，包括纯理论和应用数学；航天，化学，机械，及电工工程；运筹学和经济学；以及物理和生物科学。与这些不同领域的交互作用是控制领域的历史和动力的一个重要部分。 成就及影响 在过去的40多年中，模拟和数字电子学的出现已经使得控制技术远远超过它的最初应用范围，并且已经在很多应用过程中使它成为一项可行的技术。来自过去对控制的投入的显著成就有： 适合于空间飞行器的制导和控制系统，包括商用飞机、导弹、先进的战斗机，运载火箭和人造卫星；这些控制系统提供了在大的环境情况下和系统不确定的情况下稳定的跟踪。 制造业中的控制系统，从汽车到集成电路；计算机控制的机器提供高质量、高成品率要求的部件和产品的精确的定位和装配. 工业过程控制系统，尤其在碳氢化合物和化学加工工业方面；这些系统通过监控数以千计传感器信号，并对数以百计的阀门、加热器、泵及其它的传动装置做出相应的调节，以保持高的产品质量。 通信系统的控制，包括电话系统、移动电话、及互联网；控制系统调节在发射机与中继器中的信号功率电平，管理（操纵）网络邮件路由设备的信息包缓冲器，并且提供适合的噪声消除，对传输线特性的变化作出反应。 这些应用已经对现代社会的生产力产生了巨大的影响。 除了它在工程应用方面的影响外，控制也已作了重大的智力的贡献。控制理论家和工程师已经做出对数学的严密使用及贡献，对反馈系统的设计发展的需要促进或技术改进有推动作用。他们是“系统远景” 的始终如一的倡导者，并且已经为建模，分析，设计和测试发展了可靠的技术，使非常复杂的工程系统的多样变化在今天的使用中能够发展和执行。此外，对于接纳这个系统远景以及希望掌握他需要的这套实际的知识和技能人们来说控制界一直是一个主要的来源和训练场地。 未来的机会与挑战 当我们向前看时，对于建立在控制的进展之上的一些新应用引人注目地发展。无所不在的分布式计算、通讯和传感系统的出现，已经在创造一种环境，在这种环境中，我们取存海量的数据，有能力用20年前不敢想像的方法去处理和传送这些数据[12]。这将对军事的、商业的、及科学的应用有意义深远的影响，特别是当软件系统开始与物理系统以日益一体化的方式相结合时更是这样。图3举例说明这些趋势已经明显的两个系统。控制将是一种建造这样的互连系统的越来越必要的要素，在不确定的情况下提供高性能，高置信度，及再组合的操作。 图3。现代网络系统：（a）加利福尼亚能源网络和（b）NSFNET国际互联网络中枢。（图片由加州和国家超级计算机应用中心（NCSA）及Robert Patterson提供。） 在所有这些领域中的一个共同特征是系统水平要求远超过单个部件能达到的可靠性。这也正是控制（最广义的）所扮演的一个重要的角色，因为它允许系统在基于感知它的当前状态的修正其动作以保证达到其目标。对该领域的挑战是从传统观点把控制系统看作一个单一的控制器单一的过程到承认控制系统，有着错综复杂的相互联系和相互作用物理和信息系统的不同成份的集合。 除了花费不多的和无处不在的计算、通信、和感知外（并且使以信息为基础的系统的任务角色相应的增强），在控制中的一个重要趋势是从低水平的控制向决策的更高水平的移动。这包括飞行系统增强自主权（完成无人操纵的必由之路），局部反馈回路与整个企业的调度、资源分配系统的结合，把控制的这些好处延伸到非传统系统便提供了改进效率、生产率、安全性、可靠性的数不清的机会。 控制是国防系统中的一项关键的技术，并且在对恐怖主义和非对称的威胁斗争过程中越来越重要。控制允许对自治和半自治的无人操作系统的操作以使人避开对其有危害的情况，也使复杂的指挥和控制系统能够成为鲁棒的可重构的决策系统。在微型系统和传感器网络中的控制的使用将改进我们在其引起损害之前检测出威胁的能力。在通讯系统中反馈的新运用将为在动态的，不确定，和对抗性的环境里的操作提供可靠的，灵活的及安全的网络。 要实现在这些新兴的应用中的潜能，就必须发展新的方法和途径。在该领域目前面临的挑战中，有几个例子可以对前面的难点的深入见解。 对符号和连续动力学两者兼具的系统的控制。下一代系统将把逻辑操作（如符号的推理和决策）与连续量（如电压，位置和集中性）结合起来。当今的理论对这样的系统，特别是我们大型系统测量没被处理调谐得很好。 分布式的、异步的、网络环境中的控制。遍布于多个计算元的控制，通过基于信息包的通讯相互连接，为保证稳定性，效能及鲁棒性将要求新的形式。在执行控制操作中不能忽视计算和通讯约束的应用中尤为如此。 高级协调和自治。日益的，反馈正在越来越多地设计到企业的决策系统中，这包括提供一系列管理与后勤、领空管理与空中交通管制，以及军事指挥与控制(C2)系统。鲁棒控制系<