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第一部分

摘要：

计算、通信和传感技术的快速进步给控制领域提供了前所未有的机会, 以适应国家的经济和国防需求从而扩大它的贡献。这份报告提出了一个专家小组特许检查的发现和建议。我们的报告包含控制的概述,成功和影响,并描述了它的新的挑战。我们不要试图覆盖整个领域。相反,我们关注的这些地区正在经历最快速变化，所以要求使用新的方法来满足社会面临的挑战和机遇。

控制的概述

本报告中控制定义指的是使用算法和反馈工程系统。最简单的方面,控制系统是一个用来通过计算和修改一个系统行为驱动的设备。控制系统工程的历史可以追溯到工业革命,离心调速器等设备,如图1.1所示。这个设备使用一个飞球机制,汽机的轮转速和调整蒸汽流入机器使用一系列的联系。因此通过调节涡轮的速度,它提供了安全、可靠、一致的操作需要使蒸汽动力工厂的迅速蔓延。

控制在技术的发展中扮演了至关重要的部分，比如电力，通讯，交通和制造。例子包括自动驾驶仪在军用和商用飞机（图 1.2A），调节和控制电力网，并在磁盘的读/写磁头定位精度高驱动器（图1.2B）。反馈是在各种应用领域的使能技术，已被彻底改造，并在不同环境下获得专利很多次。

图1.1，离心调速（一），在18世纪80年代开发的，是一个

成功的瓦特蒸汽机的推动者（二），这推动了工业革命。剑桥大学图提供者。

控制的现代观点认为反馈作为不确定性管理的工具。通过测量系统的操作，与参照相比较，调节可用的控制变量，我们可以使系统正确响应，即使其动态行为是不完全已知的，或者外部干扰导致它错误地响应。这是在工程系统中一个重要的特征，因为它们必须在各种条件下进行可靠和有效地操作。这个方面恰恰正是控制对于不确定性为了确保稳健性的一种手段，解释了在现代科技，世界为什么反馈控制系统都在我们身边。他们在我们的家、汽车和消费类电子产品里，在我们的工厂和通讯系统中，在我们的交通运输、军事和航天系统中。

控件的使用极其广泛，包括了许多不同应用程序。这些包括机电系统控制，计算机控制的执行器和传感器调节系统的行为；电子系统控制，反将被用来补偿元件或参数的变化，提供可靠的、

可重复的性能；信息和决策系统控制，基于未来需求的估计将有限的资源动态分配。控制原理也可以这些领域找到，例如生物学、医学、经济学，那里的反馈机制是永远存在的。随着时代的发展，控制在工程系统中也是关键型的任务功能：如果控制系统不能正常工作，系统将会失败。

对控制领域做出贡献的来自许多学科，包括纯数学和应用数学、航天、化工、机械和电气工程；运营研究和经济学，以及物理和生物科学。这些不同领域的互动是历史的一个重要组成部分和领域里的一种力量。

成就和影响

在过去的40年里，模拟和数字电子产品的出现，使控制技术远远传播超出了它最初的应用，并且使得它在许多应用中取得了使能技术。从过去的控制投资可见成果包括：

图1.2，控制的应用：（一）波音777飞行线控飞机

及（b）希捷Barracuda36ES2磁盘驱动器。照片提供者的波音公司与希捷科技。

●用于制造航天飞行器制导和控制系统，包括商业飞机、导弹、先进的战斗机、运载火

箭和卫星。这些控制系统提供稳定性，在大环境和系统的不确定性的情况下发出跟踪。

●制造业的控制系统，从汽车到集成电路。电脑控制的机器提供精确定位和装配所需的

高品质、高产量构成的制造和产品。

●工业过程控制系统，尤其是在烃和化学加工等行业。数百阀门，加热器，泵和其它执

行机构，为了保持产品的高品质，成千上万的传感器信号用来监视，并做出相应的调整。

●通信系统，包括电话系统，控制细胞电话和互联网。控制系统在发射器和中继器中调

节信号功率电平，管理数据包缓冲区的网络路由设备，并提供自适应噪声消除功能，以

应对不同传输线路特性。

这些应用都对现代社会的生产力产生巨大的影响。

除了其在工程应用中的影响，控制也取得了显著的智力贡献。由于需要制定激励可证明正确的技术反馈系统的设计，控制理论与工程师们严格的使用和对数学的贡献。他们一直是一致倡导“系统透视，”并制定可靠的技术进行建模、分析、设计和测试，设计和实施目前使用的各种非常复杂的工程系统。此外，对于接受这个系统的角度，希望掌握它涉及的大量集中的知识和技能的人来说，控制社会是一个主要来源和训练场地。

图1.3，现代网络系统：（一）美国加州电网和

（二）NSFNET互联网骨干网。图提供者加利福尼亚州和

国家中心的超级计算机应用程序（NCSA）。

未来的机遇和挑战

当我们展望未来，在控制急剧扩大的背景下，新应用的机遇将建立在控制的进步上。普遍存在、分布式计算，通信和传感系统的出现已经开始创造我们有机会获得大量数据和无法被想象20年前的方式处理和传达数据的能力的环境。这将对军事，商业和科学应用产生深远的影响，尤其是作为软件系统开始与集成度越来越高的物理系统联系起来。图1.3说明了两个系统中这些趋势已经明显。控制将是构建这样相互关联的一个越来越重要的元素。系统能够提供高性能，高可信度和可重配置操作中的不确定性因素依然存在。

在所有这些领域中，一个共同特点是，系统层面的需求远超过单个组分的可实现的可靠性。

这正是控制（在其最一般的意义上）发挥的主要作用，因为它允许系统这样操作以确保它是在检测当前状态的基础上通过校正它的动作实现其目标的。这个领域所面临的挑战是来自控制系统的传统观点，例如单个控制器的单一程序，为了确认控制系统作为一个物理与信息系统异类集合，具有复杂的相互联系和相互作用。

控制是防御系统的关键技术。在打击恐怖主义和非对称威胁的斗争日益重要。控制允许的自主操作和半自主无人系统困难而危险，还有先进的指挥和控制系统能够提供可靠的，可重构的决策系统。微控件和senosr网的使用将提高我们检测威胁的能力，在他们会损坏之前。反馈通信系统的新用途将提供可靠，灵活，安全的网络操作在动态的、不确定的、敌对的环境中。

为了实现控制的潜力施加到这些新兴的应用，必须制定新的方法和途径。其中目前的领域面临许多挑战，下面举几个例子预测未来的困难：

●符号和连续的动态控制系统。下一代系统将结合逻辑运算（如符号推理和决策）与连续

（如电压，位置，浓度）。目前的理论没有得到很好的处理，以应付此类系统，尤其是

我们扩展到非常大的系统。

●控制在分布式的，异步的，网络环境。分布式控制跨越多个计算单元，通过packetbased

互联通信，它将需要新的形式，以确保稳定性，性能和鲁棒性。这在应用中是特别真实

的，例如不能忽视在执行制操作计算和通讯方面的限制。

●高一级的协调和自主性。越来越多的反馈被设计成整个企业的决策系统，包括供应链管

理和物流，空域管理和空中交通管制，和C4ISRsystems。过去几十年的分析和设计坚

固的进步