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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