吉林大学：《信息爆炸时代的控制》讲义

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 陈虹马彦翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号,长春130025,中国 email:chenh@jlu.edu.cn

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 陈虹 马彦 翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号, 长春130025, 中国 email: chenh@jlu.edu.cn

信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 2002年6月30日 陈虹马彦翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号,长春130025,中国. Email: chen@ jlu. edu.cr 摘要 控制领域提供了设计物理系统和信息系统的原理和方法,使这些系统可 以自动地适应环境的变化以保持期望的性能。在过去的40年里,随着相关理 论和数学方面取得的突破性进展,以及传感技术和计算技术的改善,控制领 域已经取得了巨大进展。如今,控制系统在许多领域起着重要的作用,如制 造业、电子、通讯、运输、计算机和网络,以及许多军事系统等。 进入21世纪,控制原理和方法的应用机遇快速增长。计算、通信和传感 器等价格日渐低廉并且无所不在,拥有嵌入式处理器、传感器和网络硬件的 设备越来越多。这使开发具有一定智能和高性能的机器成为可能,将大大影 响我们生活的每一方面,不但包括各种生活必需品,而且包括我们生存的环 境 在信息日益丰富的今天,新的发展将要求控制学科有重大的扩充。例如, 涉及因特网操作、半自主的指挥与控制系统、企业级供给链管理等控制系统 的复杂性已经达到了现有方法的处理能力极限。未来控制在航空航天和运 输、信息和网络、机器人和智能机器、生物和制药、材料和加工等领域的应 用将产生复杂性远远超出当前水平的系统,在这些领域取得进展需要新的研 究 这篇报告主要阐述了控制领域当前和未来技术发展环境的一些概观,描述 了未来十年中控制在军事、商业和科学应用中的地位,也为由于控制应用而 带来的工程和技术的新突破提供了建议

iii 信息爆炸时代的控制 关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告 2002年6月30日 陈虹 马彦 翻译 吉林大学控制科学与工程系 人民大街142号, 长春130025, 中国. Email: chenh@jlu.edu.cn 摘要 控制领域提供了设计物理系统和信息系统的原理和方法，使这些系统可 以自动地适应环境的变化以保持期望的性能。在过去的40 年里，随着相关理 论和数学方面取得的突破性进展，以及传感技术和计算技术的改善，控制领 域已经取得了巨大进展。如今，控制系统在许多领域起着重要的作用，如制 造业、电子、通讯、运输、计算机和网络，以及许多军事系统等。 进入21 世纪，控制原理和方法的应用机遇快速增长。计算、通信和传感 器等价格日渐低廉并且无所不在，拥有嵌入式处理器、传感器和网络硬件的 设备越来越多。这使开发具有一定智能和高性能的机器成为可能，将大大影 响我们生活的每一方面，不但包括各种生活必需品，而且包括我们生存的环 境。 在信息日益丰富的今天，新的发展将要求控制学科有重大的扩充。例如， 涉及因特网操作、半自主的指挥与控制系统、企业级供给链管理等控制系统 的复杂性已经达到了现有方法的处理能力极限。未来控制在航空航天和运 输、信息和网络、机器人和智能机器、生物和制药、材料和加工等领域的应 用将产生复杂性远远超出当前水平的系统，在这些领域取得进展需要新的研 究。 这篇报告主要阐述了控制领域当前和未来技术发展环境的一些概观，描述 了未来十年中控制在军事、商业和科学应用中的地位，也为由于控制应用而 带来的工程和技术的新突破提供了建议

小组成员名单 Richard 1. Murray(主席) Calefornia Institute of Technology Karl Astrom Pramod p Khargonekar Lund Institute of Technology University of Florida Stephen P. Boyd P. R. Kumar Stanford University University of linois Siva s. banda P.S. Krishnaprasad Air Force Research Laborat ory University of Maryland Roger W Log Harvard University Massachusetts Institute of Technology Jerrold E. Marsden Virginia tech California Institute of Technology Munzer a. dahleh George Meyer Massachusetts Institute of Technology NASA Ames Research Center California Institute of Technology Ford Mot or Company John Guckenheimer Gunter Stein Cornell University Honeywell International Charles j. holland Pravin varaiya Department of Defense University of California, Berkeley 其它成员 Richard Albaness, Jim Battersssson, Richard Braatz, Dennis Bernst ein, Joel Bur dick, Raffaello D'Andrea, Michael Dickinson, Frank Doyle, Martha Gallivan, Jonathan How. Marc jacobs. Jared Leadbetter. esse Leitner. Steven Low. Hideo Mabuchi. D anne Newm an, Shankar Sastry, John Seinfeld, Eduardo Sontag, Anna Stefanop oulou len Tannenvaum, Claire Tomlin, Kevin Wise

iv 小组成员名单 Richard M. Murray (主席) Calefornia Institute of Technology Karl J. Åström Pramod P. Khargonekar Lund Institute of Technology University of Florida Stephen P. Boyd P.R. Kumar Stanford University University of Illinois Siva S. Banda P.S. Krishnaprasad Air Force Research Laboratory University of Maryland Roger W. Brockett Greg J. McRae Harvard University Massachusetts Institute of Technology John A. Burns Jerrold E. Marsden Virginia Tech California Institute of Technology Munzer A. Dahleh George Meyer Massachusetts Institute of Technology NASA Ames Research Center John C. Doyle William F. Powers California Institute of Technology Ford Motor Company John Guckenheimer Gunter Stein Cornell University Honeywell International Charles J. Holland Pravin Varaiya Department of Defense University of California, Berkeley 其它成员 Richard Albaness, Jim Battersssson, Richard Braatz, Dennis Bernstein, Joel Bur￾dick, Raaello D'Andrea, Michael Dickinson, Frank Doyle, Martha Gallivan, Jonathan How, Marc Jacobs,Jared Leadbetter, Jesse Leitner, Steven Low, Hideo Mabuchi, Di￾anne Newman, Shankar Sastry, John Seinfeld, Eduardo Sontag, Anna Stefanopoulou, Allen Tannenvaum, Claire Tomlin, Kevin Wise

目录 序言 1概要 i17 2领域纵览 2.1什么是控制 22控制系统示例 12 23基于信息系统的作用不断增加 2.4领域面临的机遇与挑战 19 3应用、机遇和挑战 31航空航天和运输 26 32信息和网络 33机器人和智能机器 34生物和医药 50 35材料和加工 56 36其它应用 4教育及其外延 41控制教育的新环境 使控制更易理解 4.3拓宽控制教育 44在K-12数学和科学教育中的机遇 45其他机遇与趋势 74 5建议 5.1控制、计算和通信的集成 52复杂决策系统的控制

v 目录 序言 vii 1 概要 1 2 领域纵览 7 2.1 什么是控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 控制系统示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 基于信息系统的作用不断增加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 领域面临的机遇与挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 应用、机遇和挑战 25 3.1 航空航天和运输 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 信息和网络 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 机器人和智能机器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4 生物和医药 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 材料和加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 其它应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 教育及其外延 69 4.1 控制教育的新环境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2 使控制更易理解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 拓宽控制教育 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4 在K-12数学和科学教育中的机遇 . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5 其他机遇与趋势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 建议 79 5.1 控制、计算和通信的集成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2 复杂决策系统的控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

目 53高风险、远程控制应用 54支持理论研究和与数学的交互作用 55教育新方法及外延 56结束语 录88888 ANSF/CSS关于控制工程教育的未来方向的专题讨论会 参考文献

vi 目录 5.3 高风险、远程控制应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4 支持理论研究和与数学的交互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.5 教育新方法及外延 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 结束语 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 A NSF/CSS 关于控制工程教育的未来方向的专题讨论会 85 参考文献 89

序言 这篇报告记录了关于控制、动力学和系统的未来发展方向专家小组的调 查研究结果和建议。该委员会成立于2000年4月,最初是由 AFOSR( Air force Office of scientific research)发起,目的是为控制领域未来发展所面临的机遇 和挑战提供新的视角,为政府机构、学校和科研组织提出一些建议,以推动 工业和国防等重要领域的进一步发展。报告为控制研究指明了发展方向,强 调了控制在国家利益方面的重要性,指出了那些将保持控制领域活力的关键 趋势。 Richard murray教授 Caltech)任该小组主席,委员会成员有Roge ett教授( Harvard), John burns教授(PI), John doyle教授( altech)和 Gunter Stein博士( Honeywell)。其余小组成员还有 Karl astrom( Lund institute of Technology), Siva Banda(Air Force Research Lab), Stephen Boyd(Stanford) Munxrt Dahleh (MIt), John Guckenheimer(Cornell), Charles Holland (dDr&e) Pramod Khargonekar (University of Florida), P.R. Kumar(University of Il nois), P.S. Krishnsprasad (University of Mary land), Greg McRae (MIT), Jerrold Marsden(Caltech), George Meyer(NASA), William Powers(Ford)* Pravin Saraiva( UC Berkeley).起草委员会由 Karl astrom, Stephen Boyd, Roger Brockett, John Doyle, Richard murray和 Gunter stein组成 该小组于2000年7月16、17两天在马里兰( Maryland)大学举行了会 议,会议讨论了控制领域的现状和未来趋势。该小组成员参加了此次会议 还邀请了学术界、工业界和政府机关等各界人士。在接下来的十五个月里, 陆续召开了许多会议并进行了讨论,包括由 DARPA和 AFOSR主办的专题 讨论会、政府计划管理人员的会议、起草委员会会议等。综合这些会议讨论 结果,以及该小组成员之间和各方团体的讨论,构成了小组研究成果和建议 的主体。 该小组的研究成果见如下网页 http://www.cds.caltech.edu/murray/cdspanel

vii 序言 这篇报告记录了关于控制、动力学和系统的未来发展方向专家小组的调 查研究结果和建议。该委员会成立于2000年4月，最初是由AFOSR (Air Force Oce of Scientic Research) 发起，目的是为控制领域未来发展所面临的机遇 和挑战提供新的视角，为政府机构、学校和科研组织提出一些建议，以推动 工业和国防等重要领域的进一步发展。报告为控制研究指明了发展方向，强 调了控制在国家利益方面的重要性，指出了那些将保持控制领域活力的关键 趋势。 Richard Murray 教授(Caltech) 任该小组主席，委员会成员有Roger Brock￾ett 教授(Harvard), John Burns 教授(VPI), John Doyle 教授(Caltech) 和Gunter Stein 博士(Honeywell)。其余小组成员还有Karl Åström (Lund Institute of Technology), Siva Banda (Air Force Research Lab), Stephen Boyd (Stanford), Munxrt Dahleh (MIT), John Guckenheimer (Cornell), Charles Holland (DDR&E), Pramod Khargonekar (University of Florida), P.R. Kumar (University of Illi￾nois), P.S. Krishnsprasad (University of Maryland), Greg McRae (MIT), Jerrold Marsden (Caltech), George Meyer (NASA), William Powers (Ford) 和Pravin Varaiya (UC Berkeley). 起草委员会由Karl Åström, Stephen Boyd, Roger Brockett, John Doyle, Richard Murray 和Gunter Stein 组成。 该小组于 2000 年 7 月 16、17 两天在马里兰（Maryland）大学举行了会 议，会议讨论了控制领域的现状和未来趋势。该小组成员参加了此次会议， 还邀请了学术界、工业界和政府机关等各界人士。在接下来的十五个月里， 陆续召开了许多会议并进行了讨论，包括由 DARPA 和 AFOSR 主办的专题 讨论会、政府计划管理人员的会议、起草委员会会议等。综合这些会议讨论 结果，以及该小组成员之间和各方团体的讨论，构成了小组研究成果和建议 的主体。 该小组的研究成果见如下网页： http://www.cds.caltech.edu/ murray/cdspanel/

报告的副本、其它相关的信息源、小组会议及其它会议的材料都能在该网页 上找到。 在本报告形成期间,几个关于控制领域未来发展的报告和论文引起了专家 小组的注意。大部分小组成员和2000年6月专题讨论会的与会者都参与撰 写了1988年 Fleming报告[15和1987年 IEEE Transactions on aut omatic Control的文章[2习。这两个报告为控制领域近十年的发展指明了方向,并将 继续起作用。随后,欧洲委员会就未来控制系统的发展发起了一个专题讨论 会[14,近几年来,又陆续举行了几个更专业的专题讨论会[1,2,3,34。最 近的几篇文章和报告强调了控制领域的成就|35],并展望其未来[1,23。小 组也广泛地利用了新近的NSF/CSS关于控制工程教育的未来发展方向的报 告[,本报告的第四章部分采用了它 虽然本报告的大部分完成于2001年9月11日灾难之前,但控制学科必 将在世界反恐斗争中扮演更重要的角色。从无人驾驶车辆的指挥与控制新技 术,到连接商业、交通系统和能源基础设施的鲁棒网络,再到生物和化学的 检测和传感技术的改善,控制技术将提供更新的方法以确保人身安全和保护 我们的社会。 小组感谢控制社团对本报告的支持和提供的研究成果、评论和讨论,这些 帮助小组完成了本报告的框架和内容。这里,特别感谢 Marc Q. jAcobs博士 为小组的成立和使该项目通过 AFOSR所做的努力 Richard M. Murry Pasadena 2002,06

viii 报告的副本、其它相关的信息源、小组会议及其它会议的材料都能在该网页 上找到。 在本报告形成期间，几个关于控制领域未来发展的报告和论文引起了专家 小组的注意。大部分小组成员和 2000 年 6 月专题讨论会的与会者都参与撰 写了 1988 年 Fleming 报告 [15] 和 1987 年 IEEE Transactions on Automatic Control 的文章 [25]。这两个报告为控制领域近十年的发展指明了方向，并将 继续起作用。随后，欧洲委员会就未来控制系统的发展发起了一个专题讨论 会 [14]，近几年来，又陆续举行了几个更专业的专题讨论会 [1, 2, 33, 34]。最 近的几篇文章和报告强调了控制领域的成就 [35]，并展望其未来 [11, 23]。小 组也广泛地利用了新近的 NSF/CSS 关于控制工程教育的未来发展方向的报 告 [1]，本报告的第四章部分采用了它。 虽然本报告的大部分完成于 2001 年 9 月 11 日灾难之前，但控制学科必 将在世界反恐斗争中扮演更重要的角色。从无人驾驶车辆的指挥与控制新技 术，到连接商业、交通系统和能源基础设施的鲁棒网络，再到生物和化学的 检测和传感技术的改善，控制技术将提供更新的方法以确保人身安全和保护 我们的社会。 小组感谢控制社团对本报告的支持和提供的研究成果、评论和讨论，这些 帮助小组完成了本报告的框架和内容。这里，特别感谢 Marc Q. Jacobs 博士 为小组的成立和使该项目通过 AFOSR 所做的努力。 Richard M. Murry Pasadena 2002.06

第1章 概要 计算机、通讯和传感器技术的高速发展为控制领域的扩展提供了空前的 机遇,使得控制学科能更广泛地服务于经济和国防需求。本报告介绍了专家 小组对这些机遇的研究结果和建议,概括介绍了该领域,回顾了该领域的成 就和影响,同时阐述了该领域将遇到的新挑战。本报告并不试图论及整个领 域,相反,将主要集中在那些快速变化和需要新方法以迎接新挑战和新机遇 的方面。 控制纵览 本报告所定义的控制是指在工程系统中所用的算法和反馈。简单地讲, 个控制系统是一种设备,它利用测量值通过计算和执行机构来修正系统的 动态。控制系统工程的起源可以追溯到工业革命时代,如图1.1所示的离心调 速器。这个设备使用飞球测速器来测量蒸汽机的旋转速度,并且通过一系列 的连杄调节进入该设备的蒸汽流量。通过调节蒸汽机的速度,提供安全、可 靠、连续的操作,促使以蒸汽为动力的工厂迅速普及。 在技术发展过程中,如能源技术、通讯技术、运输和制造业等领域, 控制是最基本的部分。这方面的例子如:军用和商用飞机的自动驾驶仪 图1a),电力网的调节和控制,以及磁盘驱动器读/写磁头的高精确定 位(图12b)。在许多应用领域中,反馈是一种使能技术( enabling technol ogy),并在不同领域中,被多次赋予新的形式 现代控制把反馈看作是处理不确定性的工具。即使不知道系统准确的动态 响应或者外部干扰使系统产生错误响应,通过测量系统的输出,与参考量相 比较,调整可用的控制变量,人们就能够使系统有正确的响应。这是工程系 统的一个基本特性,因为工程系统必须在各种条件下可靠和高效地运行。控

1 第 1 章 概要 计算机、通讯和传感器技术的高速发展为控制领域的扩展提供了空前的 机遇，使得控制学科能更广泛地服务于经济和国防需求。本报告介绍了专家 小组对这些机遇的研究结果和建议，概括介绍了该领域，回顾了该领域的成 就和影响，同时阐述了该领域将遇到的新挑战。本报告并不试图论及整个领 域，相反，将主要集中在那些快速变化和需要新方法以迎接新挑战和新机遇 的方面。 控制纵览 本报告所定义的控制是指在工程系统中所用的算法和反馈。简单地讲， 一个控制系统是一种设备，它利用测量值通过计算和执行机构来修正系统的 动态。控制系统工程的起源可以追溯到工业革命时代，如图 1.1所示的离心调 速器。这个设备使用飞球测速器来测量蒸汽机的旋转速度，并且通过一系列 的连杆调节进入该设备的蒸汽流量。通过调节蒸汽机的速度，提供安全、可 靠、连续的操作，促使以蒸汽为动力的工厂迅速普及。 在技术发展过程中，如能源技术、通讯技术、运输和制造业等领域， 控制是最基本的部分。这方面的例子如：军用和商用飞机的自动驾驶仪 （图1.2a），电力网的调节和控制，以及磁盘驱动器读/写磁头的高精确定 位（图1.2b）。在许多应用领域中，反馈是一种使能技术(enabling technol￾ogy)，并在不同领域中，被多次赋予新的形式。 现代控制把反馈看作是处理不确定性的工具。即使不知道系统准确的动态 响应或者外部干扰使系统产生错误响应，通过测量系统的输出，与参考量相 比较，调整可用的控制变量，人们就能够使系统有正确的响应。这是工程系 统的一个基本特性，因为工程系统必须在各种条件下可靠和高效地运行。控

概要 图11:17世纪80年代制造的离心调速器(a)使导致工业革命的瓦特蒸汽机(b) 的出现成为可能 图1.2:控制的应用:(a)波音77线传操控( y by wire)客机和(b) Seagate Barracuda36ES2磁盘驱动器 制作为一种手段保证系统存在不确定性时的鲁棒性,这一点正好解释了为什 么在现代技术社会里反馈控制系统充斥在人们的周围。反馈控制系统存在于 家庭、汽车和家用电器中,存在于工厂和通讯系统中,存在于运输系统、军 事装备及太空系统中 控制的应用是相当广泛的,并涉及大量不同领域的应用。这包括机电系统 的控制,其中利用计算机控制的执行器和传感器调节系统的动态;电子系统 的控制,其中利用反馈来补偿元件或参数变化,以保证可靠的、可重复的特 性;信息和决策系统的控制,其中根据对未来需求的估计完成有限资源的动 态分配。在诸如生物、医药和经济学等领域也能发现控制规律的应用,其中 随处可见反馈机制。在工程系统中,控制也越来越重要:如果控制系统不工 作了,则整个系统将不再工作

2 概要 (a) (b) 图 1.1: 17世纪80年代制造的离心调速器(a) 使导致工业革命的瓦特蒸汽机(b) 的出现成为可能。 (a) (b) 图 1.2: 控制的应用：(a) 波音777 线传操控(y by wire) 客机和(b) Seagate Barracuda 36ES2 磁盘驱动器 制作为一种手段保证系统存在不确定性时的鲁棒性，这一点正好解释了为什 么在现代技术社会里反馈控制系统充斥在人们的周围。反馈控制系统存在于 家庭、汽车和家用电器中，存在于工厂和通讯系统中，存在于运输系统、军 事装备及太空系统中。 控制的应用是相当广泛的，并涉及大量不同领域的应用。这包括机电系统 的控制，其中利用计算机控制的执行器和传感器调节系统的动态；电子系统 的控制，其中利用反馈来补偿元件或参数变化，以保证可靠的、可重复的特 性；信息和决策系统的控制，其中根据对未来需求的估计完成有限资源的动 态分配。在诸如生物、医药和经济学等领域也能发现控制规律的应用，其中 随处可见反馈机制。在工程系统中，控制也越来越重要：如果控制系统不工 作了，则整个系统将不再工作