自动控制发展中的若干问题
吴宏鑫
2004.4
2
报告内容
1,自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学
2,自动控制研究的内容及各部分的关系
3,在实际工程应用和科学研究中发展自动控制
4,航天控制的发展方向
5,团结协作为自动控制的发展做出贡献
3
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.1 从简单设备、单性能要求的控制到复杂的、多
目标高性能控制。
例如：从一台机器、一个温箱等简单控制和单目
标低性能到机器人控制、大型工业过程控制、电
网控制、特别是复杂航天器姿轨控、载人飞船返
回再入控制和登月控制。
4
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.2 控制领域不断扩大
从工业控制已进入到生物控制、医学、
环境控制、社会经济、人口控制等各个领
域。
5
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.3 控制理论的发展
控制理论的发展已经从简单的调节原理发
展到控制工程论、生物控制论、经济控制论、
社会控制论等现代控制理论。目前正在向着
智能控制理论的发展。
6
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.4 涉及到的学科
物理、化学、数学、计算机、人工智能、
信息论、生命科学以及社会科学。
7
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
自动控制的研究内容大体可分为三大类
2.1 理论研究
1）基础理论：反馈理论、微积分方程
2）应用基础理论：能控能观、李亚普诺夫稳定性。
各个领域的控制理论以及各种控制用数学工具，
如拉氏变换、黎卡迪方程
8
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.2 技术实现
1）各种控制方法的研究
如,PID控制、二次型最优控制、自适应控
制以及目前出现的各种智能控制方法（模糊
控制、专家系统、神经网络等）
9
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2）系统实现研究
? 系统方案设计包括：建模、性能指标、控
制律设计
? 系统组成包括：系统软硬件配置设计、各
种配套的敏感器和执行器的研制与选择
3）各种运行故障处理的研究
10
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.3 工程应用
针对各种具体的控制系统进行设计、加工、
软件编制、调试、测试等，最终实现控制目
标以及运行过程中的维护、维修。
11
2,自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.4 系统集成的各个部分都具有不可替代的独特作
用
? 自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防建
设中起作用，需要上述各部分有机的、统一的工作。
? 各部分的发展有互相推动的作用，从自动控制发展
的历史中可以看出，应用推动技术，技术推动理论，
理论又反过来促使技术的发展和指导实际应用。
12
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.1 自动控制发展的两条途径
1） 应用 —— 技术 —— 理论 —— 应用
2）理论 —— 技术 —— 应用
控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生于生产实
践和科学试验。
控制理论形成：把自动控制中的普遍规律抽象出来；其
它科学的发展如数学、力学、物理学等。
13
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.2 从控制理论形成的历史看自动控制的发展
几千年来，我国人民在自动控制技术方面有过卓越的贡献。
早在两千年前，我国就发明了开环自动调节系统 —— 指南针，
北宋（公元 1086-1089年）我国又发明了闭环自动调节系统 —
— 水运仪象台。大约经过七百年以后，在英国和俄国等国家，
开始将自动控制技术应用到近代工业中。此后随着近代工业
技术的发展，自动控制技术也获得了突飞猛进的发展。
14
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
1788年瓦特发明蒸汽机的离心调速器。
1868年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制
理论最早的论文“论调节器”。
1892年俄国 Lyapunov的博士论文“论运动稳定性的一般
问题”，提出了 Lyapunov的稳定理论,20世纪 10年代提
出了 PID控制律。
15
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
20世纪 40年代是系统与控制思想空前活跃的年代,1945年贝
塔朗菲的《关于一般系统论》,1948年维纳的《控制论》。
1954年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同样著名的
《工程控制论》一书，主要面向工程应用。
20世纪 50-60年代，人类开始征服太空,1957年苏联发射第一
颗人造地球卫星,1969年美国阿波罗载人飞船成功登上月球。
在这些举世瞩目的成功中，自动控制起着不可磨灭的作用。
产生了“现代控制理论”（动态规划、极大值原理、状态空
间法、最优控制理论）。
16
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.3 需求与推动
3.3.1 重大工程的需求：
以航天为例，航天控制可分为三大部分：
卫星、载人航天、深空探测
关于载人航天的一些情况
17
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
?,神舟”号载人飞船历经 7年的论证、设计、攻关、建
造、试验后,1999年 11月 20日“神舟”一号飞船发射升空，
正常运行一天后，准确着陆在预定区域。
?,神舟”二号至“神舟”四号飞船飞行试验，为载人飞
行奠定了基础。
? 2003年 10月 15日中国第一艘载人飞行的“神舟”五号飞
船发射升空，运行 15圈后圆满回收；航天员健康、正常地走
出返回舱。
18
图：杨利伟在返回舱开启后招手致意
19
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
重点介绍载人航天控制中的一些问题。
1） 制导、导航与控制系统（ GNC系统）
采用姿态控制和轨道控制一体化设计的方法,实现了对飞
船的自主运动控制；
? 返回再入段采用升力控制技术
? 返回再入自适应控制
20
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
2）应急救生分系统
? 待发段（零高度）的救生
之一：竖立在试验台上的飞船
与即将合拢的整流罩
之二：正在安装逃逸飞行器的部件
21
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 发射段应急救生
之三：逃逸主发动机和逃逸控制发动机正在点火工作,
逃逸飞行器在飞行中
22
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 发射段应急救生
之四：“神舟”号飞船返回舱从逃逸飞行器中分
离
23
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 运行段及返回段应急救生
之五：“神舟”号飞船返回舱打开主降落伞，并抛掉防热大底，准备安全着陆
24
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.3.2 科学发展的需求：
生命科学、机器人
3.3.3 前沿课题的推动：
控制理论发展中的一些问题。例如：非线
性时变不确定系统、智能控制的理论问题。
25
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.4 智能控制是自动控制发展的第三个里程碑
(1) 复杂工程系统、社会系统和生物系统等需求
(2) 原有控制理论进一步发展的需求
(3) 其他科学发展的推动
26
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.5 智能控制发展的两个方向
1) 人机结合的智能控制
2) 智能自主控制
27
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.1 什么是航天器智能自主控制
航天器智能自主控制，就是在航天器控制系统
中引入人工智能与智能控制技术，使航天器控制系
统能长期在无外界干预（无地面测控站干预）条件
下正常运行。
28
4.2 发展航天器智能自主控制技术的必要性
(1) 航天控制高性能与强适应性的需要
(2) 长期可靠运行的需要
(3) 在轨运行的卫星数量增加的需要
(4) 地面测控资源有限的需要
(5) 国防事业的需要
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
29
4.3 发展航天器智能自主控制技术的可行性
(1) 人工智能、信息论以及相关科学技术的发展为航天器控
制技术向着智能化、自主化方向发展提供了技术基础。
(2) 微电子、计算机 及各种敏感器和执行器 等相关科学技术
的飞速发展，为航天控制的智能化、自主化发展提供了技
术和物质 条件 。
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
30
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.4 航天器智能自主控制技术研究的目标
(1) 航天器在不确定或不确知环境下能保证其高精度、
高可靠性并平稳自主运行；
(2) 当在轨环境或航天器内部发生变化或出现故障时，
能根据变化特征自主地修改控制器以适应其变化；
(3) 当航天器运行过程中遇到某些事先未预料的情况时，
能有临场决策的能力。
31
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5 航天器智能自主控制需研究的问题
4.5.1 控制理论方面
4.5.2 在控制系统的技术实现方面
32
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5.1 控制理论方面
1）建模理论：时变、非线性、不确定性对象、多回路、多变
量、多目标高性能控制的模型
2）智能控制设计原则、工具
3）智能控制目标的能达性和稳定性理论
4）自主控制的可行性及充要条件
5）新的控制数学研究
33
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5.2 在控制系统的技术实现方面
从整个系统总体结构上进行研究，包括测量
信息星上自主获取的新型航天敏感器和信息融
合处理问题；星载计算机处理能力问题；执行
机构的智能化水平和能力问题；自主故障诊断
技术，各部件的备份、配置和重组问题。
34
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.1 自动控制系统是一个复杂的工程
需要每个部门相互协作，相互配合，才
能做出贡献。
35
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.2 建立多标准的评价体系
在自动控制领域工作的人员基本可分为
如下几种：
自动控制基础理论和应用基础理论研究
自动控制技术实现研究
自动控制工程应用研究
根据不同工作性质建立不同的评价标准
36
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.3 树立团队精神，相互尊重，共同努力，
推动自动控制理论与应用的发展
现代化的工业、国防和科学工作大多
需要集体力量。
各个部分相互尊重，取长补短，各自
在不同的岗位上发挥特长，才能使整个事业
得到发展。
37
团结起来，为自动控制的发
展，为人类更加美好的生活贡献
自己的力量。
38
感谢各位，希望提出宝贵意见。
吴宏鑫
2004.4
2
报告内容
1,自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学
2,自动控制研究的内容及各部分的关系
3,在实际工程应用和科学研究中发展自动控制
4,航天控制的发展方向
5,团结协作为自动控制的发展做出贡献
3
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.1 从简单设备、单性能要求的控制到复杂的、多
目标高性能控制。
例如：从一台机器、一个温箱等简单控制和单目
标低性能到机器人控制、大型工业过程控制、电
网控制、特别是复杂航天器姿轨控、载人飞船返
回再入控制和登月控制。
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1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.2 控制领域不断扩大
从工业控制已进入到生物控制、医学、
环境控制、社会经济、人口控制等各个领
域。
5
1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.3 控制理论的发展
控制理论的发展已经从简单的调节原理发
展到控制工程论、生物控制论、经济控制论、
社会控制论等现代控制理论。目前正在向着
智能控制理论的发展。
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1.自动控制是一门不断发展的、综
合性的技术科学
1.4 涉及到的学科
物理、化学、数学、计算机、人工智能、
信息论、生命科学以及社会科学。
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2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
自动控制的研究内容大体可分为三大类
2.1 理论研究
1）基础理论：反馈理论、微积分方程
2）应用基础理论：能控能观、李亚普诺夫稳定性。
各个领域的控制理论以及各种控制用数学工具，
如拉氏变换、黎卡迪方程
8
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.2 技术实现
1）各种控制方法的研究
如,PID控制、二次型最优控制、自适应控
制以及目前出现的各种智能控制方法（模糊
控制、专家系统、神经网络等）
9
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2）系统实现研究
? 系统方案设计包括：建模、性能指标、控
制律设计
? 系统组成包括：系统软硬件配置设计、各
种配套的敏感器和执行器的研制与选择
3）各种运行故障处理的研究
10
2.自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.3 工程应用
针对各种具体的控制系统进行设计、加工、
软件编制、调试、测试等，最终实现控制目
标以及运行过程中的维护、维修。
11
2,自动控制研究的内容及各部分的
关系
2.4 系统集成的各个部分都具有不可替代的独特作
用
? 自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防建
设中起作用，需要上述各部分有机的、统一的工作。
? 各部分的发展有互相推动的作用，从自动控制发展
的历史中可以看出，应用推动技术，技术推动理论，
理论又反过来促使技术的发展和指导实际应用。
12
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.1 自动控制发展的两条途径
1） 应用 —— 技术 —— 理论 —— 应用
2）理论 —— 技术 —— 应用
控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生于生产实
践和科学试验。
控制理论形成：把自动控制中的普遍规律抽象出来；其
它科学的发展如数学、力学、物理学等。
13
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.2 从控制理论形成的历史看自动控制的发展
几千年来，我国人民在自动控制技术方面有过卓越的贡献。
早在两千年前，我国就发明了开环自动调节系统 —— 指南针，
北宋（公元 1086-1089年）我国又发明了闭环自动调节系统 —
— 水运仪象台。大约经过七百年以后，在英国和俄国等国家，
开始将自动控制技术应用到近代工业中。此后随着近代工业
技术的发展，自动控制技术也获得了突飞猛进的发展。
14
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
1788年瓦特发明蒸汽机的离心调速器。
1868年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制
理论最早的论文“论调节器”。
1892年俄国 Lyapunov的博士论文“论运动稳定性的一般
问题”，提出了 Lyapunov的稳定理论,20世纪 10年代提
出了 PID控制律。
15
3,在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
20世纪 40年代是系统与控制思想空前活跃的年代,1945年贝
塔朗菲的《关于一般系统论》,1948年维纳的《控制论》。
1954年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同样著名的
《工程控制论》一书，主要面向工程应用。
20世纪 50-60年代，人类开始征服太空,1957年苏联发射第一
颗人造地球卫星,1969年美国阿波罗载人飞船成功登上月球。
在这些举世瞩目的成功中，自动控制起着不可磨灭的作用。
产生了“现代控制理论”（动态规划、极大值原理、状态空
间法、最优控制理论）。
16
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.3 需求与推动
3.3.1 重大工程的需求：
以航天为例，航天控制可分为三大部分：
卫星、载人航天、深空探测
关于载人航天的一些情况
17
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
?,神舟”号载人飞船历经 7年的论证、设计、攻关、建
造、试验后,1999年 11月 20日“神舟”一号飞船发射升空，
正常运行一天后，准确着陆在预定区域。
?,神舟”二号至“神舟”四号飞船飞行试验，为载人飞
行奠定了基础。
? 2003年 10月 15日中国第一艘载人飞行的“神舟”五号飞
船发射升空，运行 15圈后圆满回收；航天员健康、正常地走
出返回舱。
18
图：杨利伟在返回舱开启后招手致意
19
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
重点介绍载人航天控制中的一些问题。
1） 制导、导航与控制系统（ GNC系统）
采用姿态控制和轨道控制一体化设计的方法,实现了对飞
船的自主运动控制；
? 返回再入段采用升力控制技术
? 返回再入自适应控制
20
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
2）应急救生分系统
? 待发段（零高度）的救生
之一：竖立在试验台上的飞船
与即将合拢的整流罩
之二：正在安装逃逸飞行器的部件
21
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 发射段应急救生
之三：逃逸主发动机和逃逸控制发动机正在点火工作,
逃逸飞行器在飞行中
22
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 发射段应急救生
之四：“神舟”号飞船返回舱从逃逸飞行器中分
离
23
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
? 运行段及返回段应急救生
之五：“神舟”号飞船返回舱打开主降落伞，并抛掉防热大底，准备安全着陆
24
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.3.2 科学发展的需求：
生命科学、机器人
3.3.3 前沿课题的推动：
控制理论发展中的一些问题。例如：非线
性时变不确定系统、智能控制的理论问题。
25
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.4 智能控制是自动控制发展的第三个里程碑
(1) 复杂工程系统、社会系统和生物系统等需求
(2) 原有控制理论进一步发展的需求
(3) 其他科学发展的推动
26
3.在实际工程应用和科学研究中
发展自动控制
3.5 智能控制发展的两个方向
1) 人机结合的智能控制
2) 智能自主控制
27
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.1 什么是航天器智能自主控制
航天器智能自主控制，就是在航天器控制系统
中引入人工智能与智能控制技术，使航天器控制系
统能长期在无外界干预（无地面测控站干预）条件
下正常运行。
28
4.2 发展航天器智能自主控制技术的必要性
(1) 航天控制高性能与强适应性的需要
(2) 长期可靠运行的需要
(3) 在轨运行的卫星数量增加的需要
(4) 地面测控资源有限的需要
(5) 国防事业的需要
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
29
4.3 发展航天器智能自主控制技术的可行性
(1) 人工智能、信息论以及相关科学技术的发展为航天器控
制技术向着智能化、自主化方向发展提供了技术基础。
(2) 微电子、计算机 及各种敏感器和执行器 等相关科学技术
的飞速发展，为航天控制的智能化、自主化发展提供了技
术和物质 条件 。
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
30
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.4 航天器智能自主控制技术研究的目标
(1) 航天器在不确定或不确知环境下能保证其高精度、
高可靠性并平稳自主运行；
(2) 当在轨环境或航天器内部发生变化或出现故障时，
能根据变化特征自主地修改控制器以适应其变化；
(3) 当航天器运行过程中遇到某些事先未预料的情况时，
能有临场决策的能力。
31
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5 航天器智能自主控制需研究的问题
4.5.1 控制理论方面
4.5.2 在控制系统的技术实现方面
32
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5.1 控制理论方面
1）建模理论：时变、非线性、不确定性对象、多回路、多变
量、多目标高性能控制的模型
2）智能控制设计原则、工具
3）智能控制目标的能达性和稳定性理论
4）自主控制的可行性及充要条件
5）新的控制数学研究
33
4,航天控制的发展方向
—— 航天器智能自主控制
4.5.2 在控制系统的技术实现方面
从整个系统总体结构上进行研究，包括测量
信息星上自主获取的新型航天敏感器和信息融
合处理问题；星载计算机处理能力问题；执行
机构的智能化水平和能力问题；自主故障诊断
技术，各部件的备份、配置和重组问题。
34
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.1 自动控制系统是一个复杂的工程
需要每个部门相互协作，相互配合，才
能做出贡献。
35
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.2 建立多标准的评价体系
在自动控制领域工作的人员基本可分为
如下几种：
自动控制基础理论和应用基础理论研究
自动控制技术实现研究
自动控制工程应用研究
根据不同工作性质建立不同的评价标准
36
5,团结协作为自动控制的发展做出
贡献
5.3 树立团队精神，相互尊重，共同努力，
推动自动控制理论与应用的发展
现代化的工业、国防和科学工作大多
需要集体力量。
各个部分相互尊重，取长补短，各自
在不同的岗位上发挥特长，才能使整个事业
得到发展。
37
团结起来，为自动控制的发
展，为人类更加美好的生活贡献
自己的力量。
38
感谢各位，希望提出宝贵意见。
