控制科学与工程学科发展现状与展望

摘 要 文章从控制科学与工程学科的学术领域出发，对我国控制科学与工程学科发展现状按照二级学科分类进行了综述。针对现有的学科建设，探讨性提出未来发展趋势及展望。

关键词 控制科学与工程 学科建设 自动化

中图分类号：G640 文献标识码：A

0 引言

自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。在我国研究生培养体系中，自动化对应的一级学科“控制科学与工程”下属有七个二级学科：“控制理论与控制工程”、“检测技术与自动装置”、“系统工程”、“模式识别与智能系统”、“导航、制导与控制”、“企业信息化系统与工程”和“生物信息学”。控制科学与工程对相关学科的发展起到了有力的推动作用，并在学科交叉与渗透中表现出突出的活力。例如：它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系统和经济系统的范畴中。与生物学、医学的结合更有力地推动了生物控制论的发展。同时，相邻学科如计算机、通信、微电子学和认知科学的发展也促进了控制科学与工程的新发展，使控制科学与工程学科所涉及的研究领域不断扩大。

1 我国控制科学与工程学科发展现状

控制科学与工程学科经过几十年的发展，在诸多方面取得了一些重要的进步，按照二级学科分类，主要发展现状归纳如下。

1.1 控制理论与工程

控制理论以动态系统为主要研究对象。20世纪80年代以来，计算机、网络和通信等信息技术的发展为现有的控制理论提供了广泛的应用空间，同时也带来了巨大的挑战，促使控制理论自身的发展，也催生出新的学科增长点。控制理论方面，在鲁棒控制、非线性控制、离散事件动态系统、量子控制等方面都取得了重要进展。鲁棒控制研究内容涉及鲁棒极点配置、鲁棒镇定、鲁棒观测器设计、鲁棒故障诊断等一系列鲁棒控制问题。分布参数控制研究涉及可控性、随机控制、非线性系统、稳定性、最优性、数值求解最优控制及时间延迟问题。离散事件动态系统的研究主要集中在离散事件动态系统的优化理论与方法上，理论成果被成功应用到从机械或半导体制造到电网规划、石油化工等多个行业的实际工程问题。量子控制的研究涉及量子态的制备、最优控制、控制能力、反馈控制、消相干控制、纠缠动力学、动态解耦等多个方面。智能控制方面，在模糊不确定性理论、复杂系统的模糊控制与稳定性分析、神经网络控制、智能优化等方面都有重要贡献。模糊不确定性理论对于主观上的不确定事件，给出了不确定变量的期望值、不确定变量的关键值、不确定事件测度的定义，并将它们应用于机器学习、系统控制和管理等问题。自模糊集合诞生至今，模糊控制作为一种有效的非线性控制方法受到了广泛关注和应用，模糊控制器形式常见的有模糊逻辑控制、模糊PID控制、神经模糊控制、模糊滑膜控制、自适应模糊控制及基于T-S模型的模糊控制等。模糊控制系统的稳定性分析，是模糊控制领域一个持续研究的课题。现有的结果，主要是在前有理论基础上，提出放松稳定性条件，并将模糊控制的概念引入网络控制系统。在神经网络控制方面，主要利用神经网络对非线性系统的逼近能力和特性，与一些控制算法相结合，探讨复杂系统的建模与控制问题。智能优化方面主要是结合模糊推理和神经网络自适应为主的模糊神经控制，并结合智能算法实现对算法的优化。智能机器人技术方面，除了在机构、视觉及传感系统、运动建模、规划与导航等提出一些新的设计和改进的算法外，中国学者在救灾救援机器人、网络环境机器人、医疗机器人、仿生机器人、飞行机器人、仿人机器人、人-机器人交互等方面取得了重要进展。在控制的应用方面，智能控制理论在电力系统调度、发电机励磁控制、风电场功率预测等方面已有初步应用。在多智能体与网络控制方面，研究涉及复杂系统与系统复杂性理论、混合系统与多模态切换、多智能体系统及网络控制。

1.2 模式识别与智能控制

随着20世纪40年代计算机的出现以及50年代人工智能的兴起，人们当然也希望能用计算机来代替或扩展人类的部分脑力劳动。模式识别在20世纪60年代初迅速发展并成为一门新学科。在生物信息学方面，在高通量组学数据的处理、计算基因组学的研究、医学群体遗传学中的生物信息学、蛋白质功能结构与亚细胞定位上、生物分子网络的构建与分析等方面有了重要进展。机器学习与数据挖掘方面，研究涉及提高学习系统泛化能力、样本标记问题、降维与度量学习、数据挖掘、在视频与图像分析方面的应用。脑—机接口就是要实现生物脑与电脑之间的直接对话。基础理论研究与实验研究并重是脑—机接口研究的重要特点。脑—机接口研究是一个全新的领域，许多方面的问题还有待于深入地研究。在医学信息学、分子影像方面，多模态分子影像成像理论方法与关键技术、分子探针与药物研发、分子影像验证与应用是现在的研究热点。

1.3 系统工程

系统工程是实现系统最优化的科学。系统工程的主要任务是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略和方法等从横的方面联系起来，应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，借以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。在工业过程建模方面，研究主要涉及过程建模方法与应用及面向高端应用的工业建模技术与软件。在生产调度优化方面，随着经济全球化进程的加快和计算机技术的提升，结合实际生产背景的生产调度问题优化理论与方法成为自动化学科的研究热点。公共安全应急管理决策的研究主要集中在公共安全应急决策的理论、方法和技术上。在信息服务的研究上，在服务组合、服务计算环境、服务部署与调度、服务计算模式/模型、数据集成等关键问题上都有了较大的进展。智能交通系统是解决目前城市交通拥堵、气体和噪声污染的主要途径，目前主要的研究领域集中在先进交通分配和出行诱导技术、城市高速路与普通路网集成交通控制、交通分配与交通控制一体化研究以及交通信息获取与服务系统的研制。

1.4 导航、制导与控制

导航、制导与控制学科一直突出为国防、航天服务的特色，注重理论与工程实际的结合，重视高素质人才的培养，建立起一支梯队结构合理、学术方向稳定、能打“硬仗”的科研队伍。半个世纪里，导航、制导与控制学科先后开辟出导航技术、飞行控制、精确制导等研究方向。在导航技术方面，研究涉及卫星导航、惯性导航及惯性基组合导航。在飞行控制方面，国内飞行控制研究领域取得了丰富的研究成果，在飞行控制理论的改进和完善、先进飞行控制技术的研究与探索以及飞行控制技术在航空器、航天器和临近空间飞行器的应用方面都取得了长足的进展。在精确制导技术方面，研究的主要内容包括高精度导引控制技术和精确探测技术。高精度导引控制技术主要体现在制导控制规律的设计方面，而精确探测技术主要体现在各类导引系统探测技术的发展史上。

1.5 检测技术与自动化装置

检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装置的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。在检测技术上，超导材料、稀土功能材料等功能材料新领域，功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，在低烧磁料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化。在动态系统的故障诊断技术方面，研究涉及基于模型的故障诊断技术及基于数据的故障诊断方法。

2 我国控制科学与工程学科发展趋势与展望

2.1 人才的培养和支持

由于我国控制科学与工程专业的毕业生长期以来供不应求，目前，设置该专业的院校逐渐递增。要注重培养学生的动手能力，多和实践结合，走出应试教育的桎梏。需要有人才成长的土壤，尽可能为科研人员提供良好的科研条件。需要加大国内外交流，提供交流的机会。总之，需要为人才的培养创造全方位立体的支持环境。

2.2 加大基础理论投入

我国自动化学科的发展的劣势主要是基础理论投入不足，要想改进这一点，需要从国家层次上进行引导，制定相关政策，鼓励科研院所和高校加大基础理论研究，经济允许的情况下加大资金投入，协调各个科研机构，发挥各单位优势，争取在基础理论上取得重大突破。

3 结束语

数代人的持续努力，使我国的经济保持高速增长的态势。一个国家的发达程度往往和科技水平成正比，科技会促进社会经济的发展，而经济的发展又会对科技发展提供支持。随着经济的发展，我国对自动化学科的研究将更多的转向基础理论的研究和新兴交叉方向的研究。也正是以此作为突破口，我国才更有可能在21世纪达到并且引领世界先进水平，成为自动化科技强国。

注：黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究项目——自动化领域研究生培养质量保证体系研究与实践资助；哈尔滨工程大学2012年教育教学改革研究项目——自动化特色专业建设的探索与实践

参考文献

[1] 中国科学技术协会.控制科学与工程学科发展报告.北京：中国科学技术出版社，2008.