柴天佑

柴天佑，1947年出生于甘肅省蘭州市，控制理論和控制工程專家，中國工程院院士，東北大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，東北大學(xué)自動化研究中心主任，國家冶金自動化工程技術(shù)研究中心主任 。

1980年畢業(yè)于東北電力學(xué)院。1985年于東北大學(xué)獲工學(xué)博士，并留校任教。1988年被晉升為教授，1990年為博士生導(dǎo)師。2003年當(dāng)選為中國工程院院士 。

摘要：本文結(jié)合中國自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和中國絕大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動化專業(yè)的現(xiàn)狀, 借鑒自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中的成功經(jīng)驗(yàn), 結(jié)合國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全對自動化系統(tǒng)的未來需求, 以生產(chǎn)制造系統(tǒng)、重要運(yùn)載工具和人參與的信息物理系統(tǒng)為主要對象, 以自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向— 智能自主控制系統(tǒng)、智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo), 以研究實(shí)現(xiàn)愿景功能的建模、控制與優(yōu)化新算法和新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展的應(yīng)用研究為主線, 提出了自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向, 并結(jié)合新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn), 提出了未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

關(guān)鍵詞：智能自主控制系統(tǒng), 智能優(yōu)化決策系統(tǒng), 智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng), 人參與的信息物理系統(tǒng), 人工智能驅(qū)動的自動化 自動化技術(shù)在人類生產(chǎn)、生活與管理進(jìn)程中起到了不可替代的作用. 自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè), 使以機(jī)械裝備制造等為代表的離散工業(yè)制造過程和以石油、冶金、材料等重要原材料工業(yè)和電力等能源工業(yè)為代表的流程工業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了自動化, 顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率. 自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造企業(yè)的經(jīng)營管理和生產(chǎn)管理中, 使企業(yè)的資源計(jì)劃和制造過程管理的效率顯著提高, 成為提高企業(yè)競爭力的核心技術(shù). 自動化技術(shù)在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運(yùn)載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機(jī)器人的控制與運(yùn)動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用.

正如文獻(xiàn) 所指出的, 處處可見作為自動化技術(shù)的重要組成部分的控制技術(shù), 控制技術(shù)在幾乎所有的主要技術(shù)革命中都發(fā)揮了重要作用. 例如, 從蒸汽機(jī)到高鐵、輔助駕駛汽車、高性能飛機(jī), 從火箭到航天器, 從有線電話到手機(jī), 從照相機(jī)到神經(jīng)影像,從敏捷制造到機(jī)器人, 從醫(yī)療設(shè)備到遠(yuǎn)視手術(shù)等, 控制技術(shù)在上述技術(shù)革命中對提升系統(tǒng)性能如速度、效率、可靠性和穩(wěn)定性以及減少能源消耗、成本和廢物排放等方面發(fā)揮了不可取代的作用.

當(dāng)前, 發(fā)達(dá)國家將智能制造作為提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術(shù). 美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出了實(shí)施21 世紀(jì)\智能過程制造" 的技術(shù)框架和路線. 德國針對離散制造業(yè)提出了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略, 即"工業(yè)4.0" 計(jì)劃. 英國宣布"英國工業(yè)2050 戰(zhàn)略", 日本和韓國先后提出"I-Japan 戰(zhàn)略" 和"制造業(yè)創(chuàng)新3.0 戰(zhàn)略". 面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整, 為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點(diǎn), 我國宣布實(shí)施“中國制造2025".

智能制造的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)制造流程智能化, 這就需要將人工智能技術(shù)與制造流程的控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和制造流程的物理資源深度融合與協(xié)同. 迄今為止, 人工智能技術(shù)還沒有統(tǒng)一的、明確的界定. 文獻(xiàn)[7] 指出, AI (Artiˉcial intelligence) 不是單一技術(shù), 而是應(yīng)用于特定任務(wù)的技術(shù)集合. 文獻(xiàn)[8] 指出,雖然對AI 的界定并不明確且隨時間推移不斷變化,但AI 的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標(biāo),即使人的智能行為實(shí)現(xiàn)自動化或復(fù)制. 人工智能技術(shù)的涵義是通過機(jī)器智能延伸和增強(qiáng)人類的感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行等功能, 增強(qiáng)人類認(rèn)識世界與改造世界的能力, 完成人類無法完成的特定任務(wù)或比人類更有效地完成特定任務(wù).

2016 年10 月, 美國白宮發(fā)布了《美國國家人工智能研究與發(fā)展策略規(guī)劃》, 謀劃美國未來的人工智能發(fā)展. 2017 年7 月, 中國國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》, 人工智能正式成為我國國家戰(zhàn)略. 2018 年3 月1 日, 美國國際戰(zhàn)略研究所發(fā)布報(bào)告《美國機(jī)器智能國家戰(zhàn)略報(bào)告》, 提出了機(jī)器智能技術(shù)對國防、經(jīng)濟(jì)、社會等方面的廣泛影響和發(fā)展戰(zhàn)略.

美國國家情報(bào)委員會在2030 年全球趨勢(Global Trend 2030) 中, 從經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展角度提出了未來四大重要技術(shù), 其中, 自動化和制造技術(shù)為第二大重要技術(shù); 華盛頓郵報(bào)網(wǎng)站(2013.5.24) 給出了驅(qū)動未來經(jīng)濟(jì)的12 種顛覆性技術(shù), 其中, 知識性工作的自動化列為第二種顛覆性技術(shù). 由此可見,自動化科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全、使人類生活變得越來越美好的不可取代的技術(shù).

然而, 自動化科學(xué)與技術(shù), 特別是控制科學(xué)與技術(shù), 沒有像通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)那樣得到社會的理解和支持. 為此, 國外學(xué)者組織了多次專題討論會, 出版了研究報(bào)告, 旨在論證系統(tǒng)與控制是大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中信息和通信技術(shù)的核心, 提出了新的研究方向, 希望得到基金資助機(jī)構(gòu)的優(yōu)先考慮和支持. 雖然這些研究報(bào)告對控制理論的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用, 但并沒有使系統(tǒng)與控制成為資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先資助的領(lǐng)域. 我國負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門曾多次組織國內(nèi)學(xué)者開展自動化學(xué)科發(fā)展和優(yōu)先資助領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究, 出版了研究報(bào)告, 闡明自動化科學(xué)與技術(shù)的重要性和優(yōu)先資助的研究方向. 這些研究報(bào)告對自動化學(xué)科的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用. 雖然與國外相比, 我國有負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的基金資助機(jī)構(gòu)與資助經(jīng)費(fèi), 但是自動化科學(xué)與技術(shù)在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用卻不如通訊、計(jì)算機(jī)等其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯, 獲得的資助經(jīng)費(fèi)也少于通訊、計(jì)算機(jī)等其他信息科學(xué)和技術(shù).

自動化科學(xué)與技術(shù)始終圍繞著建模、控制與優(yōu)化三個基本科學(xué)問題開展研究, 它所形成的核心基礎(chǔ)理論|建模、控制、優(yōu)化理論和方法具有"使能"性. 因此, 大多數(shù)工程技術(shù)與工程管理專業(yè)都將建模、控制與優(yōu)化理論和方法作為該專業(yè)基礎(chǔ)的必修課. 國外大學(xué)一般不設(shè)立自動化專業(yè), 從事系統(tǒng)與控制研究的教授主要在其他工程專業(yè)講授控制理論課程. 而在我國, 大多數(shù)大學(xué)設(shè)有自動化專業(yè), 但從事控制理論研究的學(xué)術(shù)帶頭人多, 從事自動化系統(tǒng)技術(shù)研究的學(xué)術(shù)帶頭人少, 而且重傳統(tǒng)控制理論, 輕自動化系統(tǒng)技術(shù).

上述研究報(bào)告主要根據(jù)理論的發(fā)展提出研究方向, 然而, 自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過與應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際對象結(jié)合, 研制具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)來體現(xiàn)其在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用. 特別是, 當(dāng)今國際上信息科學(xué)與技術(shù)的重要研究方向是Cyber-Physical Systems (CPS). 美國國家科學(xué)基金會在2008 年提出, CPS 是計(jì)算資源與物理資源的緊密融合與協(xié)同, 使得系統(tǒng)的適應(yīng)性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性遠(yuǎn)超過今天的系統(tǒng). 計(jì)算資源主要指自動化(建模、控制、優(yōu)化)、計(jì)算機(jī)、通訊, 物理資源主要是指CPS的研究對象所涉及的領(lǐng)域知識. 研究目標(biāo)是研制實(shí)現(xiàn)未來需求功能的系統(tǒng). 智能手機(jī)、IBM 的同聲傳譯系統(tǒng)、AlphaGo 等智能技術(shù)系統(tǒng)是典型的CPS.CPS 是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物, 是當(dāng)今信息技術(shù)條件下的自動化系統(tǒng). 創(chuàng)造未來需求的新功能的系統(tǒng)已成為信息科學(xué)與技術(shù)的研究目標(biāo).

為了使中國的自動化專業(yè)在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全中發(fā)揮不可取代的作用, 本文以智能自主控制系統(tǒng)、智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)作為未來需求的自動化系統(tǒng)發(fā)展方向, 以生產(chǎn)制造系統(tǒng)和重要運(yùn)載工具為主要對象, 以實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo)的系統(tǒng)理論與技術(shù)研究為主線, 提出了自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向,結(jié)合新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)的需求與挑戰(zhàn), 提出了未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

1 自動化科學(xué)與技術(shù)的定義與特征

自動化的界定并不明確, 且隨時間推移不斷變化, 但自動化的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個核心目標(biāo): 研制系統(tǒng)代替人或輔助人去完成人類生產(chǎn)、生活和管理活動中的特定任務(wù), 減少和減輕人的體力和腦力勞動, 提高工作效率、效益和效果. 由于我國大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動化專業(yè), 科技部和國家自然科學(xué)基金委員會都設(shè)有專門部門負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 因此, 有必要從學(xué)術(shù)和專業(yè)的角度對自動化科學(xué)與技術(shù)給出定義. 百度對自動化的定義如下: 廣義的自動化, 是指在人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程中, 通過采用一定的技術(shù)裝置和策略,使得僅用較少的人工干預(yù)甚至做到?jīng)]有人工干預(yù),就能使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目的的過程, 從而減少和減輕了人的體力和腦力勞動, 提高了工作效率、效益和效果. 由此可見, 自動化涉及到人類活動的幾乎所有領(lǐng)域, 因此, 自動化是人類自古以來永無止境的夢想和追求目標(biāo).

自動化科學(xué)與技術(shù)主要以工業(yè)裝備為代表的固定物體、運(yùn)載工具為代表的運(yùn)動體以及人參與的信息物理系統(tǒng)為研究對象, 以替代人或輔助人來增強(qiáng)人類認(rèn)識世界和改造世界的能力為目的, 綜合運(yùn)用控制科學(xué)與工程、系統(tǒng)科學(xué)與工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)與人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識, 研究具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一門工程技術(shù)學(xué)科.

自動化科學(xué)與技術(shù)具有如下明顯的特征:

1) 交叉性

自動化科學(xué)與技術(shù)是具有明顯交叉性的學(xué)科.自動化科學(xué)與技術(shù)的理論基礎(chǔ)(建模、控制、優(yōu)化理論與方法) 的建立是由數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、以及研究對象所涉及的領(lǐng)域?qū)W科交叉形成. 所研制的自動化系統(tǒng)涉及到控制科學(xué)與工程、系統(tǒng)科學(xué)與工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、人工智能等學(xué)科知識和所涉及對象的領(lǐng)域知識. 工程技術(shù)專家、數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和物理學(xué)家等都對該領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn).

2) 使能性

自動化科學(xué)與技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是動態(tài)系統(tǒng)的建模、控制與優(yōu)化的理論與方法, 核心技術(shù)基礎(chǔ)是具有動態(tài)特性仿真與分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù).

自動化科學(xué)與技術(shù)的使能性表現(xiàn)在其動態(tài)系統(tǒng)建模理論與方法所提供的動態(tài)特性建模與參數(shù)估計(jì)方法有助于其他學(xué)科在研究對象的機(jī)理基礎(chǔ)上建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行動態(tài)特性仿真與分析的研究; 控制理論與方法所提供的反饋、前饋、預(yù)測、自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)方法和思想以及控制系統(tǒng)性能分析方法有助于機(jī)械、電氣與電子、化工與冶金等其他學(xué)科領(lǐng)域涉及的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的研究; 優(yōu)化理論與方法所提供的靜態(tài)與動態(tài)優(yōu)化決策理論與方法有助于其他學(xué)科領(lǐng)域涉及的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化決策的研究.

3) 系統(tǒng)性

系統(tǒng)性是自動化科學(xué)與技術(shù)的重要特征. 自動化科學(xué)與技術(shù)總是從\系統(tǒng)" 的角度來分析與研究所涉及到的研究對象的動態(tài)建模、控制和優(yōu)化決策.特別是反饋控制, 通過反饋機(jī)制改善了被控對象的動態(tài)特性, 形成的反饋控制系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的目的. 自動化科學(xué)與技術(shù)的建模、控制、優(yōu)化理論與方法是通過具有動態(tài)特性分析、預(yù)測、控制與優(yōu)化決策功能的系統(tǒng)來體現(xiàn)在人類認(rèn)識世界和改造世界活動中發(fā)揮的不可替代的作用. 今天, 大型而復(fù)雜的物理系統(tǒng)與越來越多的分布式計(jì)算單元相結(jié)合用以監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策. 物理系統(tǒng)的各個元素通過物質(zhì)、能量或動量的交換而相互聯(lián)系, 而控制和管理與優(yōu)化決策系統(tǒng)的各個單元則通過通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系. 例如, 智能電網(wǎng)、水資源控制與管理系統(tǒng)、交通管理與指揮系統(tǒng)、智能工廠、智慧城市、智慧醫(yī)療等. 只有對這種人參與的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行建模、預(yù)測、控制和優(yōu)化決策的深入研究, 才有可能更好地設(shè)計(jì)監(jiān)測、控制、管理和優(yōu)化決策系統(tǒng), 才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排, 有效地改善人類的生活.

4) 廣泛性

通過以上對自動化科學(xué)與技術(shù)的交叉性、使能性和系統(tǒng)性的分析, 可以看到自動化科學(xué)與技術(shù)還具有廣泛性的特征.

自動化科學(xué)與技術(shù)的研究對象具有廣泛性. 研究對象可以是固定的物體, 如以機(jī)械制造工業(yè)為代表的離散工業(yè)和以原材料工業(yè)為代表的流程工業(yè)中的生產(chǎn)制造裝備、建筑設(shè)施等; 研究對象可以是移動的物體, 如航天航空器、軌道交通與汽車、陸運(yùn)運(yùn)動體、機(jī)器人等; 研究對象也可以是人參與的信息物理系統(tǒng), 如企業(yè)管理系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會管理與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng).

自動化科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛性. 采用自動化科學(xué)與技術(shù)所研制的自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等各個領(lǐng)域, 涉及到人類的生產(chǎn)、生活和管理的一切過程.

自動化科學(xué)與技術(shù)針對同一研究對象所研究的自動化系統(tǒng)的功能具有廣泛性和多樣性. 例如, 針對工業(yè)過程研究動態(tài)特性建模可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的動態(tài)特性仿真與分析; 研究過程控制可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的輸出跟蹤工藝所確定的設(shè)定值; 研究過程運(yùn)行優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)表征工業(yè)過程的加工產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、消耗等運(yùn)行指標(biāo)的優(yōu)化控制; 研究由不同工業(yè)過程組成的全流程生產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化控制可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制; 研究企業(yè)經(jīng)營決策、計(jì)劃調(diào)度的管理與優(yōu)化決策可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化; 研究生產(chǎn)工況的建模可以實(shí)現(xiàn)異常工況的監(jiān)控與自愈控制.

2 自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程

很久以前, 大自然就發(fā)現(xiàn)了反饋. 它創(chuàng)造了反饋機(jī)制并且在各個層次利用這些機(jī)制, 它是機(jī)體平衡和生命的核心. 反饋控制系統(tǒng)最早出現(xiàn)在風(fēng)車上. 當(dāng)時發(fā)明的離心調(diào)速器就是一種反饋控制系統(tǒng),其目的是使風(fēng)車保持恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行. 為了使織布機(jī)和其他機(jī)器保持恒定轉(zhuǎn)速, 1788 年, 吉姆斯￠ 瓦特成功地改造了離心調(diào)速器. 離心調(diào)速器是一個比例控制器, 因此會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差. 后來的調(diào)速器加入了積分作用, 從此調(diào)速器成了蒸汽機(jī)不可分割的一部分. 蒸汽機(jī)與調(diào)速器的廣泛應(yīng)用推動了第一次工業(yè)革命. 如何設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定的調(diào)速器成為一個極富挑戰(zhàn)的科學(xué)難題. 麥克斯韋(Maxwell) 開始了調(diào)速器的理論研究. 麥克斯韋推導(dǎo)出三階線性微分方程來描述調(diào)速系統(tǒng), 同時發(fā)現(xiàn)可以通過閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 緊接著, 數(shù)學(xué)家勞斯和赫爾維茨建立了一般線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù). 上述工作奠定了控制理論的基礎(chǔ).

19 世紀(jì)初, Sperry 發(fā)明了陀螺駕駛儀, 應(yīng)用于船舶駕駛. 陀螺駕駛儀可以調(diào)整控制器參數(shù), 也可以設(shè)置目標(biāo)航向. 該控制器是一個典型的PID 控制器. PID 控制不僅廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域,而且應(yīng)用于電力工業(yè), 使傳送帶于1870 年開始在辛辛那提屠宰場使用, 推動了基于勞動分工和以電為動力的大規(guī)模生產(chǎn), 形成了第二次工業(yè)革命. 如何選擇PID 控制器參數(shù)使控制系統(tǒng)具有良好的性能的研究吸引了大量的工程師和科學(xué)家, 直到1942 年,Ziegler Nichols 建立了PID 參數(shù)的整定方法.

為了解決長途電話的失真問題, 貝爾實(shí)驗(yàn)室的Harold Black 工程師發(fā)明了負(fù)反饋放大器. 不穩(wěn)定或\嘯叫" 常常出現(xiàn)在反饋放大器的試驗(yàn)中.因此, 長途電話通信的技術(shù)挑戰(zhàn)帶來了反饋回路的穩(wěn)定性問題. 1932 年, 亨利￠ 奈奎斯特(HarryNyquist) 開始研究這個問題, 建立了"奈奎斯特判據(jù)". 1943 年, 貝爾實(shí)驗(yàn)室的伯德領(lǐng)導(dǎo)的小組設(shè)計(jì)M9 火炮指揮控制系統(tǒng), 采用了伯德發(fā)明的設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的工具|Bode 圖. 上述成果奠定了經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ).

50 年代末到60 年代初, 航天技術(shù)的發(fā)展涉及到大量的多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題, 用經(jīng)典控制理論已難以解決. 數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得亨利￠ 龐加萊(1875»1906) 的狀態(tài)空間表述方法可以作為被控對象的數(shù)學(xué)模型和控制器設(shè)計(jì)與分析的工具.于是產(chǎn)生了以極大值原理、動態(tài)規(guī)劃和狀態(tài)空間法為核心的現(xiàn)代控制理論. 然而, 現(xiàn)代控制理論難以應(yīng)用于工業(yè)過程. 工業(yè)過程往往是由多個回路組成的復(fù)雜被控對象, 難以用精確數(shù)學(xué)模型描述. 大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需求、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展催生了一種專門的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)| 邏輯程序控制器(PLC).

1969 年, 美國Modicon 公司推出了084PLC. 該控制系統(tǒng)可以將多個回路的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過設(shè)備網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接起來, 可以方便地進(jìn)行多個回路的控制、設(shè)備的順序控制和監(jiān)控.1975 年, Honeywell 和Yokogawa 公司研制了可以應(yīng)用于大型工業(yè)過程的分布式控制系統(tǒng)(DCS).以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)的控制軟件、過程監(jiān)控軟件的廣泛應(yīng)用使得生產(chǎn)線的自動化程度更高, 推動了第三次工業(yè)革命.

在工業(yè)過程控制中, 現(xiàn)有的控制理論和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的研究集中在保證閉環(huán)控制回路穩(wěn)定的條件下, 使被控變量盡可能地跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)定值. 從工業(yè)工程的角度看, 自動控制或者人工控制的作用不僅僅是使控制系統(tǒng)輸出很好地跟蹤設(shè)定值,而且要控制整個生產(chǎn)設(shè)備(或過程) 的運(yùn)行過程, 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化, 即使反映產(chǎn)品加工過程的質(zhì)量、效率的運(yùn)行指標(biāo)盡可能高, 反映消耗的運(yùn)行指標(biāo)盡可能低.工業(yè)過程的運(yùn)行優(yōu)化需求使得實(shí)時優(yōu)化(RTO) 和模型預(yù)測控制(MPC) 廣泛應(yīng)用于可以建立數(shù)學(xué)模型的石化工業(yè)過程. 對于難以建立數(shù)學(xué)模型的冶金工業(yè)過程, 高技術(shù)公司針對具體的工業(yè)過程開發(fā)了工藝模型進(jìn)行開環(huán)設(shè)定控制, 數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)的研發(fā)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注.

大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)迫切需要生產(chǎn)企業(yè)的管理高效化. 自動化技術(shù)開始應(yīng)用于企業(yè)管理. 20 世紀(jì)60年代初計(jì)算機(jī)財(cái)務(wù)系統(tǒng)問世, 從此人工的管理方式

開始逐漸被計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)代替. 20 世紀(jì)60 年代末70 年代初, 財(cái)務(wù)系統(tǒng)擴(kuò)充了物料計(jì)劃功能, 發(fā)展成為物料需求計(jì)劃系統(tǒng)(Material Requirements Plan-ning, MRP). 20 世紀(jì)70 年代末80 年代初, MRP系統(tǒng)中增加了車間報(bào)表管理系統(tǒng)、采購系統(tǒng)等, 于是發(fā)展成為MRP II. 但是MRP II 不能配置資源, 因此配置資源計(jì)劃系統(tǒng)(Distribution Resource Plan-ning, DRP) 出現(xiàn)了, 單一功能的制造過程管理系統(tǒng)(如質(zhì)量管理系統(tǒng)) 也相繼出現(xiàn). 到20 世紀(jì)80 年代末90 年代初, MRP II 逐漸演變?yōu)槠髽I(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP), DRP 演變?yōu)楣?yīng)鏈管理(Supply Chain Management, SCM),而車間層應(yīng)用的專業(yè)化制造管理系統(tǒng)演變成集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES). ERP 和MES 廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)企業(yè),顯著提高了企業(yè)的競爭力.

3 自動化科學(xué)與技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

縱觀自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史, 給我們?nèi)缦聠⑹? 1) 自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展來自人類改造自然的實(shí)際需求; 2) 自動化科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展源于控制科學(xué)與工程; 3) 實(shí)際需求與實(shí)現(xiàn)技術(shù)推動了控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展; 4) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析的需求產(chǎn)生和推動了控制理論的發(fā)展,控制理論的發(fā)展對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析起到了重要推動作用; 5) 以工業(yè)系統(tǒng)為代表的固定物體、以船舶、飛行器、火炮為代表的運(yùn)動體的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析推動了控制理論的形成與發(fā)展.

經(jīng)過改革開放, 中國的自動化科學(xué)與技術(shù)取得了巨大發(fā)展, 主要體現(xiàn)在控制理論與控制工程、系統(tǒng)工程、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、檢測技術(shù)與裝置、模式識別與智能系統(tǒng)、機(jī)器人等方面以及在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全等方面的諸多應(yīng)用研究. 基礎(chǔ)研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平, 在自動化科學(xué)與技術(shù)的國際頂級期刊IEEE 匯刊與IFAC 會刊發(fā)表的論文數(shù)量與質(zhì)量顯著提高. 特別是結(jié)合國家在智能制造、航天、軌道交通等領(lǐng)域的重大需求開展的自動化科學(xué)與技術(shù)研究取得了一批推動上述領(lǐng)域科技進(jìn)步并產(chǎn)生重要國際影響的學(xué)術(shù)成果. 總體上來看, 基礎(chǔ)研究還處于跟跑與同跑階段, 缺乏領(lǐng)跑的研究成果, 在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全中發(fā)揮的作用不如其他信息科學(xué)和技術(shù)那樣明顯.

中國的社會經(jīng)濟(jì)與國家安全進(jìn)入了快速發(fā)展階段, 人們在生產(chǎn)、生活與管理中提出了更高的要求.國家實(shí)施的智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等重大發(fā)展戰(zhàn)略對自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求. 移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和人工智能技術(shù)的突破性發(fā)展促使工程技術(shù)人員與研究人員將以自動化、計(jì)算機(jī)、通訊為主的計(jì)算資源與以研究對象為主的物理資源深度融合與協(xié)同, 使研究的系統(tǒng)在適應(yīng)性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性方面遠(yuǎn)超過今天的系統(tǒng).

為了適應(yīng)國家發(fā)展的需求和人們在生產(chǎn)、生活與管理中的新要求, 今天關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)如工業(yè)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等正在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展, 這就對控制系統(tǒng)和管理與決策系統(tǒng)提出了新的要求. 控制系統(tǒng)正在向智能自主控制系統(tǒng)的方向發(fā)展, 管理與決策系統(tǒng)正在向智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策和控制一體化系統(tǒng)方向發(fā)展.

面向生產(chǎn)制造過程的智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能是: 智能感知生產(chǎn)條件變化, 自適應(yīng)決策控制回路設(shè)定值, 使回路控制層的輸出很好地跟蹤設(shè)定值,對運(yùn)行狀況和控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行遠(yuǎn)程移動與可視化監(jiān)控和自優(yōu)化控制, 使生產(chǎn)制造系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)化與綠色運(yùn)行.

面向生產(chǎn)制造企業(yè)的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策與控制一體化系統(tǒng)主要是制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)和智能優(yōu)化決策系統(tǒng).

智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)的愿景功能是: 智能感知運(yùn)行工況的變化, 以綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化為目標(biāo), 自適應(yīng)決策智能自主控制系統(tǒng)的最佳運(yùn)行指標(biāo); 優(yōu)化協(xié)同生產(chǎn)制造全流程中的各工業(yè)過程(裝備) 的智能自主控制系統(tǒng); 實(shí)時遠(yuǎn)程與移動監(jiān)控與預(yù)測異常工況, 自優(yōu)化控制, 排除異常工況, 使系統(tǒng)安全優(yōu)化運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)制造流程全局優(yōu)化. 智能優(yōu)化決策系統(tǒng)的愿景功能是:實(shí)時感知市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運(yùn)行工況;以企業(yè)高效化和綠色化為目標(biāo), 實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指令與控制指令一體化優(yōu)化決策; 遠(yuǎn)程與移動可視化監(jiān)控決策過程動態(tài)性能, 自學(xué)習(xí)與自優(yōu)化決策; 人與智能優(yōu)化決策系統(tǒng)協(xié)同, 使決策者在動態(tài)變化環(huán)境下精準(zhǔn)優(yōu)化決策.

面向航天器、汽車、陸用武器等重要運(yùn)載工具的智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能是: 快速準(zhǔn)確感知環(huán)境信息, 識別環(huán)境的不確定性和多樣性任務(wù), 使被控對象成為智能自主體, 能夠修正自己的行為以適應(yīng)環(huán)境的不確定性, 自主決策與自主控制, 實(shí)時安全可靠地完成任務(wù).

面向運(yùn)載工具的智能決策系統(tǒng)和智能決策與控制一體化系統(tǒng)是多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)和導(dǎo)航與制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng). 多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)的愿景功能是: 感知整個群體區(qū)域環(huán)境信息, 自主學(xué)習(xí), 協(xié)同優(yōu)化決策, 自主協(xié)同運(yùn)行, 快速、可靠、安全地完成總體目標(biāo)任務(wù). 導(dǎo)航與制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng)的愿景功能是: 快速感知環(huán)境信息, 融合多元異構(gòu)信息,自主產(chǎn)生精確導(dǎo)航信息, 自動為制導(dǎo)系統(tǒng)給出導(dǎo)航信息, 制導(dǎo)與控制系統(tǒng)使被控運(yùn)載工具快速、準(zhǔn)確地跟蹤導(dǎo)航信息, 準(zhǔn)確、迅速、安全可靠地到達(dá)目的地.

為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能, 需將生產(chǎn)制造過程的自動化系統(tǒng)發(fā)展為五大系統(tǒng): 1) 制造過程智能自主控制系統(tǒng); 2)制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng); 3) 智能優(yōu)化決策系統(tǒng); 4) 智能安全運(yùn)行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng); 5)工業(yè)過程虛擬制造系統(tǒng). 由五大系統(tǒng)構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng), 即智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和制造流程智能化控制系統(tǒng), 取代由ERP、MES 和PCS(DCS) 組成的三層結(jié)構(gòu)集成制造系統(tǒng). 制造流程智能化控制系統(tǒng)由生產(chǎn)制造過程智能自主控制系統(tǒng)和制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)組成. 智能安全運(yùn)行監(jiān)控和自優(yōu)化系統(tǒng)和制造過程虛擬制造系統(tǒng)保證構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的兩大系統(tǒng)安全可靠優(yōu)化運(yùn)行.

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載工具未來需求的自動化系統(tǒng)的愿景功能, 需將運(yùn)載工具自動化系統(tǒng)發(fā)展為三大系統(tǒng):1) 智能自主控制系統(tǒng); 2) 多智能體協(xié)同控制系統(tǒng);3) 導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng).

以實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo), 開展上述新系統(tǒng)理論與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究以及在智能制造、機(jī)器人、航天航空、高鐵等重大應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用研究, 將會成為對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全做出重要貢獻(xiàn)的自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

目前, 復(fù)雜制造全流程中的工況識別、運(yùn)行控制和ERP 與MES 中的決策仍然依靠知識工作者.知識工作者依靠數(shù)據(jù)、文本、圖像等信息和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工況識別、運(yùn)行控制和決策, 難以實(shí)現(xiàn)離散工業(yè)產(chǎn)品個性定制的高效化和流程工業(yè)的高效化與綠色化. 然而, 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)取得了革命性進(jìn)步. 自動化科學(xué)與技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)學(xué)模型驅(qū)動的人工智能技術(shù). 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)與自動化科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合必將產(chǎn)生人工智能驅(qū)動的自動化. 大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為人工智能驅(qū)動的自動化開辟了新途徑. 人工智能驅(qū)動的自動化必將在智能制造中發(fā)揮更重要的作用.

自動化技術(shù)不僅在航空、航天、軌道交通、汽車、海洋運(yùn)載工具的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制、機(jī)器人的控制與運(yùn)動軌跡的規(guī)劃中發(fā)揮著不可取代的作用, 而且開始應(yīng)用于交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的安全監(jiān)控與管理中. 如同企業(yè)管理系統(tǒng), 上述系統(tǒng)本質(zhì)上是人參與的信息物理系統(tǒng). 要使這些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)安全、可靠、高效和綠色地運(yùn)行, 必須開展這類系統(tǒng)的建模、仿真、預(yù)測和控制與優(yōu)化決策理論與技術(shù)的研究. 這必將推動自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展.

信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了智能工廠、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧城市等人參與的信息物理系統(tǒng)以及量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)的發(fā)展. 實(shí)現(xiàn)上述新興領(lǐng)域的檢測、控制、管理和優(yōu)化決策對已有的建模、控制、優(yōu)化理論和技術(shù)提出了挑戰(zhàn). 因此, 應(yīng)將未來發(fā)展的自動化科學(xué)與技術(shù)作為發(fā)展方向, 開展下列研究:

a) 人工智能驅(qū)動的自動化;

b) 新一代網(wǎng)絡(luò)化與智能化管控系統(tǒng);

c) 人參與的信息物理系統(tǒng)中的自動化科學(xué)與技術(shù);

d) 新興應(yīng)用領(lǐng)域(量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)) 中的自動化科學(xué)與技術(shù).

開展上述自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展方向的研究必須攻克下列挑戰(zhàn)的科學(xué)難題:

a) 機(jī)理不清的具有綜合復(fù)雜性的動態(tài)系統(tǒng)建模;

b) 具有綜合復(fù)雜性的被控對象的高性能控制;

c) 多沖突目標(biāo)、多沖突約束、多尺度的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化決策與控制一體化;

d) 在大數(shù)據(jù)、移動通訊、云計(jì)算環(huán)境下, 網(wǎng)絡(luò)化與智能化的自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù).

回顧自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程, 我們清楚地看到, 只有結(jié)合重大需求, 采用CPS 思想, 即將自動化(建模、控制、優(yōu)化)、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)等計(jì)算資源與研究對象的物理資源緊密融合與協(xié)同, 以系統(tǒng)的未來需求的愿景功能為目標(biāo), 研究實(shí)現(xiàn)未來需求的愿景功能的建模、控制和優(yōu)化的新算法和研究采用大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)、移動通訊、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)研制新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù),并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展應(yīng)用研究才有可能解決上述科學(xué)難題. 由于我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全對自動化科學(xué)與技術(shù)有重大需求, 我國大多數(shù)大學(xué)都設(shè)有自動化專業(yè), 有國際上最大的自動化科學(xué)與技術(shù)的研究隊(duì)伍, 國家又有專門負(fù)責(zé)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的部門和專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi), 因此, 我國廣大的從事自動化科學(xué)與技術(shù)的研究人員完全有可能做出對中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全有重要影響、引領(lǐng)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的研究成果.

4 結(jié)論

本文以創(chuàng)造未來需求新功能的自動化系統(tǒng)為自動化科學(xué)與技術(shù)的研究目標(biāo), 以國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全對自動化系統(tǒng)的未來需求為導(dǎo)向, 提出生產(chǎn)制造過程未來需求的自動化系統(tǒng)為下列五大系統(tǒng): 1) 制造過程智能自主控制系統(tǒng); 2) 制造全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng); 3) 智能優(yōu)化決策系統(tǒng); 4)智能安全運(yùn)行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng); 5) 工業(yè)過程虛擬制造系統(tǒng); 提出運(yùn)載工具未來需求的自動化系統(tǒng)為下列三大系統(tǒng): 1) 智能自主控制系統(tǒng); 2) 多智能體協(xié)同控制系統(tǒng); 3) 導(dǎo)航制導(dǎo)一體化控制系統(tǒng).

以實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的愿景功能為目標(biāo), 研究建模、控制和優(yōu)化的新算法, 研究采用移動通訊、云計(jì)算、人工智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)的新的自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù), 并結(jié)合重大應(yīng)用領(lǐng)域開展應(yīng)用研究將成為自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向.

由于人參與的信息物理系統(tǒng)如智能工廠、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧城市等和量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)等新興領(lǐng)域?qū)ψ詣踊茖W(xué)與技術(shù)提出了新的需求與挑戰(zhàn), 因此, 下列研究: 1) 人工智能驅(qū)動的自動化; 2) 新一代網(wǎng)絡(luò)化與智能化管控系統(tǒng); 3)人參與的信息物理系統(tǒng)中的自動化科學(xué)與技術(shù); 4)新興應(yīng)用領(lǐng)域(量子通訊、微納制造和生物系統(tǒng)) 中的自動化科學(xué)與技術(shù), 將成為未來自動化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向. 在上述發(fā)展方向做出對國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全有重要貢獻(xiàn)、引領(lǐng)自動化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的研究成果, 需要一大批從事研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)營未來需求的自動化系統(tǒng)的創(chuàng)新人才. 這就需要重新審視和考慮現(xiàn)行的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式、研究經(jīng)費(fèi)資助機(jī)制、評價機(jī)制等, 并進(jìn)行必要的改革.

致謝

本論文得以完成, 得到了中國自動化學(xué)會自動化學(xué)科發(fā)展路線圖項(xiàng)目組的多名專家學(xué)者的支持和幫助, 謹(jǐn)致以誠摯的謝意.