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第六章控制和自动化的展望自动化技术的发展水平是一个国家在高技术领域发展水平的重要标志之一，它涉及到工农业生产、国防建设、商业、家用电器、个人生活诸多方面。本章将通过几个当前发展较快的领域来讨论自动化技术以及控制科学与工程学科未来的发展趋势。6.1计算机集成制造系统6.1.1计算机集成制造系统（CIMS）的产生和发展计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacture,简称CIM）是随着计算机和自动化技术在制造领域中广泛应用而产生的一种生产模式。式,而计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingsystem,简称CIMS)则是在计算机集成制造思想指导下，逐步实现企业生产经营全过程计算机化的综合自动化系统。将计算机集成制造的概念和技术加以发展，并不断付诸实践，期望获得重大效益。这些期望的效益包括：⑴降低生产成本；⑵提高生产效率；⑶提高生产的柔性；⑷增强产品对市场的适应性；⑸提高产品质量；⑹减少生产准备时间和库存；⑺增加企业员工对企业的满足感；⑻增加用户满意度。6.1.2计算机集成制造系统所涉及的自动化技术计算机集成制造系统是多学科的交叉，涉及到许多不同的技术领域。现在仅就涉及的自动化技术加以说明。⑴数控技术制造业的基本工具是各种类型的机器，而现代机器则以数控（NC--NumericalControl）技术为基本的控制操作手段。⑵计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)等借助于计算机进行零部件设计和加工的自动化系统，可以大大提高效率。⑶立体仓库与自动化物料运输系统计算机集成制造系统中一项重要技术就是物料的自动化管理和配送。立体仓库就是实现物料管理的全部自动化，由仓储单元、机器人和相应的管理软件等构成，可以实现物料的自动存取。⑷自动化装配与工业机器人这是实现制造业自动化的关键技术之一，用机器进行零部件的自动装配，其中关键的是各种装配机器人，需要快速性与精确性的高度结合。⑸计算机辅助生产计划制定制造业的理想状况就是完全根据用户需求和企业生产资源配置最优地制定生产计划，即达到最大限度地提高经济效益。⑹计算机辅助生产作业调度制造业中一个很复杂的问题是生产作业调度，即被加工的各种工件在资源（机床、输送线、机器人等）中的路径选择和时序安排的问题。⑺质量监测与故障诊断系统产品制造的质量对企业经营至关重要，而利用各种方法对产品和零部件进行在线质量监测，则是保证产品质量的重要手段。⑻办公自动化与经营辅助决策现代企业的重要标志之一就是信息化与自动化水平。6.1.3我国发展计算机集成制造系统技术的前景为跟踪国外计算机集成制造系统这一先进技术，我国在1987年开始实施“863高技术计划”的CIMS主题，这一时期国外正强调计算机集成制造系统的核心是“集成系统体系结构”。6.2机器人应用于生产和社会生活的各方面6.2.1机器人发展概况机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短40年内发生了日新月异的变化。机器人主要分为两大类：用于制造环境下的工业机器人（如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人），和用于非制造环境下的特种机器人（如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等）。6.2.2机器人涉及的自动化技术机器人是多学科技术合成的产物。但是，自动化仍然是机器人的核心技术，对机器人的研究和发展起着举足轻重的作用。⑴变结构控制与学习控制对于固定位置的机器人，无论是简单的机械手，或者是复杂的多机器人协调运动，其运动控制由于固有的非线性和结构的柔性而变得非常复杂。多关节机械手是一个典型的非线性对象，传统的反馈控制很难保证其控制精度。⑵机器视觉与机器智能在所有机器人传感器，包括机器听觉、机器视觉和机器触觉等研究中，机器视觉是最有挑战性的。如何获取场景和目标的图像信息，并把其处理成机器能够理解的特征或模式，是机器智能中非常困难的研究课题。⑶智能控制与信息融合移动机器人是机器人研究中的热点之一，分为室外智能移动机器人和室内移动机器人两大类。室外智能移动机器人所涉及的关键技术包括移动机器人的控制体系结构、机器人视觉信息的实时处理、车体的定位系统、多传感器信息融合技术，以及路径规划技术与车体控制技术等。所谓路径规划导航与控制，就是根据运动目标以及传感器对周围环境的检测信息，对移动机器人的运动路径进行规划，并按规划的路径进行导航与控制。所谓多传感器信息融合，就是对于各种（同类或异类）传感器获取的不同信息进行联合处理，以获得准确性更高、更具有利用价值的综合信息。6.2.3迈向21世纪的中国机器人1986年我国把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。我国在完成了1000m水下无缆自主机器人的研制后，又开展国际合作，成功地研制了6000m水下无缆自主机器人，并实现了工程化。1995和1997年在夏威夷东南太平洋5800m水深处成功地进行了两次大洋探测试验，用它进行海底录像、摄影、海底地势与水文测量和海底多金属结核丰度测量，自动记录各种数据，取得了海底锰结核分布的宝贵资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。6.3高速列车和太空飞行器的智能控制6.3.1高速列车简介“春城号”是我国目前唯一的动力分散型电动车组高速列车，由长春客车厂、株洲电力机车研究所和昆明铁路局联合开发。该车的电力传动系统是在我国第一列KDZ1型电动车组的基础上采用近年来电力机车交直电传动的成熟技术和最新开发的微机控制技术设计而成的。车组的持续功率为2160kw，持续速度75km/h，最高运行速度120km/h，具有空电联合、电制动优先、电子防滑、空重车调节、储能停车制动等先进的功能。另外，全车还装有多单元重联通信、诊断、显示的微机系统，具有牵引制动特性控制，空转保护，过流、过压、超速保护，总线通信重联控制，自动过电压分相控制，总线传输的信息采集和显示功能。6.3.2人类太空飞行与α国际空间站自古以来太空飞行就是人类的梦想，只有到了20世纪，这个梦想才变成现实。自从前苏联的加加林首次登上飞船遨游太空以来，人们就不断地进行太空飞行试验和建立空间站。α国际空间站是一座有两个标准足球场大小的空间站，将成为人类历史上第一个完备的太空实验室。这样的太空实验室能够进行许多项目的科学研究。在α国际空间站，科学家们将研制最理想的半导体材料，在太空里寻找治病的新方法。我国于2000年成功发射了神舟二号飞船。飞船在太空飞行的几天中，进行了一系列的空间材料、空间天文和空间生物等实验。6.3.3用于高速列车和太空飞行器的智能控制无论是高速列车，或者是空间飞行器，都面临着非常复杂的控制问题。高速列车在钢轨上高速行进，如果控制不当，巨大的离心力足以使其在拐弯处倾覆，而所有关键部件的运行状态则涉及到旅客的人身安全。关于高速列车的智能控制一直是个热门的研究课题，即根据机车运行状态及时地调整列车的摆动位置。这种高速响应的控制必须用智能控制方法来完成。空间飞行器控制也是非常复杂的，除了发射阶段的控制之外，轨道控制需要智能控制方法。此外，在神舟二号飞船上还安装有大气成分探测器、大气密度探测器、径迹探测器，以监视空间环境的变化，为空间环境预报和报警提供实时监测数据。6.4虚拟现实技术6.4.1虚拟现实技术简介虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)，又称为灵境技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为的虚拟环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。虚拟现实技术的起源可回溯到20世纪50年代的美国，而正式提出“VirtualReality”一词是20世纪80年代末期美国可视编程语言(VPL-ProgrammingLanguage)公司的创始人J.Lanier。1990年，在美国达拉斯召开的Singgraph国际会议对虚拟现实进行了专题研讨，并首次确定了虚拟现实的三大主要技术构成，即实时三维计算机图形生成技术，多传感器交互技术及高分辨率显示技术，为虚拟现实的研究奠定了基础并指明了方向。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：⑴多感知性即除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知和嗅觉感知等。理想的虚拟现实应该具有人所具有的全部感知功能。⑵临场感或称沉浸感，是指用户作为主角感到存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。⑶交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。⑷自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。6.4.2常用的虚拟现实系统虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。⑴飞行仿真系统飞行仿真系统一般由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统、显示外部图像的视觉系统、产生运动感的运动系统，以及计算和控制飞行运动的计算机系统。⑵作战仿真系统各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，以反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。⑶用于遥控机器人的遥现技术遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。6.4.3虚拟现实涉及的自动化关键技术⑴动态环境建模技术虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。⑵实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。⑶立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辩率低、作用范围小、使用不便等缺点。⑷应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。⑸系统集成技术由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。6.5巡航导弹和预警飞机6.5.1巡航导弹及其测控系统20世纪50和60年代冷战期间，美国、原苏联以及世界上大多数国家的战略思想是摧毁对方的大中城市、政治经济中心、交通枢纽和战略基地，所以集中力量发展中高空远程战略轰炸机和远程弹道导弹。在翼式导弹和无人驾驶遥控飞机的基础上，利用红外成像技术、精密制导技术、隐形技术，配之以先进的电子集成电路、微型计算机等，研制出小巧、机动灵活、精度高、成本低的低空突防武器——巡航导弹。巡航导弹测控与弹道导弹测控有很大差别，其特点主要表现为：⑴飞行高度极低贴地飞行或贴海面飞行时的最低高度可达5m以下。⑵试验环境复杂试验场包含有山、河流、谷井、丘陵等地形，它们会产生强的杂波干扰背景和多径效应；它们会影响到巡航导弹的测量精度，甚至可能使对导弹的跟踪完全失败。⑶反射面积很小与弹道导弹相比，巡航导弹属“小巧”型、它的直径只有1m左右，长度约6m。所以它的反射面积很小，一般情况下为0.1～0.0.m2。⑷机动性强因巡航导弹的主要作战任务是进行低空突防，其飞向目标的过程中随时可能根据指令变化飞行方向。⑸飞行距离远巡航导弹的作用范围大，比如美国的“战斧”系列巡航导弹作用距离在2500km左右，前苏联的