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1.1 自动化技术在各行业的发展状况 |
近十年来，自动化科学在中国获得了很大的发展，取得了长足的进步，但真正在理论上有较大影响或便于应用的原创性成果仍然较少，基于控制的具有自主知识产权的成果也很鲜见，这与我国处于世界第二大经济体的地位和大力推进科技强国的目标是不匹配的，特别是一些高端智能控制装备仍依赖进口，核心技术亟待突破。
当今处于信息化时代，在日新月异的信息科学大环境中各领域的自动化技术都在快速发展。为了比较精确地把握其发展方向、研究控制科学中一些新分支，就必须对各自动化技术的历史与现状进行系统分析。下面从以下几个自动化技术领域来分别阐述。
（1）发展背景及研究意义
冶金是从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金工业可以分黑色冶金和有色冶金。冶金工业在我国有着悠久的历史，书中这部分内容主要围绕钢铁冶金、有色冶金和矿物处理这三方面对冶金自动化的研究背景进行介绍。
冶金工业是我国国民经济的重要基础产业，其广泛地涉及机械、电子、化工、建材、航天、航空、国防军工等各个行业，为我国国民经济和国防军工发展提供基础和关键性的材料，在经济建设、社会发展和国家安全中具有不可替代的战略地位。随着我国经济的发展，冶金工业也取得了巨大的发展，目前我国在冶金方面的产量和制造能力均居世界前列。但是随着世界经济发展速度的放缓，我国冶金行业面临着利润大幅下降、经营困难等挑战。另一方面现代工业发展对冶金工业在高质量、精细化等方面提出了更高的要求。因此传统的冶金自动化技术已经无法满足现代工业生产的需求，冶金自动化技术的创新和发展是从根本解决冶金工业困境的有效途径。
（2）研究现状及发展方向
随着信息技术和自动控制技术的发展，冶金自动化和其他行业一样取得了长足的发展与进步。冶金工业属于典型的流程工业过程，其自动化系统普遍采用PCS（过程控制系统）、MES（制造执行系统）和ERP（企业资源规划系统）所构成的三层体系结构。各个层次系统的发展概况如下。
目前我国大多冶金行业生产过程控制系统（PCS）广泛采用了PLC、DCS、工业PC实现数字化自动控制，现场总线、工业以太网相结合的网络应用已经普及，无线通信、RFID等物联网、移动通信网开始应用；常规检测仪表的配备比较齐全，钢水温度成分预报、铸坯和钢材表面质量等软测量技术在现场获得应用；取样测温、扒渣、自动标识等工业机器人开始应用于钢铁过程；将工艺知识、数学模型、专家经验和智能技术结合，应用于炼铁、炼钢、连铸和轧钢等典型工位的过程控制和过程优化；涌现了操作平台型高炉专家系统、“一键式”全程自动化转炉炼钢、智能精炼炉控制、加热炉燃烧优化控制、热连轧模型控制、冷连轧模型控制、竖炉和磨机等耗能设备智能运行反馈控制、铝电解槽优化控制等先进控制技术与系统。
制造执行系统在大型冶金企业基本普及，通过信息化促进生产计划调度、物流跟踪、质量管理控制、设备维护、库存管理水平的提升；EMS（能源管理系统）通过建立能源中心，实现了电力、燃气、动力、水、技术气体等能源介质远程监控、集中平衡调配、能源精细化管理等功能；涌现了全流程物流件次动态跟踪、炼铸轧一体化计划编制、高级计划排产、设备在线诊断、一贯制质量过程控制、基于大数据的产品质量分析等技术和系统。
企业资源规划系统在信息化技术的支撑下已经在基于互联网和工业以太网的ERP、CRM（客户关系管理）、SCM（供应链管理）、电子商务等取得成功应用，在更好地满足客户需求、缩短交货期、精细控制生产成本方面发挥了作用；一些重点企业在聚集了海量的生产经营信息资源的基础上，建立了数据仓库、联机数据分析、决策支持和预测预警系统，着手进行数据挖掘、商业智能等深度开发；一些重点企业建立了集团信息化系统，支持企业一体化购销和异地经营，涌现了产销一体化、供应链深度协同等具有国际先进水平的技术和系统。
冶金自动化系统的发展也面临新的问题和挑战。从企业内部情况来看，各层次功能相对独立，无法实现各种终端的互联，信息交互不畅，忽略了不同生产过程之间以及调度管理信息间的紧密联系，使大量的信息和知识得不到有效利用。从企业之间情况来看，企业普遍存在着设备网、控制网、现场总线、工业以太网和互联网等多种网络形式且各网络互不兼容，信息的开放、共享和可用性较差，部分信息传输的实时性得不到保证。新一轮产业革命正在孕育，高技术与战略性新兴产业迅猛发展，对冶金工业的需求不断增长，为其发展提供了新契机。大数据、人工智能、工业互联网、工业云等新技术为冶金工业的发展创造了新动能和新挑战。因此，如何实现冶金行业智能制造和智能生产是未来一段时间研究的重点。
（1）发展背景及研究意义
自动化系统是石化工业实现生产“安、稳、长、满、优”的重要保障和技术系统，随着化工过程规模和复杂程度越来越高，其突出问题是，在原材料变化情况下如何保证系统的正常运行和优化，这给工业自动化系统提出了更高的要求，增加了更多的难度。
石化工业流程长、产品多、工艺复杂、装置规模不一，在激烈的世界市场竞争中，其产品结构需进一步优化，技术水平急需提高。各企业需要持续提高运行管理和日常操作优化等水平，通过细化管理和技术进步，进一步保证工业系统运行安全、提高能源利用效率、降低能源消耗，推进装置的节能减排高效运行。
以上总体目标的实现离不开工业过程自动化和运行优化技术。工业过程自动化是信息技术、计算机技术和工业过程仿真技术等综合利用，对生产过程的知识与运行信息进行处理和整合，借助生产过程控制技术和集成管理，提高和发挥企业的潜在生产力，实现工业过程的自动化与智能化运行及与效益、能耗、产品、环境等密切联系的生产指标获得优化控制。
（2）研究现状及发展方向
由于在典型的炼化装置生产操作过程中，存在着动态响应时间滞后、变量未能在线测量、动态响应非线性、干扰相互偶合、约束、大的外部干扰等特性，从而导致传统的PID控制效果不佳。20世纪70年代初，学术界提出以多变量预估控制为核心的先进控制（advanced process control，APC）理论，根据装置运行的实时数据，采用多变量模型预估技术计算出最佳的设定值，送往控制器执行。多变量预估控制范围不再只是针对某个具体的工艺测量值或与之有关的变量，而是根据1组相关的测量值乃至整个装置的所有变量。通过实施APC，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使生产装置在接近其约束边界的条件下运行（卡边操作）。20世纪90年代以来，大规模的模型预估控制和用于优化的非线性预估控制技术得以完善，在石油化工行业获得广泛应用，大量工业装置在已有DCS基础上配备了先进控制系统。
先进控制可以保证该控制环节稳定运行在给定工况，但先进控制不能确定装置的最优工况及对应的生产参数。针对该问题，在先进控制的基础上，进一步研发出针对整个装置的在线、闭环在线优化（real-time optimization，RTO）技术。在线优化是模拟和控制的紧密结合，在装置稳态模型的基础上，通过数据校正和更新模型参数，根据经济数据与约束条件进行模拟和优化，并将优化结果传送到先进控制系统。
近10年来，在先进控制的建设完成之后，进行在线优化建设已经成为过程工业的热点，国外化工企业纷纷在主要化工装置上实施了在线优化系统，并获得了良好的经济效益回报。
先进控制和在线优化不仅是生产过程的核心，更是企业信息化的关键所在，因此应在企业信息化建设规划中加以统筹，实现与MES、APS、ERP等信息系统及DCS、PLC等控制系统的有机整合，从而进一步促进工业化和信息化融合。
当前世界各国先进的石油化工企业正在越来越深入广泛地利用信息技术解决生产实际问题，通过应用先进的信息技术，为企业取得了巨大的经济效益，成为企业技术进步中一项投入少、增效快的重要措施。国外大企业集团在制订今后20年技术发展规划时，均进一步增大了有关信息技术开发应用的比重。国外炼化行业信息化的发展趋势是：生产过程进一步向集中控制发展，生产过程信息与经营管理信息集成，实现管控一体化，工厂管理模式向高效率的扁平化方向变化；提高生产过程先进控制、优化及处理故障水平，直接从生产过程中获取效益，生产多种牌号产品、新产品满足市场需求；利用在线模型实时指导生产全过程，降低生产成本，提高生产经营效益，增强企业的竞争能力。面对日益增长的竞争，对于生产装置的局部和整体的优化被提到了前所未有的高度。
（1）发展背景及研究意义
能源与环境问题关系到人类社会的生存和可持续发展。当前，可持续发展和能源安全、环境保护和全球气候变化的矛盾突出，完全消耗煤、油等化石能源的能耗模式难以为继。优化能源结构，在能源的生产和消费中节能减排，充分利用多种能源特别是可再生能源，协调优化能源生产与需求，是解决能源与环境问题必须采用的措施。目前能源利用主要存在四个方面的问题：首先充分利用水能，迅速扩大使用风能、太阳能等可再生新能源，是最终解决能源环境问题的必由之路。其次是风能、太阳能等可再生能源产能的不确定性，即产量由风速、光照强度等自然条件决定，它们的精确预测十分困难，且无法大规模经济存储。风电、光电等可再生电源接入电网后，如何保证电网安全稳定运行，具有很大挑战性。而能源需求端的节能优化极其重要，如何实现更新改造生产设备和工艺的节能潜力，同时优化企业能源系统的运行都是能源节能减排的重要方向。最后能量实时平衡是能源电力系统自动化运行的特点，当能源供应包含较大比例的可再生新能源时，产能具有高度不确定性，电网很难按传统的方法满足电能需求。另外，能源需求特别是高耗能企业的能源需求通常也具有高度不确定性。不确定能源供给与不确定能源需求之间的多尺度时空匹配，对能源系统的安全经济运行提出了全新的挑战。
实现上述节能减排的关键是信息科技和能源自动化技术。应用最新的信息技术，充分感知能源生产与消耗的状态信息以及与可再生能源生产密切相关的环境信息，对能源生产和消耗进行实时监测、预测、统一优化调度和控制，以便优化协调和配合能源生产和消耗，在不改变设备和工艺的前提下，实现节能减排、降低能源生产成本的目标。
（2）研究现状及发展方向
能源的自动化可体现在各个能源领域的各个阶段。目前主要有火力、水力、风力、光伏、光热发电这五种发电方式，虽然可持续再生能源作为一种新型能源，其技术尚未成熟，但是火力、水力发电自动化系统作为一种成熟的能源控制系统，给这些可再生能源的自动化提供了一定的参考价值。
一个完整的能源自动化系统一般包括两部分：数字化总体控制系统，不同级别的监控信息系统。目前应用最为广泛的数字化总体控制系统为分散控制系统，其主要综合了顺序控制、协调控制、逻辑控制以及专家控制等综合控制，整个系统基本实现了智能化、分散化的总体目标；而现场总线作为连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，可以更好地实现现场设备的数字化与智能化，但是由于技术和商务的原因，现场总线技术仍未实现控制系统的全面覆盖。监控信息系统是通过将整个发电的自动化系统进行互联，建立统一的实时数据库和应用软件开发平台。另外，架设控制系统与管理系统的桥梁，实现生产信息与管理信息的共享。在此基础上，通过计算、分析、统计、优化、数据挖掘手段及图形监控、报表、WEB发布等工具，实现发电厂生产过程监视、机组性能及经济指标分析、机组优化运行指导、机组负荷分配优化、设备故障诊断、寿命管理等应用功能，从而在更大的范围、更深的层次上提高生产运行和生产管理的效率，为企业经营者提供辅助决策的手段和工具，最终提高发电企业的综合经济效益。遗憾的是，监控系统的发展并不尽人意，上面提出的许多目标都没有实现。现在应用比较成熟的主要功能有发电厂生产过程远程监视与数据报表、机组性能及经济指标计算等。关于监控信息系统还有许多理论和技术需要做较为深入的研究。
当前，可持续发展和能源安全、环境保护和全球气候变化的矛盾突出，能源生产与消费模式的革命成为国际共识，也成为以德国“工业4.0”、“中国制造2025”等国家战略为代表的第四次工业革命的一部分。信息与能源技术深度融合，形成能源流与信息流融合的信息物理融合能源系统（CPES）或者能源互联网，对提高能源利用效率，推动节能减排至关重要。因此如何实现能整个能源网络的自动化也成为目前及未来的研究热点之一。
（1）发展背景及研究意义
书中这部分内容主要讨论可编程控制器（program logic controller，PLC），PLC为一种专为工业环境应用而设计的数字运算装置，由可编程的存储器、控制器和IO接口构成。通过顺序循环执行的输入信号采集、控制指令执行与运算结果输出等操作实现对目标装备与生产过程的监视、控制和管理。其融合了自动化、计算机以及网络通信等技术，成为各种机械装备和生产过程控制中最为重要和普及，应用场合最多的工业控制网络装置。
在PLC的多年发展过程中，逐步在逻辑控制、流程控制以及运动控制领域中形成了相应的编程标准，同时监控管理组态软件的流行以及标准网络接口的加入分别解决了PLC控制系统的编程开发、监控管理与网络通信问题，推动了其在冶金、汽车、市政、交通、纺织、机器人等各领域的应用。虽然目前的控制软件能够解决控制网络中PLC设备在不同场合下的应用，但是在生产规模、生产效率以及生产工艺要求日益提高的情况下，PLC对于控制网络增大，控制逻辑复杂产生的问题无法很好地解决，主要包括以下两部分问题。
首先在各类工业现场中受布线条件、应用环境与成本等因素影响，多种不同类型的总线并存。不同类型的总线由不同厂商的PLC设备提供支持。但对控制系统而言，这些互不兼容的网络相互孤立，不同总线内部的数据无法自由流动和共享，系统集成困难。其次在PLC控制系统中，随着系统规模、网络结构的日益复杂，在控制能力提高的同时，系统的开发与维护难度也急剧增大。现有的设备和编程开发工具都是面向单个设备的编程方式。用户局限于网络内单个设备功能的实现，其开发效率、维护难度以及从系统角度实现网络环境的整体功能的实现。
因此，在多种网络构成的PLC控制系统中，如何对网络内不同总线不同类型设备进行统一的操作、管理与监控；如何提高统一操作与管理过程中的通信效率与服务质量；以及如何将控制网络视为一个整体进行统一的编程开发，通过编译将控制程序分散下载至最佳设备，是PLC控制网络发展过程中必须要解决的问题。
（2）研究现状及发展方向
PLC控制系统由设备、变量与网络组成。PLC设备以事件触发、循环扫描的方式执行控制程序，完成各自的控制功能；变量记录控制指令的执行结果与控制程序的运行状态；通过网络进行设备间程序运行级别的程序同步与数据共享，实现控制程序的分布式执行。由此可知多总线集成及程序开发与编译是工业控制网络中最重要的两个部分。
不同类型的设备具有不同的参数，不同的工程应用对应不同的变量定义与控制程序，而不同总线则需要不同的参数与变量获取方法。在IEC61158第四版标准中，定义了包括11种工业以太网在内的19种现场总线标准。而在目前控制网络中，控制软件应分别支持不同总线的通信方式、通信命令与报文，目前主流的多总线设备集成主要有EDDL、FDT以及OPC-UA技术，都是从不同角度实现了总线的设备集成，但本质上以上三种技术均需要针对不同总线开发专用软件与设备通信，如果设备非标或设备厂商没有提供上述软件产品，现场工程师很难开发出满足标准的EDDL解释程序、设备与通信DTM组件或OPC UA服务器程序，这也成为工业现场开展设备集成工作所面临的主要问题。目前国内外已有学者开始尝试使用XML语言对通信协议的内容开展描述研究，如Baroncelli等提出了XMPL（XML-based Multi-Protocol Language），同时从2012年开始，由斯坦福大学主导提出的软件定义网络SDN技术受到了越来越多的学者与研发人员的关注。虽然尚未在工业中得到应用，但是都从不同角度对解决现有的多总线设备集成问题有一定的启发性。
目前可编程控制系统的程序开发需要针对每个控制器单独编程，相关研究主要侧重于编译算法、程序优化方法以及针对各自硬件平台的程序并行执行算法。目前已有大量方法针对不同的目标平台与编程语言开展了PLC控制程序的编译、优化与仿真研究，但都只是针对单台设备，没有涉及网络化多PLC控制系统设备间程序并行分析、任务分配与变量同步等问题的研究，这将是未来PLC工业控制网络研究的重点和难点之一。
（1）发展背景及研究意义
从自动化和人机交互的发展来看，二者是相辅共生的关系。随着数量庞大的知识与信息的产生，许多复杂的问题单纯依靠自动化技术很难获得精确且高效的处理结果，往往需要借助于人机协同和交互来实现最终的目标。从发展趋势来看，随着大数据研究与应用的迅速发展，如何能够在庞杂稀疏的海量大数据中自动获取有价值的知识与信息，做出正确的决策，是大数据时代要解决的核心问题，也是提升人工智能水平所面临的难题。同时，随着知识总量以爆炸式的速度急剧增长，旧的知识很快过时，知识像产品一样在频繁更新换代，人类当前分析利用海量知识的能力，还存在着巨大的不足。
人机交互自动化包括人与计算机或智能空间的通信过程，随着信息化进程的推进，其应用已渗透到了包括文化教育、医疗卫生、制造服务业等国民经济各行业和国防军事领域，并已成为21世纪重大信息技术之一。全球著名的管理咨询公司麦肯锡于2013年5月发布了一份题为《颠覆性技术：技术进步改变生活、商业和全球经济》的报告，就2025年影响人类生活和全球经济的颠覆技术进行了预测，其中最具影响力的前五项颠覆性技术中的移动互联网、知识工作自动化、物联网和先进机器人四项，均以人机交互与自动化作为重要支撑。国家对于下一代人机交互与自动化的理论和方法对于经济社会发展的推动作用有着十分清楚的认识，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中把人机交互与自动化理论作为支撑信息技术发展的科学基础，并列入面向国家重大战略需求的基础研究；“十二五”科技发展规划把同人机交互与自动化相关的研究列入强化前沿技术研究领域，强调要突破“海量数据处理、智能感知与交互等重点技术，攻克普适服务、人机物交互等核心关键技术。”人机交互与自动化解决的是人类如何与计算机智能地相互作用，以及如何设计出与计算机智能地互动的工具，这不仅是人们日常使用计算机和诸多高端应用领域面临的重大课题，也是人类如何设计和使用科技这一重大主题的核心内容。
（2）研究现状及发展方向
人机交互与自动化相结合的技术体系，从基础的理论到最终的产业化应用形态共分为四个层级：“模型与方法层”，“范式与关键技术层”、“平台层”、“产业应用层”。为支撑上述技术体系，针对人机交互与自动化相结合技术的特点，目前国内外已有的关键技术包含以下几个方面：主要研究视觉传感、深度传感、触控传感等多传感器数据融合技术的多源感知技术，主要研究新一代语音识别技术、人体姿态估计技术、手势理解技术等的自然交互技术，主要研究依赖新型传感器的人体生理参数获取及理解技术的生理计算技术，主要研究新型主动式及被动式单向脑机接口技术，主要研究基于多元信息融合技术的用户意图理解算法，主要研究对用户情感状态的理解和基于情感的交互技术，主要研究复杂信息及其分析结果的呈现方式的信息可视化技术等。同时为了更好实现人机交互的信息传递及其可视化，行为捕捉装置、生理信息采集器件、脑机接口芯片、微显示设备、自动化处理平台、自然交互平台等硬件系统同样需要进行重点研发。
目前国外许多国家已经把人机交互与自动化相结合作为研究发展规划的重点。美国政府的“网络与信息技术研发计划战略规划（NITRD）”中对人机交互和信息系统（HCI&IM）的预算每年占比达20%，在八个领域中列第二。麦肯锡2013年报告列出的前五项颠覆技术中有四项（移动互联网、知识工作自动化、物联网、先进机器人）以人机交互为支撑。以美国为代表的许多国家已经把人机交互与自动化相结合作为研究发展规划的重点。而我国同样在不断加大在人机交互领域的投资，目前在机器人、智能穿戴设备以及智能家电等方面也已经取得了相当大的进步。
（1）发展背景及研究意义
数控系统是机床装备的“大脑”，是决定数控机床功能、性能、可靠性、成本价格的关键因素，数控系统关系到国家经济、产业安全和国防安全。是现代各种新兴技术和尖端技术产业的“使能产业”。
目前在我国数控系统中，经济型数控系统已形成规模优势并主导中国市场；普及型数控系统已经形成了较大的产业规模，但日本、德国等外国品牌的市场份额仍然较高；国产高档数控系统的关键技术已经取得突破，但外国品牌仍然占据绝大多数份额。
可看出，我国数控系统产业仍基础薄弱，“缺心少脑”，作为信息“大脑”的数控系统其安全可控和自主化应用问题形势依然严峻。因此为实现国产数控系统产量市场占有率和产值市场再提高，需要数控系统包括伺服驱动、伺服电机等关键技术的自主创新和自主可控。
（2）研究现状及发展方向
数控技术的发展始于1952年，美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，开创了世界数控系统技术发展的先河。20世纪90年代以来，受计算机技术高速发展的影响，利用PC丰富的软硬件资源，数控系统朝着开放式体系结构方向发展。该结构不仅使数控系统具备更好的通用性、适应性和扩展性，也是智能化、网络化发展的技术基础。进入21世纪，数控系统技术在控制精度上取得了突破性进展。从而获得更高的加工精度。目前，德、美、日等国企业已基本掌握了数控系统的领先技术。运转率进一步提高，循环时间得以缩短，并逐步实现了数控系统的数字化、无纸化生产以及网络化和智能化。
我国对数控系统技术的研究始于1958年，经过几十年的发展已形成具有一定技术水平和生产规模的产业体系。虽然国产高端数控系统与国外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距，但近年来在多轴联动控制、功能复合化、网络化、智能化和开放性等领域也取得了一定成绩。
为进一步发展我国的数控系统技术，建议加大我国对数控行业的扶持力度。建议进一步加强、集中对数控系统行业的管理和协调功能，充分发挥政府的服务功能，及时解决发展中的问题，推动国产数控系统行业的持续健康发展。同时，加强协调指导，采取多方面的政策措施，支持我国数控系统自主化建设。此外，在国家拉动内需政策实施过程中，切实带动国产数控系统企业的发展，避免出现拉动“外需”的出现。
（1）发展背景及研究意义
机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，可以辅助甚至替代人完成工作。现在已从最初的简单机电一体化装备，逐渐发展为具备生机电一体化和智能化特征的装备，通过加装的传感器信号进行信息融合而具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能，从而能更方便地服务人类生活、扩大或延伸人的活动及能力范围，并显示出不可替代的作用和地位。机器人作为高端智能装备的突出代表，是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，它的发展越来越受到世界各国的高度关注。
目前，机器人系统可细分为特种机器人、服务机器人和工业机器人这三大类机器人系统。随着新材料、新能源以及人工智能等技术的快速发展，机器人的智能化程度将越来越高，特别是人机交互的层次将日渐加深。同时，由于新一代信息技术与机器人技术的深度融合，机器人将具备更深层次的思维和学习能力。
工业机器人即面向工业领域应用的机器人系统，主要从事焊接、装配、搬运、切割、喷漆、喷涂、检测、码垛、研磨、抛光、上下料、激光加工等作业，能改善工人工作环境、提高劳动生产率、提高成品率、改善健康安全条件、缓解招工压力等。它是产业高端化的重要指标，是提升制造产业发展质量和竞争力的重要路径。
特种机器人是面向特殊应用的机器人系统，从运动空间上包括地面机器人、水下机器人、飞行机器人、空间机器人等。机器人可以替代人员进入危险环境进行长时间、近距离作业，提高任务完成效率，保护人员安全，对维护社会稳定和经济发展起到重大作用。
服务机器人是面向家庭、生活及类似环境中的机器人系统，包括医疗机器人、康复机器人、行为辅助机器人、家政服务机器人、教育娱乐机器人、助老助残机器人等。可以有效缓解老龄残障人群的社会服务压力、推动民生科技快速发展、是实现先进科技成果惠及民生的战略举措。
（2）研究现状及发展方向
机器人既是制造业的关键支撑装备，也是改变人类生活方式的重要切入点，正成为全球高科技竞争的新增长点。世界机器人前沿技术已经从最初的简单机电一体化装备，逐渐发展成为具备生机电一体化和智能化特征的装备，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。
以欧美及日本为代表的工业机器人技术日趋成熟，从伺服系统、精密减速器、运动控制器三大核心零部件的核心关键共性技术，到系列机器人本体、典型行业工艺与集成应用、多机协作与网络协同控制等关键应用技术，都已到达实用化水平。我国工业机器人技术在多个领域已实现了技术突破，产业已经初具规模。初步突破了国产电机及其驱动、减速器、控制器的关键技术研发和小批量试制，并在国产机器人上实现小批量应用。在工业机器人领域我国已形成了工业机器人全系列的产品，实现了初步产业化，在多个领域得到广泛应用。
国外特种机器人技术具有较高技术成熟度和工程化水平，在航天、军事、反恐防暴等领域应用成果显著。随着高性能仿生、高速作动、多模感知以及新能源、新材料在特种机器人领域的应用，将推动国际特种机器人技术水平达到一个新的高度。我国部分特殊环境服役机器人进入实际应用，包括水下机器人、南极科考移动机器人样机、核裂变堆运行维护机器人、灾难救援、公共安全等多种型号机器人样机等。
国外服务机器人在关键共性技术方面实现突破，医疗康复等行业形成了较大的产业规模。我国服务机器人技术经过多年发展，在医疗康复、助老助残、家政服务等方面实现了丰富的技术积累，取得了一批技术成果，实现初步产业化。
为进一步发展我国的机器人自动化技术，对于工业机器人，需要从优化设计、材料优选、加工工艺、装配技术、专用制造装备等多方面入手，全面提升高精密减速器、高精度伺服电机、高性能机器人专用伺服驱动器、网络化智能型机器人控制器等关键零部件的质量稳定性，以突破技术壁垒。为推进服务机器人实现商品化，重点突破人机协同与安全、信息技术融合、影像定位与导航、生肌电感知与融合等关键技术。此外，要大力开展新一代机器人技术，包括人机共融、人工智能、机器人深度学习等前沿技术研究。
（1）发展背景及研究意义
汽车电控系统是根据汽车机械结构，通过电子技术实现汽车控制与优化的机电一体化车体控制装置。汽车电控系统包括动力控制系统，底盘控制系统和车身电子控制系统。从产品需求角度来说，汽车电控系统除了复杂的功能要求外，还应具备实时性，安全性、可靠性，以及环保性。市场需求对汽车电控系统的高标准要求，使得电控系统在技术开发过程中面临诸多问题、开发周期较长，对传统控制理论和方法的应用提出了挑战。
如今，汽车电子化程度的高低，已成为衡量汽车综合性能和技术水平的重要标志。在汽车产业高速发展的直接推动下，我国汽车电子零部件产业有了长足的发展，国内汽车电子作为后发市场，汽车电子厂商多集中在附加值较低的领域，与国外巨头差距较大。此外，过去几年我国汽车电子产业在国内汽车产业飞速发展的带动下发展迅速，企业的技术实力、服务水平都得到较大提升。但是国内汽车电子企业与国际大型的汽车零部件、汽车电子企业相比在技术积累、经验等方面仍存在较大差距。
（2）研究现状及发展方向
我国是汽车工业大国，却不是汽车工业强国，汽车电子产业的发展同时面临巨大挑战，巨大的汽车电子市场基本掌握在国外汽车电子公司手上。
内燃机电控系统的提升和改进是由发动机结构优化推动的，因此，全球领先的汽车企业往往又掌握着最新的技术，包括缸内直喷技术、进气增压技术、可变气门正时及升程技术、废气再循环技术、可变进气歧管技术等、燃烧速率控制技术和可变排量技术等。传动系统在结构上趋向于多档化和大扭矩承载能力方向发展，以增强对发动机工作点的调节能力，提升车辆的动力性和经济性，新技术在于对机械结构和执行机构的优化。底盘控制系统中的制动系统在结构上变化不大，防抱死系统是主动安全的基础和核心技术，一般基于液压或气压制动实现。
新能源汽车的电子控制单元（ECU）包括能源再生制动系统、电机控制系统、动力总控系统、电动助力转向系统以及能源管理系统，决定着汽车的动力性、安全性、可靠性、能源利用率以及控制策略。动态协调控制策略是复合制动技术研究的核心部分，目前国内外应用的控制方法主要有模糊逻辑控制、PID控制、模型预测控制等。新能源汽车的电机驱动系统现阶段通常用永磁无刷直流电机作为轮毂电机，其最大的特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化，并且便于采用多种新能源车技术。新能源汽车的动力总成控制系统主要由电源系统和驱动系统组成。针对现在使用的镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池的比功率相对比较低这个问题，超级电容得到了发展，它具有传统电容和电池两者的优点，提高电池的比功率。另外，近年来各种智能控制技术、模糊控制技术、神经网络控制技术已开始应用于汽车电机控制中，具有结构简单、响应快、抗干扰强的优点，极大地提高了驱动系统的技术性能。对于新能源汽车的电动助力转向系统，目前国内外的控制方法主要是PID控制、模糊控制和 H ∞ 控制三种方法。其他的方法还有神经网络控制和最优控制。对于能源管理系统的研究主要集中在电池组的专家诊断系统、荷电状态（SOC）和健康状况（SOH）的估计、电池组的均衡管理策略。目前国内外对SOC和SOH的估计策略有较多的研究，最近几年兴起的方法有卡尔曼滤波法、神经网络法、线性模型法及一些其他衍生的算法。
（1）发展背景及研究意义
随着通信、控制与计算机技术的飞速发展，列车自动驾驶（ATO）的研究成为轨道交通自动化的一个重要课题。列车自动驾驶ATO系统有利于提高铁路运输的自动化程度，将在保障行车安全、提高运输效率、降低司机劳动强度等方面发挥重要的作用。目前，城轨列车自动驾驶已经得到了广泛的发展和应用，而重载铁路和高速铁路由于其自身的复杂、网络庞大、车辆类型繁多等特点，尚未完全实现或应用列车自动驾驶ATO的功能。
（2）研究现状及发展方向
全自动运行技术是一项全球领先的技术，虽然已经发展到了相对成熟的地步，但是我国在此方面还相对落后，北京地铁机场线和上海地铁10号线均采用国外技术，只有即将开通的北京地铁燕房线是具有完全自主知识产权的我国第一条全自动运行线路。
列车驾驶策略的优化技术起源于20世纪70年代，近年来列车节能速度曲线研究的焦点是“充分考虑现实列车站间运行过程中的约束条件”与“设计快速有效的算法”，且国内外很多学者都做了深入的研究，取得不错的成果。另外为列车速度跟踪控制技术逐步发展为自适应控制以应对控制过程中参数时变，以及容错控制方法来增强ATO可靠性。
为发展汽车自动化技术，需要跨学科的协作来推进控制理论方法在汽车控制工程中的应用，而且人机交互与一体化决策控制尤为重要。
（1）发展背景及研究意义
航天航空自动化技术主要包括航天器和航空器的自动控制，以提高其稳定性和性能指标。航天器的自动控制是指对航天器的姿态和轨迹的自动控制，需应用多变量控制、统计滤波、最优控制和随机控制等理论，使控制系统具有自适应和自组织的能力。航空器采用主动控制技术，并采用电传操纵来改善飞机的性能，同时采用余度技术来保证电传送的可靠性。近代飞机中的飞行管理系统是将各分系统联合起来使性能达到最好的水平。当对飞机要求较高时，采用综合控制，包括智能控制以完成许多复杂的自动控制和高指标。
航空航天技术处于装备制造业的制高点，是一个国家科技水平、国防实力、工业水平和综合国力的集中体现和重要标志。
目前，在航空领域，不仅美、欧发达国家加快发展民用航空工业，巴西、日本、韩国、印度等国家也将民用航空工业作为战略高科技重点发展。近年来我国民用飞机由研制生产中小型飞机逐渐向大型飞机延伸发展，随着低空领域改革进程的加快，我国通用航空技术将步入发展快车道。
在航天领域，美国、俄罗斯、欧洲、日本及印度等国家和地区持续加大航天领域投入，加强空间基础设施建设，为航天科技快速发展提供坚实基础。全球航天科技进入高速成长期，航天制造业发展势头强劲。我国已具备快速发展的基础条件，发展前景广阔。卫星制造、运载系统、地面设备和卫星应用各领域均实现快速增长。下一步，我国航天科技将由试验应用型向业务服务型加速转变，并从以国家投入为主向多层次、多渠道投资体系转变。
（2）研究现状及发展方向
为提高航天、航空器的可靠性，除保证设备、系统的固有性能和余度外，还必须加强故障诊断、定位、隔离和系统重构。因此利用实时知识基的专家系统，采用分级递阶智能控制系统或专家控制系统来满足进一步的改进需求。
超声速飞行控制系统设计遍及古典控制、现代控制、时域方法、频域方法、线性控制、非线性控制、鲁棒控制、自适应控制、预测控制、智能控制等方法。
航天器轨道机动可以分成绝对轨道机动和相对轨道机动两大类，目前国内外很多学者用直接法和间接法设计了很多最优轨道机动控制律方法。对于航天器轨道交会系统，低增益反馈方法是一个常用的高性能控制律方法，经各种具体分析和设计，取得了很多研究成果。
航天器姿态控制主要是基于现代控制理论，如线性方法：LQG优化控制， H 2 / H ∞ 控制，以及基于LMI的多目标控制，以及非线性方法：基于Lyapunov直接方法、滑模变结构控制、反步法（Backstepping）控制、自适应控制、非线性 H ∞ 控制、反馈线性控制等。
姿轨一体化建模包括姿态轨道“独立—耦合”建模方式、基于对偶四元数建模方式等。此外，执行机构如何配置以实现轨道机动和姿态调整所需的控制力和控制力矩也是中外学者研究的一个热点。
对于空间联合体控制技术，现有基于线性模型的控制方法包括最优控制、鲁棒控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等，以及基于非线性模型的控制方法如模糊控制、非线性滑模控制、自适应变结构控制和反馈线性化等。
航天器编队飞行凭借巨大的技术优势、广阔的应用前景，从诞生之初就获得了世界各航天大国的青睐，成为当今一大热门研究领域。各国分别提出并实施了一系列航天器编队研究计划。理论上，航天器编队飞行动力学控制方面的研究主要包括编队初始化，构形保持控制以及构形重构。而编队动力学控制研究主要围绕相对运动模型以及编队控制器设计两方面。
此外，为稳步推进航天航空自动化系统的发展，应遵循“先期概念研究——地面仿真、测试和试验——飞行试验——建设实用系统”的发展思路，并注意对航天航空自动化系统的各个组成部分进行合理安排，从整体上推进航天航空自动化发展进程。
（1）发展背景及研究意义
陆用装备指地面战场使用的常规重型机械化装备和轻型地面作战装备及相应的作战指挥系统。陆用装备自动化系统主要由陆上主战武器系统、信息支援系统、指挥控制系统以及装备保障系统四部分组成。随着高科技的军事应用与发展，武器装备向精确化、远程化、智能化、系统化方向发展，因此发展高技术武器及传统武器的信息化升级将成为各国争夺的制高点。
我国在陆用装备控制技术方面的研究取得一定进展，但仍需吸取国外陆用装备控制技术的长处、并继续对我国陆用装备中各领域的控制技术进行技术、理论、方法、应用的创新，以进一步提高我国陆用装备自动化水平，来应对未来战争和战场需求。
（2）研究现状及发展方向
随着信息技术等各种高技术在军事领域的广泛应用，陆用装备呈现出机械化与信息化综合集成的发展趋势，即网络化、一体化、智能化、无人化和协同化这五种技术特征。网络化是指通过相互联接的指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察构成的网络化武器装备系统的网络能力，达到了平台相互联接的联合作战能力，实现了构建一个完善的多传感器信息网络；陆用自动化技术一体化是指随着计算机技术和通信技术的发展，原有的火力控制，指挥控制等分属多个领域的技术界限越来越模糊，控制、通信与计算一体化，控制、决策与管理的一体化直接导致了火力控制与指挥控制的一体化；陆用装备的智能控制系统是一种在信息智能处理基础上给出任务决策配合操作者完成作战任务的系统，具有自主性、灵活性、共享性和可靠性，能够完成态势感知、敌我识别、信息共享、自主诊断、辅助决策、任务链动态构架等功能，并具有良好的人机交互性；陆用无人装备的智能化主要表现采用智能控制技术，能自动识别、自主打击目标并自动进行杀伤评估，并应用在智能化的无人驾驶飞机与直升机以及智能化的无人化车辆等方面；陆用装备的协同研究主要集中在对坦克以及陆航直升机等陆用装备通过多智能体协同执行任务和利用MAS技术构建火力分配模型。
未来陆用装备系统的核心理念将向着敏捷性、自适应的方向发展，利用大数据技术、人工智能技术、实时动态规划、基于知识的技术方法，向智能化、一体化、无人化发展。