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論文摘要：網絡與控制的學科交叉研究與產品的研發是我們面臨的一個機遇與挑戰。在網絡控制系統和網絡的控制中都有不少問題可研討。

二十年前，面對計算機與控制交叉發展的機遇與挑戰，中國計算機學會工控機專委會(其前身:中國電子學會電子計算機專業委員會工業計算機學組)誕生。二十年后的今天，我們又面臨新的機遇與挑戰，其特征之一就是，信息科學技術快速發展所引發的計算網絡與控制科學技術的交叉發展，本文簡稱為“網絡控制”對此#已有不少論述。本文只是簡要討論一些看法。

1網絡控制的機遇

近年來信息科學技術與信息產業的發展十分迅猛，新思想、新技術相繼問世，網絡方面的新技術和產品迅速進入市場。而在經歷一個大發展后，自動化及控制理論在其發展中也出現一此“困惑”，各國均十分關注自動化科學與技術面臨的機遇與挑戰。1986年IEEE與美國國家基金委專家高峰會發表“對控制的挑戰”一文;1990-1993年IFAC組織了“控制在工業中的應用而臨計算機的挑戰”調研……我國也十分重視這個問題:1999年宋健在IFAC大會報告:21世紀的控制;2002年中國國家自然科學基金委召開“中國自動化領域發展戰略高層學術討論會”在這此討論中，信息的控制、網絡技術對控制的沖擊等都是一個議題。維納《控制論》一書的副標題是:“關于在動物和機器中控制和通信的科學”;而在《控制論》第一版序言中他又指出“如果一門新的科學學科是真正有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應該隨著歲月而轉移……因此，控制論學家應該繼續走向新的領域，應該把大部分注意力轉移到近十年發展的新的思想上去……”。從歷史上看，控制與通信確實是相互依存交叉發展的，而當今在“網絡的連通性無所不在”的形勢下，我們確有必要討論網絡對控制的挑戰是什么，信息的控制或網絡控制是否應該列為一個“引人興趣的中心”。

“網絡控制”的提法早已有過，而對其內涵與外延井不十分統一，我們覺得網絡控制泛指通信網絡與控制科學技術的交叉以及相應的產品。主要包括兩個方面的內容，網絡化系統的控制與管理，網絡主要是做為技術手段或環境#而控制對象是傳統的對象（如電機、化工過程、航天……）也包括交通服務等系統。本文簡稱為”網絡化控制”"網絡系統本身的控制與管理。信息與網絡成為控制的對象，而采用控制的手段來滿足用戶的要求。本文簡稱為“網絡的控制”。這也可以說是從兩個視角來研究網絡控制。我們在網絡控制的這兩個視角上都面臨機遇與挑戰，前者延伸了諸如數字控制。計算機控制等的概念，而后者則延伸了電機控制，機床控制等的概念。

2網絡化系統與網絡化控制

網絡化系統及網絡化控制有多種提法，如Telematic Sys-terns，Networked Systems，Networked Control Systems(NCS)，Integra ted Communication and Control

Systems(ICCS通信與控制系統)等，其內涵各有所側重，但有共同點:是依靠網絡(主要是計算機網絡)組成的分布式系統;具有資源共享、集成自動化、協調下作等特點，從應用角度可包括:網絡化控制、網絡化制造、電子政務、電子商務、數字家庭、大型電網、城市交通、軍事上的41SR指揮、控制、通信、計算機以及情報、監視、偵察)等。可以是下業對象也可以是服務業或其他對象。

網絡化控制系統中的網絡一般是大范疇的企業網絡，從功能層次上可包括企業網的外聯網[xtranet，企業內聯網Intranet ，控制網、傳感網等，從網絡類型上也可以說包括因特網、無線移動通信、以太網、現場總線與工業以太網、傳感器網絡等網絡技術在控制領域的’泛且深入的應用，必然引起網絡與控制交叉學科的發展，或者引起Thomas Kahn在“The Strutureof Scientific Revolutions”中指出的在控制領域的范例轉移(Paradigm Shift)或出現從連續時間控制理論到離散時間控制理論的發展。

網絡化控制與管理系統，可以不同程度地實現各層次自動化系統的集成使企業在企業協作、資源共享、提高效率、增強市場競爭能力等方面得到好處;同時，網絡的引入必然帶來信息傳輸時延，延時的抖動信息(數抓包)去失等問題，也必將引發一此研究課題，包括:網絡化控制系統體系結構，網絡環境下復雜系統的集成優化控制;基于連續時間和基于事件控制理論(在網絡化控制系統中的)的應用與發展;各種網絡化應用系統的建模與分析;基于網絡計算和網絡存儲的分布控制;網絡化系統的信息女全，現場總線，工業以太網，傳感器網絡等等，從某種意義說工業控制計算機系統的發展必須定位于網絡環境下，從網絡控制著手。

3網絡的控制與答理

網絡的控制，基于網絡的控制(Network一Based Control)或網絡空間中的控制問題是自接涉及到網絡木身的控制問題，這里控制的對象是信息、數抓、網絡……。在自動化科學發展的歷史中，自動控制的對象是不斷發展變化的，這種發展體現了自動化科學理論與實際相結合，學科交叉和與時俱進的特性，從某種意義上說控制論的著眼點是信息與控制或信息的控制而網絡的控制是信息的控制中的重要內容。

網絡的控制或基于網絡的控制系統在資源共享提高網絡服務質量，實現集成自動化和整體優化以及和諧人機協調等方而都有優勢或潛力;由于網上的傳輸時延，數抓包去失，以及用戶對網絡服務質量的不同需求等，引出了網絡的控制中一系列研究課題。涉及相關的協議，系統的控制策略，穩定性、魯棒性、算法的收斂性以及控制系統產品化等問題。

以復雜媒體網絡的控制為例，復雜媒體可視為一個廣義的系統，其所究內容包括信息結構、復雜媒體的管理.、服務質量(QOS)控制，流量控制等。例如，在流媒體系統中，可以利用自適應等控制策略使用戶在不同的網絡環境卜享受到盡可能好的QoS保證。

1999年，木尼迪克特(Bendidt)提出了“網絡空間”（Cyberspace)的概念，稱這種“由計算機支持，由計算機進入和由計算機產生的全球網絡化，是多維度的，人造或‘慮擬’的真實。它是真實的，每一臺計算機都是一個窗口;它是慮擬的，所看到的或所聽到的既不是物質也不是物質的表現，相反它們都是純粹的數抓或信息組成的”?？梢哉f，它是介于慮擬和現實之間的特殊空間，即“網絡空間”，由此而可能發展網絡科學。網絡空間有許多控制和答理問題，有人稱之為“慮擬控制”或網絡的控制。近年來，關于下一代互聯網、智能網、網格等的討論也較多，網格（Grid)一般認為是繼傳統因特網、Web之后的第三代因特網其主旨是實現互聯網上所有資源的全而連通，在氣象、能源、教育以及企業信息化中都有廣’泛應用。美國《福布斯特》雜志預期網格技術到2020年將產生年產伯20萬億美元的大下業。在網格中分布資源管理與控制、資源共享、網格監控以及系統女全等方而的研究都是受人關汁的四。有人建議，在網格的體系上要體現服務第一，協議第一的觀念。另外，在下一代網關中，可能會將大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、資源控制、服務質量控制等)統一交由一個控制層來完成?？梢姡W絡的控制及管理.是日益受到重視，控制的一此基本概念，控制策略和控制理論不能簡的一地搬用到網絡的控制中，但應可以在網絡的控制中得到發展。

以網絡為控制對象的網絡控制所要解決的主要是用戶對網絡各種服務質量:需求與網絡資源間的矛盾與協調。從信息傳送結構上講，可以在核心網上增強控制功能;也可以在邊緣網上引入系統與控制的方法。在這此系統建模與分析中，多會遇到系統規模大、異構件、時變性、人機協調、隨機性等問題、在已見的一此研究成果中，排隊論、小波分析、自適應、神經網絡、混雜系統等理論與方法都有應用。在因特網或非實時局域網的控制系統中，離散控制時間的確定性或定常性已不存在，要發展網絡控制理論或改造經典的方法或按離散事件動力學考慮新途徑，學科交叉研究勢在必行。

4對下控機系統及專委會工作的一此思考

二十年前，在個人計算機(PC)技術成熱并大舉進入市場之際，我們成立了工業控制計算機專業委員會，在學術交流、產品研發等方面做了許多工作，得到了廣泛的認可。當前，信息網絡迅速發展，而對網絡控制等的機遇，工控機系統的研發人員應多交流討論。各種工控機系統，現場總線、工業以太網，分布控制系統，傳感器仍是工業自動化與下控機的主要課題，而網絡控制的機遇與挑戰也是專委會需認真思考的:

1)當前，我國在網絡化控制(網絡化系統，網絡化制造……)方面的研究與產品研發已有一此成果，尚待深入與普及;而在網絡的控制方而的研究下作剛剛開始。我們可能需要在理論探索、技術研究以及協議（標準)制定、產品研發等層面上挑戰網絡控制的機遇。

2)需要面對網絡控制的挑戰，加強計算機、通信網絡、自動控制等學術交叉性的研討，可與兄弟專委會聯合組織。計算機、通信網絡、自動控制等不同專業背景的人員在從事網絡控制這類學科交叉研究中，往往有不同的思路、視角、方法或切入點，其成果也各有特色。多交流互補是大有益處的。

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論文關鍵詞：電氣工程技術；電氣學科；發展史

一、電氣工程技術的發展史

電氣工程（Electrical Engineering）是現代科技領域核心學科之一，傳統的電氣工程定義為用于創造產生電氣與電子系統的有關學科的總和。21世紀的電氣工程概念已經遠遠超出這一范疇，如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關的工程行為。電氣工程的發展程度直接體現了國家的科技進步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發達國家大學中始終占據重要地位。

1.電磁學理論的建立及通訊技術的發展

大自然中的雷電使人類對電有了最早、最樸素的認識，天然磁石吸鐵是人類對磁現象的最早觀察，然而，人類對電磁現象的研究始于16世紀的英國，1663年德國科學家蓋利克發明了摩擦起電的儀器，1729年英國科學家發現電荷可以通過金屬傳導等等，這是人類對電的早期實驗，之后又出現了一系列具有里程碑意義的發現與發明。

（1）庫侖定律。1785年法國物理學家庫侖通過扭秤測量靜電力和磁力總結出：兩個電荷之間的作用力與它們間距離的平方成反比，與它們所帶電荷量的乘積成正比，這就是著名的庫侖定律。這一發現的歷史意義在于它標志著人類對電磁現象的研究從定性階段進入了定量階段。

（2）“伏打電池”。1799年意大利物理學家伏特經過反復實驗發現把任何潮濕物體放到兩個不同金屬之間都會產生電流，一年后伏特發明了世界上第一個電池，自此人類對電的研究由靜電擴大到了動電，開辟了電學研究的新領域。

（3）奧斯特發現電流的磁效應和安培右手定則。1820年奧斯特偶然發現通電鉑絲周圍的小磁針發生輕微晃動，之后他經過反復實驗證實了這一發現。其后安培進行了更深入的研究，提出了右手定則，發現了電流方向與磁針轉動方向之間的關系。安培還通過實驗發現了兩個通電導體和兩個通電線圈之間相互作用的規律，從而奠定了電動力學的基礎。

（4）法拉第發現電磁感應。英國科學家法拉第是第一個成功完成磁生電實驗的人，并歸納出產生感應電流的五種情況：一是變化著的電流；二是變化著的磁場；三是運動的穩定電流；四是運動的磁場；五是在磁場中運動的電線。法拉第把這一現象叫做“電磁感應”。電磁感應的發現使生產電成為可能，至今，發電機、電動機、變壓器都是運用電磁感應原理工作的。

（5）麥克斯韋建立電磁場理論。英國數學家、物理學家麥克斯韋總結了前人的一系列成果，用數學方程式表示電磁場，建立了完整的電磁理論體系，揭示了光、電、磁本質上的統一，并預言了電磁波的存在。1873年他出版的電磁場理論經典著作《電磁學通論》是里程碑式的自然科學理論巨著。

任何科學發明與發現都是許許多多的科學家不懈努力的成果，德國物理學家歐姆、高斯、赫茲，美國物理學家亨利，俄國物理學家楞次等等都為電磁理論的形成作出過貢獻，本文不在一一類舉。

電磁理論的建立為無線電通信揭示的發展奠定了基礎，19世紀通信技術取得了突破性成果，先后發明了有線電報、有線電話和無線通信。

2.電工技術的初期發展

人類社會發展歷程中經歷了三次工業革命，對人類的進步起到了巨大的作用。第一次工業革命從18世紀中葉到19世紀中葉，以瓦特發明的蒸汽機為標志，以機械化為特征，中心在英國；第二次工業革命從19世紀后半期到20世紀中葉，以工業生產電氣化為主要標志，其成果是電力、鋼鐵、化工“三大技術”與汽車、飛機和無線電通信“三大文明”，其中心在美國和德國；第三次工業革命從20世紀中葉到21世紀初，以社會生產、生活信息化為特點，又叫新技術革命。第二次工業革命就是從電工技術初創和應用開始的。

（1）直流發電機的誕生。1831年英國企業家研制出了史上第一臺發電機——蒸汽動力永磁發電機；1832年法國科學家匹克斯發明了世界上第一臺直流發動機；1866年西門子發明了自激式勵磁直流發電機；1870年格拉姆發明了實用自激直流發電機，結構可靠，電流穩定，輸出功率大，被各國廣泛采用作為照明燈電源。

（2）遠距離輸電和電力工業技術體系的初步建立。1875年法國巴黎火車站建成世界上最早的一座火力發電廠。愛迪生不僅發明了燈泡，他還在1882年建立了美國第一家直流發電廠，裝有6臺直流發電機，通過電纜輸送照明用電，不過當時的最大輸送距離只有1.6km。之后愛迪生還建立了一座水電站，形成了電力工業體系的雛形。

（3）交流發電機電荷電動機的誕生。1876～1878年俄國人亞布洛切科夫成功試驗了單相交流輸電技術。1885年，英國工程師菲爾安基設計的第一座交流單相發電站建成。同年，美國人威斯汀豪率領的團隊完成了交流發電、供電系統，并創建了交流配電網。1883年，美籍電氣工程師特斯拉發明了世界上第一臺感應電動機，5年后他又發明了兩相異步電動機和交流電傳輸系統。1888年，俄國工程師德布羅夫斯基和德爾伏發明了三相交流制。1891年，德國安裝了世界上第一臺三相交流發電機，并建成了第一條三相交流輸電線路。自此，三相異步電動機得到了廣泛應用，電能逐步取代了蒸汽成為動力源，電力工業得到了迅速發展。

3.電工理論的建立

（1）電路理論的建立。關于電路的早期研究有：1778年伏特提出了電容的概念，給出了導體上儲存電荷的計算方法Q=CU；1826年歐姆發表了歐姆定律；1831年法拉第提出了電磁感應定律；1832年亨利提出了磁通量計算公式。

1845年德國物理學家基爾霍夫提出了關于任意電路中電流、電壓關系的基本定律：電流定律（任意時刻電路中任何一個節點的各條支路電流的代數和為零）；電壓定律（任何時刻電路中任意一個閉合回路的各元件電壓的代數和為零）。這兩個定律發展了歐姆定律，奠定了電路系統分析的基礎。

1853年英國物理學家湯姆遜推導出了電路震蕩方程，并得出了萊頓瓶發電過程中電流在反復震蕩且不斷衰減的結論，并計算出震蕩頻率與R、L、C參數之間的關系，奠定了動態電路分析的基礎。1855年，湯姆遜還建立了長距離電纜的等效電路模型。

1893年美籍電氣學家施泰因梅茨提出了計算交流電路的方法——“相量法”，其實用、易懂，至今在分析正弦交流電路時依然沿用此法。

其間，赫爾姆霍茲提出的等效發電機原理、基爾霍夫建立的長距離架空線路參數電路模型、亥維賽德找出的求解電路暫態過程運算法、傅立葉用數學方法建立的熱傳導定律等等都對電工理論的豐富和完善起到了重要作用。

（2）電網絡理論的建立。通信技術的興起推動了電網絡理論的發展。1924年，福斯特給出了電感和電容二端網絡的電抗定理，建立了由給定頻率特性設計電路的電網絡理論。

1945年美國科學家伯德總結出了分析線性電路和控制系統的頻域分析方法。1953年梅森創建了采用信號流圖分析復雜回饋系統的方法，并被廣泛應用。20世界50年代美國科學家達默制成了第一批集成電路，從此電路理論中增加了對含源器件的電路分析和綜合。20世紀70年代在L.O.Chua等科學家的努力下，器件建模理論逐漸日趨完善。20世紀中期計算機的出現使電網絡的計算機輔助分析和設計成為電路理論研究中的基本手段。

4.新技術革命對電氣工程技術的推動

20世紀中葉開始的第三次技術革命又稱為新技術革命，以核能、宇航和電子計算機這三大技術為主要標志。這個時期的主要理論是信息論、系統論和控制論，這三大理論的創立為通信工程技術和現代科學技術的研究提供了全新的科學方法。

（1）計算機的升級換代對電氣工程技術的推動。自19世紀第一臺計算機問世以來，經過幾十年的發展，計算機給人類社會帶來了翻天覆地的變化，人類社會從此走進了信息時代。1952年出世的第一代計算機使用的是真空電子管，不僅體積巨大，而且耗電量驚人。1959年～1963年生產的第二代計算機用晶體管替代了真空電子管，大大提高了運算速度，減少了耗電量，減小了體積，運用在了軍事和科研領域。1964年～1970年生產的第三代計算機用集成電路替代了晶體管，不僅極大地提高了運算速度而且降低了成本，計算機開始進入到了普及階段。1971年至今生產的第四代計算機使用了超大規模集成電路，實現了計算機網絡化，計算機普及到了個人。計算機的升級換代推動了控制技術的發展，形成了計算機管理生產系統，提高了生產效率和產品質量。

（2）電子信息技術的發展。電子信息技術是計算機技術和電信技術相結合而形成的技術手段。20世紀通信技術得到了迅猛發展，人類社會生活也由此發生了巨大變革，人類從此進入信息時代。

1920年人們發現電離層對無線電短波有反射作用。1935年人們發現了雷達并廣泛應用于軍事和民用通信領域。1964年美國發射了第一顆地球同步靜止軌道通信衛星，突破了大氣層對無線電波的屏蔽，實現了宇宙范圍的無線電通信。20世紀70年代計算機網絡系統的建立使人們開始通過互聯網獲取信息。20世紀80年代以后尋呼機和移動電話逐步得到廣泛使用，現今信息服務業已成為世界上發展最快的新興行業之一。

電氣工程技術發展史再次印證了這樣兩個真理：一是任何理論的創立和技術的進步都要靠眾多科學家甚至一代代人的不懈努力而實現，特別是在學科相互融合交叉的今天。二是科學技術的每一次重大突破都會導致生產力的跨越式發展和人類社會的巨大進步，科技是第一生產力，創新是社會發展的推動力。

二、電氣學科的形成與發展

按我國高等教育學科劃分，電氣信息學科類屬工學門類（門類編號08），其下設五個一級學科：電氣工程（一級學科編號0808）、電子科學與技術（0809）、信息與通信工程（0810）、控制科學與工程（0811）和計算機科學與技術（0812）。這五個學科有著相同的學科基礎，都是研究電磁現象及其應用的基礎學科與技術工程的綜合，電能的突出優點在于：它既是易于傳輸的工業動力，又是非?？煽康男畔⑤d體。電子科學與技術、信息與通信工程和計算機科學與技術都是從電類專業派生出來的弱電學科，在19世紀末電工科學技術已形成了電力與電信兩大分支。

我國電氣工程一級學科下設五個二級學科：電機與電器（二級學科編號080801）、電力系統及其自動化（080802）、高電壓與絕緣技術（080803）、電力電子與電力傳動（080804）、電工理論與新技術（080805），電氣工程包含的專業基礎理論有電路原理、模擬電子、數字電子、微機原理與接口技術、單片機原理、自動控制原理、電磁理論、MATLAB仿真等。專業理論有電力系統及其暫態分析、電力電子、電機學、高電壓與絕緣、電力拖動、輸配電、工廠企業供電、電力市場等。

19世紀末歐美大學先后設立了電氣工程（Electrical Engineering）專業，100多年來，其名稱雖然沒變，但內涵已隨著科技的飛速發展有了非常大的變化。過去歐美的電氣工程專業是以電力工程為主，現在電子技術和計算機已成為該專業的核心，美國一些著名高校甚至已不開設電力工程研究方向。有些大學把計算機技術從電氣工程系分離了出去，單獨成立了計算機科學系。

我國的電氣工程始于1908年上海南洋公學的電機電工學科，就是上海交大的前身，距今也有100多年的歷史了。1917年該校的電機?？圃O立了電訊門，即我國最早的無線電專業，如今的電子信息及計算機專業群都是由此發展演化而來的。1932年，清華大學設置了電機系。建國后，我國建立了一大批以工科為主的多科性大學，其中大多設立了電機工程系。1977年以后，大部分高校的“電機工程系”陸續更名為“電氣工程系”，近幾年來，部分高校又把“電氣工程系”發展成為“電氣工程學院”。我國的電氣工程雖然與國外名稱相同，但內涵有很大區別，我國大學一般都是強弱電分開，即電氣類與電信類分設在不同的學院。

100多年以來，電氣工程學科已發展成為覆蓋多門類交叉學科、應用領域廣闊的完善的學科，形成了強弱電結合、軟硬件結合、機電結合的學科特點。

國外發達國家電氣工程學科的發展呈現以下趨勢：

（1）在學科中融入大量信息技術知識。在全球信息化的當今，信息技術以指數速度進步，它曾對電氣工程學科的發展起到了巨大的推動作用，還將為電氣工程領域的技術創新提供工具與技術支持，對電氣學科的發展產生了決定性作用。國外發達國家的著名大學（如耶魯大學、麻省理工學院等）大都把電氣工程、通信工程、計算機工程放在同一學院，以利于在電氣工程學科中融入大量的信息技術知識。

（2）與其他學科不斷交叉融合，拓展了研究領域，大量的研究都是在跨學科領域開展的。

（3）與企業聯系密切，科技成果轉換能力強，引領產業技術更新。

三、電氣技術的發展趨勢

與電氣工程學科相關的產業主要有電力工業、電氣裝備制造業以及幾乎所有使用電力的行業，電氣技術的發展與應用也主要集中在這些行業。

1.可再生能源技術

1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%，預測到2050年可再生能源要占一次能源的22%，21世紀，光伏技術、風電技術、生物質發電技術等得到了快速發展。下面著重介紹人類的未來能源——氫能?？茖W家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源，氫能有其他能源無與倫比的優勢：

（1）清潔。其反應后的生成物為水和氮化氫，對環境沒有污染。

（2）儲量豐富。地球上的海水所含的氫用來發電就夠人類用數億年。

（3）熱值高。單位重量的發熱量叫熱值，氫的熱值是汽油的3倍，煤炭的4倍?，F在世界上很多國家正在斥巨資研究這一能源，但目前還處在實驗室階段，距工業應用還有一段距離。

2.輸電信技術

超導技術在電氣工程中的廣泛應用已成為發展趨勢。

（1）超導儲能系統。將電能轉換為電磁能，利用超導線圈儲存起來。超導儲能系統是除電池儲能系統之外的又一儲能系統，其使用將提高電網的安全性。

（2）超導故障限流器。利用超導體超導與正常狀態的轉變特性，快速限制電力系統故障短路電流，保障電網安全。

（3）超導大容量電纜。可大大降低輸電過程中的電耗，提高能源效率。

靈活交流輸電技術（FACTS）。用大功率電子器實現對電力系統電壓、參數、功率、相位角等的實時調節控制，以實現電力系統的安全穩定性和輸電過程中的能耗。