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* * * 控制论 Cybernetics 授课人：任文 控制论提出 控制论是美国犹太人诺伯特·维纳在二战期间创立的一种理论，他摒弃了狭隘的专业分工，将各门学科相互渗透、找到了机器和生命机体之间的共同点——信息变换过程，形成了一门既包括机器、又包括生命机体的统一的普遍理论——控制论，其目的是解决“既是机器中又是活的机体中的控制和通讯的问题。 控制论的产生 控制论是美国数学家罗伯特.维纳(1894-1964)于1948年创立的。 维纳在20--30年代就对自动控制系统有极大兴趣。第二次世界大战期间，他参加了火炮自动控制的研究工作。这对他创立控制论具有决定性的意义。 把火炮自动打飞机的动作过程与人狩猎的行为作了类比，从中发现了重要的反馈概念。他认为稳定活动的方法之一，是把活动的结果所决定的一个量，作为信息的新调节部分，反馈回控制仪器中。 维纳研究了随机过程的预测和滤波理论在自动火炮上的运用，为控制论提供了数学方法。 1943年，维纳等人共同发表了 行为、目的和目的论 一文，标志控制论开始萌芽。 20世纪30～40年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认识﹐一些著名科学家环绕信息和反馈进行了大量的研究工作。 英国统计学家R.A.费希尔从古典统计理论的角度研究信息理论﹐提出单位信息量的问题。 美国电信工程师香农从通信工程的角度研究信息量的问题﹐提出信息熵的公式。 美国数学家维纳则从控制的观点研究有噪声的信号处理问题﹐建立了维纳滤波理论﹐并分析了信息的概念﹐提出测定信息量的公式和信息的实质问题。 他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题﹐人们逐渐深入了解反馈控制系统的工作原理。 1932年美国通信工程师奈奎斯特发现负反馈放大器的稳定性条件﹐即著名的奈奎斯特稳定判据。 1945年维纳把反馈概念推广到一切控制系统﹐把反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入﹐从而对再输出发生影响的过程。 巴甫洛夫条件反射学说证明了生命体中也存在着信息和反馈问题。 1943-1944年，维纳和冯.诺伊曼(1903-1957)发起，在普林斯顿召开了有工程师、生物学家、心理学家、数学家参加的交叉学科的学术讨论会。 1946年，在纽约召开了反馈问题的学术讨论会。 这两次会议对控制论的产生起了重要的推动作用。 维纳对会议形成的一些概念和思想加以总结，在1948年写成了《控制论》一书。 《控制论》引进了系统、目的、反馈、信息、功能模拟、黑箱方法等一系列独特的概念，讨论了如何实现对系统的控制问题。 《控制论》的出版，成为控制论诞生的标志。 此后，控制论又扩展出工程控制论、生物控制论、社会控制论、经济控制论等分支学科。 控制的问题 控制是施控者影响和支配受控者的行为过程，一种有目的的活动。施控主体采取一定的策略手段作用于受控对象，力求使其行为状态发生合目的的变化，从现在的实有状态转变为期望的未来状态。现实世界形形色色的关系可分为五大类：身心（身体与心理）关系、人人（自己与他人）关系、人机（人与工具、机器）关系、人天（人类与大自然）关系、天天（自然物与自然物）关系，每个关系领域中都少不了控制。 控制是系统建立、维持、提高自身有序性的手段。 除了自然界进化中产生的控制外，只要人们可以发挥主观能动性，选择一定的手段去作用于对象，使其达到预定的目标，就构成了控制问题。系统地提供这种概念、原理和方法的学问，就是控制论。 控制的任务 （1）定值控制 在某些控制问题中，控制任务是使受控量y稳定地保持在预定的常数值y0上，称为定值控制。如人的体温，血压。 （2）程序控制 当控制任务是保证受控制量y按照某个预先知道的方式（t）随时间t而变化时，应当采取程序控制。如程序机床的运动。 （3）随机控制 在许多情况下，控制任务既不是受控制量保持不变，也不是使它按照预定的规律变化，而是随着某个预先不能确定的规律变化。如火炮控制，产品跟踪市场的波动而波动。 （4）最优控制 使系统的某种性达到最优，即实际对系统的最优控制。如发电站保证发电机最大效益的控制。 控制方式 （1）简单控制 （2）补偿控制 （3）反馈控制 （4）递阶控制 多段递阶控制 多级递阶控制 控制系统 控制是一种系统现象，一种系统行为。必须从系统的观点来提出控制问题，把控制作为一种系统行为来分析，用系统观点和方法解决问题。原因有： 1.受控对象有自己的特有结构、特性、功能和运动规律。 2.控制规律的选择、控制方案的制定，都建立在关于控制对象作为系统的组分、结构、特性、运动规律的深刻理解上。 3.施控者或控制器本身也是系统，是由多个具有不同功能特性的环节按照特定方式耦合而成的系统。 4.控制器与受控对象又按照一定方式连接起来形成完成的控制系统。 控