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第一章 管理系统工程概论2
§3 控制论:研究系统调节与控制规律 一、产生背景 二战期间伦敦地面防空高射炮部队抱怨德国飞机性能越来越好,速度越来越快,高射炮很难准确击落.只能增加数量建立炮火屏障,不加瞄准向天空发炮,让敌机自己撞上炮弹。 美国数学家维纳通过对大炮一雷达一收音机系统与鹰—兔系统比较轮研究中创立控制理论。 1948年维纳发表了控制论的奠基性著作“控制论”,副标题是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学” 火炮用牛顿力学思想和方法:发射前精确计算炮弹轨道,准确控制方向。对固体目标有效,对活动目标,就无能为力.突然急转守,俯冲、炮弹是“瞎子”,只能按牛顿力学规则,沿预定轨道飞行。 经典力学方法缺陷暴露无遗.要精确有效击落敌机、需要新科学理念方法。“老鹰捉小呜”游戏启迪:鹰连奔跑迅速、反映敏捷的兔于也不能逃脱。不可能计算自己和目标运动轨迹飞行的。而是发现目标后先估计与兔子距离和相对位置以及方向,然后,眼睹盯住兔子不断向大脑投合兔子方位和距离,通过翅胳动作调整飞行方向和速度,缩小鹰与免子方位和距离羞、当距离羞为零时,兔子在劫难迹。 首先、鹰擒兔子是不断修正目标、接近日标动态过程,而不建立在初始条件下的轨道运行过程; 其次,通过系统的反馈控制,使目标的可能性空间缩小。通过眼睛、大脑和翅膀构成了控制反馈两个互联互动的系统,经典力学火炮没有自我调节机制。 第三,建立信息流是实现控制基础。对目标信息识别、传递、比较,对系统行为调节、引导、控制都离不开信息 。 要使炮弹能准确击落高速灵活战斗机,要给炮弹装上“眼睛”,配上“大脑”,插上“趋膀”,——经典科学家难以想象。 电脑高速发展,控制能力大大增强。现代化客机从起飞到降落做到全自动控制(无人驾驶)。飞机控制反馈回路已不是十几个,布满驾驶舱内上百个仪表显示器都是系统信息反馈通道,形成信息反馈多回路、多通道、多结点网络系统,对飞机整体状况、各子系统状态都有即时的、准确的把握。任何一个系统状态偏离正常许可范围、反馈回路反应和提示,控制和调节。重要反馈回路一旦失效、备用反馈回路就自动替代.确保安全可靠。驾驶员充当配角或助手,人成了系统反馈第二通道,一道保险、应付突发事件或情况‘ 海湾和科索沃战争期间, 多国部队轰炸机在激光的准确制导下实施准确 轰炸,美国“爱国者”导弹在短短十几分钟里成功地拦截“飞毛腿’导弹,美国“战斧式”导弹从遥远的海湾舰艇上发射.从伊拉充首都巴格达某个重点目标窗口“钻进。已不是“老魔捉小鸡”,控制理念和方法没有变,但技术手段和装各有了巨大的发展。 目前,已扩展到化学控制论、生物控制论、社会控制论,以及智能控制 (人工智能)。控制论与系统沦和信各论渗遭、交又和融合,为现代科学的整体化.综合化和一体化提供了新的思维方法,并取得了令人注目的成果。 维纳: 1894年生在美国密苏里州犹太家庭。父亲是哈佛大学语言教授。 维纳18岁获哈佛大学数学和哲学两个博士学位,“控制论”闻名。 1940年发现计算机大脑相似性。 计算机是信息处理转换系统,只要能得到数据,能做任何事情。 计算机不一定用齿轮,导线,轴,电机制成。 麻省理工学院教授用石块和卫生纸卷制造一台简单计算机证实。 1940年提出现代计算机设计原则: (1)不是模拟式,而是数字式; (2)由电子元件构成,减少机械部件; (3)采用二进制,不是十进制; (4)内部存放计算表; (5)在计算机内部存贮数据。 1948年《控制论》出版,宣告科学诞生。 自动控制系统:自动机器,神经系统、生命系统,经济社会系统。 调节装置控制系统运转,维持自身稳定和系统目的。 控制机构发出指令,控制信息传递到各部分(即控制对象),按指令执行后再把执行情况反馈回来,作为下一步调整控制依据。 二 发展: 经典时期:50年代;代表作有钱学森45年美国发表《工程控制论》 研究单输出入线性控制系统规律,建立系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等概念。 重点:反馈控制,核心装置:自动调节器。 现代:60年代。导弹、人造卫星,生物系统研究,使重点从单变量到多变量控制,从自动调节向最优控制,由线性系统向非线性系统转变。形成系统测辨、最优控制、自组织、自适应等现代控制理论 大系统理论:70年代后。由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展 (如宏观经济、资源分配、生态和环境、能源等), 重点:大系统多级控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论。 三、概念 (1)控制:施控主体对受控客体能动作用,使受控客体根据施控主体预定目标动作,最终达到目标. (2)控制系统:施控主体、客体以及作用传递者组成的具有控制功能与行为的系统。 控制系统分类: 反馈: 前馈-反馈:未到扰动影响到输出量时,就预测,通过前馈装置送到系统调节,使输出量变化前就克服
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