控制論 Cybernetics 授課人 任文 控制論提出 控制論是美國猶太人諾伯特 維納在二戰(zhàn)期間創(chuàng)立的一種理論 他摒棄了狹隘的專業(yè)分工 將各門學(xué)科相互滲透 找到了機(jī)器和生命機(jī)體之間的共同點(diǎn) 信息變換過程 形成了一門既包括機(jī)器 又包括生命機(jī)體的統(tǒng)一的普遍理論 控制論 其目的是解決 既是機(jī)器中又是活的機(jī)體中的控制和通訊的問題 控制論的產(chǎn)生 控制論是美國數(shù)學(xué)家羅伯特 維納 1894 1964 于1948年創(chuàng)立的 維納在20 30年代就對自動控制系統(tǒng)有極大興趣 第二次世界大戰(zhàn)期間 他參加了火炮自動控制的研究工作 這對他創(chuàng)立控制論具有決定性的意義 把火炮自動打飛機(jī)的動作過程與人狩獵的行為作了類比 從中發(fā)現(xiàn)了重要的反饋概念 他認(rèn)為穩(wěn)定活動的方法之一 是把活動的結(jié)果所決定的一個量 作為信息的新調(diào)節(jié)部分 反饋回控制儀器中 維納研究了隨機(jī)過程的預(yù)測和濾波理論在自動火炮上的運(yùn)用 為控制論提供了數(shù)學(xué)方法 1943年 維納等人共同發(fā)表了 行為 目的和目的論 一文 標(biāo)志控制論開始萌芽 20世紀(jì)30 40年代人們對信息和反饋有了比較深刻的認(rèn)識 一些著名科學(xué)家環(huán)繞信息和反饋進(jìn)行了大量的研究工作 英國統(tǒng)計學(xué)家R A 費(fèi)希爾從古典統(tǒng)計理論的角度研究信息理論 提出單位信息量的問題 美國電信工程師香農(nóng)從通信工程的角度研究信息量的問題 提出信息熵的公式 美國數(shù)學(xué)家維納則從控制的觀點(diǎn)研究有噪聲的信號處理問題 建立了維納濾波理論 并分析了信息的概念 提出測定信息量的公式和信息的實(shí)質(zhì)問題 他們幾乎在同一個時候解決了信息的度量問題 人們逐漸深入了解反饋控制系統(tǒng)的工作原理 1932年美國通信工程師奈奎斯特發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定性條件 即著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 1945年維納把反饋概念推廣到一切控制系統(tǒng) 把反饋理解為從受控對象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入 從而對再輸出發(fā)生影響的過程 巴甫洛夫條件反射學(xué)說證明了生命體中也存在著信息和反饋問題 1943 1944年 維納和馮 諾伊曼 1903 1957 發(fā)起 在普林斯頓召開了有工程師 生物學(xué)家 心理學(xué)家 數(shù)學(xué)家參加的交叉學(xué)科的學(xué)術(shù)討論會 1946年 在紐約召開了反饋問題的學(xué)術(shù)討論會 這兩次會議對控制論的產(chǎn)生起了重要的推動作用 維納對會議形成的一些概念和思想加以總結(jié) 在1948年寫成了 控制論 一書 控制論 引進(jìn)了系統(tǒng) 目的 反饋 信息 功能模擬 黑箱方法等一系列獨(dú)特的概念 討論了如何實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制問題 控制論 的出版 成為控制論誕生的標(biāo)志 此后 控制論又?jǐn)U展出工程控制論 生物控制論 社會控制論 經(jīng)濟(jì)控制論等分支學(xué)科 控制的問題 控制是施控者影響和支配受控者的行為過程 一種有目的的活動 施控主體采取一定的策略手段作用于受控對象 力求使其行為狀態(tài)發(fā)生合目的的變化 從現(xiàn)在的實(shí)有狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕奈磥頎顟B(tài) 現(xiàn)實(shí)世界形形色色的關(guān)系可分為五大類 身心 身體與心理 關(guān)系 人人 自己與他人 關(guān)系 人機(jī) 人與工具 機(jī)器 關(guān)系 人天 人類與大自然 關(guān)系 天天 自然物與自然物 關(guān)系 每個關(guān)系領(lǐng)域中都少不了控制 控制是系統(tǒng)建立 維持 提高自身有序性的手段 除了自然界進(jìn)化中產(chǎn)生的控制外 只要人們可以發(fā)揮主觀能動性 選擇一定的手段去作用于對象 使其達(dá)到預(yù)定的目標(biāo) 就構(gòu)成了控制問題 系統(tǒng)地提供這種概念 原理和方法的學(xué)問 就是控制論 控制的任務(wù) 1 定值控制在某些控制問題中 控制任務(wù)是使受控量y穩(wěn)定地保持在預(yù)定的常數(shù)值y0上 稱為定值控制 如人的體溫 血壓 2 程序控制當(dāng)控制任務(wù)是保證受控制量y按照某個預(yù)先知道的方式 t 隨時間t而變化時 應(yīng)當(dāng)采取程序控制 如程序機(jī)床的運(yùn)動 3 隨機(jī)控制在許多情況下 控制任務(wù)既不是受控制量保持不變 也不是使它按照預(yù)定的規(guī)律變化 而是隨著某個預(yù)先不能確定的規(guī)律變化 如火炮控制 產(chǎn)品跟蹤市場的波動而波動 4 最優(yōu)控制使系統(tǒng)的某種性達(dá)到最優(yōu) 即實(shí)際對系統(tǒng)的最優(yōu)控制 如發(fā)電站保證發(fā)電機(jī)最大效益的控制 控制方式 1 簡單控制 2 補(bǔ)償控制 3 反饋控制 4 遞階控制 多段遞階控制 多級遞階控制 控制系統(tǒng) 控制是一種系統(tǒng)現(xiàn)象 一種系統(tǒng)行為 必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來提出控制問題 把控制作為一種系統(tǒng)行為來分析 用系統(tǒng)觀點(diǎn)和方法解決問題 原因有 1 受控對象有自己的特有結(jié)構(gòu) 特性 功能和運(yùn)動規(guī)律 2 控制規(guī)律的選擇 控制方案的制定 都建立在關(guān)于控制對象作為系統(tǒng)的組分 結(jié)構(gòu) 特性 運(yùn)動規(guī)律的深刻理解上 3 施控者或控制器本身也是系統(tǒng) 是由多個具有不同功能特性的環(huán)節(jié)按照特定方式耦合而成的系統(tǒng) 4 控制器與受控對象又按照一定方式連接起來形成完成的控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)按照實(shí)施控制過程中是否有人的參與可以分為兩類 自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng) 按給定信號的形式 恒值系統(tǒng) 程序系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)按系統(tǒng)是否滿足疊加原理 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化 定常系統(tǒng) 時變系統(tǒng)按信號傳遞的形式 連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 敏感環(huán)節(jié) 決策環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié) 受控環(huán)節(jié) 反饋環(huán)節(jié) 輸入 輸出 敏感環(huán)節(jié)是負(fù)責(zé)獲取信息 決策環(huán)節(jié)是負(fù)責(zé)處理信息 制定控制指令 放大環(huán)節(jié)是中介環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)是負(fù)責(zé)執(zhí)行控制作用 反饋環(huán)節(jié)是負(fù)責(zé)回饋信息 控制論發(fā)展 控制論的發(fā)展過程大致分為三個階段 20世紀(jì)50年代末期以前為第一階段 稱為經(jīng)典控制論階段 50年代末期至70年代初期為第二階段 稱為現(xiàn)代控制論階段 70年代初期至現(xiàn)在為第三階段 稱為大系統(tǒng)理論階段 經(jīng)典控制論主要研究單輸入和單輸出的線性控制系統(tǒng)的一般規(guī)律 它建立了系統(tǒng) 信息 調(diào)節(jié) 控制 反饋 穩(wěn)定性等控制論的基本概念和分析方法 研究的重點(diǎn)是反饋控制 核心裝置是自動調(diào)節(jié)器 主要應(yīng)用于單元裝置自動化 現(xiàn)代控制論的研究對象是多輸入和多輸出系統(tǒng)的非線性控制系統(tǒng) 其中重點(diǎn)研究的是最優(yōu)控制 隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制 主要應(yīng)用于大規(guī)模機(jī)組自動化和生物系統(tǒng) 大系統(tǒng)理論的主要研究對象是眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng) 如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) 資源分配系統(tǒng) 生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng) 能源系統(tǒng)等 研究的重點(diǎn)是大系統(tǒng)的多級遞階控制 分解 協(xié)調(diào)原理 分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論等 1954年 中國科學(xué)家錢學(xué)森 1911 2009 運(yùn)用控制論的基本思想和概念 結(jié)合戰(zhàn)爭中迅速發(fā)展的伺服機(jī)理論 把控制論運(yùn)用于工程的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 分析中 完成了經(jīng)典控制論的綜合 創(chuàng)立了工程控制論 代表著作 工程控制論 錢學(xué)森 宋健著 60年代初 現(xiàn)代控制理論發(fā)展起來 70年代 又出現(xiàn)了第三代控制理論 控制論 工程應(yīng)用 理論體系 工業(yè)自動化 科學(xué)方法論 控制理論 自動化技術(shù) 農(nóng)業(yè)自動化 軍事自動化 金融自動化 樓宇自動化 環(huán)保自動化 醫(yī)療自動化 1400B C 1100B C 中國 埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺300B C 李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)了系統(tǒng)工程觀念和實(shí)踐 西漢漏壺都江堰 自動化技術(shù)產(chǎn)生 100年亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置235年中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 1788年英國J Wat