控制论简介
作者：刘文江来源：中国大百科全书发表时间：2006-03-12 浏览次数：623 字号：大中小【汉语拼音】kongzhilun
【中文词条】控制论
【外文词条】cybernetics
【作者】刘文江
研究生命体﹑机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。控制论的建立是20世纪最伟大的科学成就之一﹐现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系。控制论的奠基人美国数学家维纳﹐N.1948年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学”。70年代以来﹐电子数字计算机得到广泛的应用﹐控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统﹐控制论的定义也因之扩展。苏联和东欧各国学者认为控制论是研究系统中共同的控制规律的科学﹐把控制论的定义又作了进一步的扩展。英文cybernetics(控制论)一词来源于希腊文﹐原意为“掌舵人”﹐转意是“管理人的艺术”。1947年﹐维纳选用cybernetics这个词来命名这门新兴的边缘科学有两个用意﹕一方面想藉此纪念麦克斯韦1868年发表《论调速器》一文﹐因为governor(调速器)一词是从希腊文“掌舵人”一词讹传而来的﹔另一方面船舶上的操舵机的确是早期反馈机构的一种通用的形式。
控制论的诞生和发展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﹐C.E.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。这一时期﹐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﹐H.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。
维纳在改进防空武器时发现﹐动物和机器中控制和通信的核心问题是信息﹑信息传输和信息处理。维纳与墨西哥神经生理学家A.罗森布卢埃特合作对这个课题进行了长达10多年(1934～1947)的研究。参加这一研究工作的还有数学家﹑逻辑学家﹑物理学家﹑电信工程师﹑控制工程师﹑计算机设计师﹑神经解剖学家﹑神经生理学家﹑心理学家﹑医学家﹑人类学家和社会学家。他们进行了生理学﹑病理学和心理学方面的许多实验﹐吸收来自火力控制系统﹑远程通信网络和电子数字计算机的设计经验﹐以及对预测和滤波理论等数学统计理论的研究﹐终于找到了控制论的核心问题。1942年5月梅西基金会举行的关于大脑抑制问题的科学讨论会提出﹐通信工程和控制工程领域内已经研究成熟的信息和反馈的概念和方法﹐可能有助于神经生理学的研究。这时控制论的思想已经形成﹐但还没有正式命名。1943年末到1944年初在普林斯顿召开了一次控制论思想的科学讨论会﹐进一步确认了控制论思想﹐认为在不同领域的工作者之间存在着共同的思想基础﹐一个科学领域可以运用另一个科学领域发展得比较成熟的概念和方法。1946～1953年间梅西基金会发起一系列关于反馈问题的科学讨论会﹐对于控制论的发展产生很大的推动作用。
1948年维纳发表奠基性著作《控制论》﹐这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”﹐控制论的名称因此而定。维纳抓住了一切通信和控制系统的共同特点﹐即它们都包含着一个信息传输和信息处理的过程。维纳指出﹕一个通信系统总是根据人们的需要传输各种不同的思想内容的信息﹐一个自动控制系统必须根据周围环境的变化﹐自己调整自己的运动﹐具有一定的灵活性和适应性。通信和控制系统接收的信息带有某种随机性质﹐具有一定的统计分布﹐通信和控制系统本身的结构也必须适应这种统计性质﹐能对一类在统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作。
维纳的《控制论》发表以后﹐科学家们沿着两个不同的方向发展控制论。心理学家﹑神经生理学家和医学家用控制论方法研究生命系统的调节和控制问题﹐促进了对生命有机体的了解﹐建立了神经控制论﹑生物控制论和医学控制论。维纳本人对生物控制论和神经控制论表现了极大的兴趣﹐曾于1946年与罗森布卢埃特进行了一系列直接涉及反馈主题的神经生理学实验﹐为生物控制论奠定了基础。控制理论家用控制论方法研究工程系统的调节和控制问题。中国科学家钱学森创立了工程控制论﹐并于1954年在美国出版了《工程控制论》的专著。他提出﹐工程控制论的对象是控制论这门学科能够直接应用于工程设计的那些部分。到了60年代﹐苏联和东欧各国出现了军事控制论﹐把控制论的思想和方法应用于军事指挥和武器控制。
70年代以后﹐由于科学技术的高度发展﹐人类面临着复杂的社会经济问题﹐同时由于微电子技术的发展﹐计算机得到广泛应用﹐全球信息系统逐渐形成﹐为控制论的发展提供了条件。1965年在华沙出版了《经济控制论导论》一书。1975年在布加勒斯特召开的第三届国际控制论与系统大会上以控制论与经济系统作为主题﹐确认了经济控制论这一新兴学科。与此同时﹐在西欧和日本﹑美国还出现了管理控制论。1978年在荷兰阿姆斯特丹召开的第四届国际控制论与系统大会上以控制论与社会作为主题﹐确认了社会控制论这一独立的分支学科。1979年﹐中国控制论科学家宋健等人用控制论的思想和方法解决了人口发展趋势的中长期预报和最优控制等问题﹐并在中国人口控制的社会实践中取得成功﹐从而创立了人口控制论。
控制论的核心问题控制论的核心问题是信息﹐包括信息提取﹑信息传播﹑信息处理﹑信息存储和信息利用等一般问题。控制论与信息论的主要区别是﹕控制论是在理论上用较抽象的方式来研究一切控制系统(包括生命系统﹑工程系统﹑经济系统和社会系统)的信息传输和信息处理的特点和规律﹐研究用不同的控制方式达到不同的控制目的﹐不考虑具体信号的传输和处理问题﹔信息论研究信息的测度﹐并在此基础上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理有关的问题(如编码﹑译码﹑滤波﹑信道容量和传输速率等)。
通信和控制之间存在着不可分割的关系。人控制机器﹐或者﹐计算机控制机器﹐都是一种双向信息流的过程。研究动物和机器中的控制和通信的关系﹐是控制论的基本出发点。
控制论的对象是一切控制系统﹐控制论著重研究系统中控制和信息这两个方面。有效的控制必然是一种双向信息流的过程﹐这就是说有效的控制一定要有信息反馈。一切系统为了达到预定的目的必须经过有效的控制。有效控制的全过程包括信息提取﹑信息传输和信息处理。
人们获取信息和利用信息的过程就是对外界环境中的种种偶然性进行调节并在这个环境中有效地生活的过程。所谓有效地生活﹐就是在拥有足够的信息量的条件下生活。因此﹐信息和反馈是与适应有联系的。
反馈具有能用过去的行为来调节未来行为的性能。反馈可以是像普通反射那样的反馈﹐也可以是比较高级的反馈﹐即过去的经验不仅用来调节特定的动作﹐而且用来调节行为的全盘策略。这种策略性质的反馈还具有学习的性质。因此﹐信息和反馈是与学习有联系的。
生命体在进化的过程中一方面表现有多向发展的自发趋势﹐另一方面又有保持自己祖先的模式的趋势。这两种效应结合﹐通过自然选择就淘汰掉那些不适应周围环境的有机体。留下来的是能够适应周围环境的生命形式的剩余模式﹐这种剩余模式就是广义的合目的性的表现。这就说明﹐信息和反馈是与进化有联系的。
人们根据神经细胞的新陈代谢现象和神经细胞之间形成突触的随机性质﹐认识了信息与系统结构的关
系。可以认为﹐记忆的生理条件以至于学习的生理条件﹐就是组织性的某种连续﹐即把来自外界的信息变成结构或机能方面比较经久的变化。
控制论的数学理论控制论的数学理论基础就是用吉布斯统计力学来处理控制系统的数学模型。任何一个控制系统都有两组状态变量﹐一组是可控的﹐一组是不可控的。控制论问题就是如何根据不可控变量从过去到现在的信息来适当地确定可控变量的最优值﹐使系统达到最合适和最有利的状态(即预期的目标)。控制论向人们提供解决这样一些问题的方法和途径。维纳为了解决这个数学问题﹐在1954年建立了非线性随机理论﹐后来又在此基础上建立了自组织理论和学习理论。
控制论的数学问题可表述为﹕①对不可控变量的时间序列作出恰当的数学描述。维纳用样本函数与概率空间相对应的方法来构造随机变量﹐这一过程被称为维纳过程﹐用以决定输入函数族。②设计一个将输入函数变换为输出函数的非线性算子。③在设计算子时确定最优性判据。
维纳方法属于统计方法的范畴﹐因而产生无偏性﹑最小方差﹑输入输出函数的自相关函数和相关分析等概念。用广义调和分析和遍历定理﹐可从每个个别的样本函数获取所需信息。维纳就是用这种方法建立了时间序列的预测和滤波理论﹐通常称为维纳滤波。非线性算子可展开成正交算子的级数﹐对于处理自组织和自繁殖问题很有用处。非线性随机理论已在生物控制论和经济控制论方面得到广泛的应用。非线性随机理论不但是控制论的数学理论基础﹐而且是处理一切大规模复杂系统的重要数学工具。
控制论的基本方法控制论是从信息和控制这两个方面来研究系统。控制系统的作用就是以某种智能方式从外界提取必要的信息(称为输入)﹐按一定的法则进行处理﹐产生新的信息(称为输出)反作用于外界﹐以达到一定的目的。输入输出变量不仅可以表示行为﹐也可以表示信息。
系统的输入输出变量确定以后﹐还要找出两种变量之间存在的函数关系﹐也就是建立该系统的数学模型。根据系统的输入输出变量来建立系统模型的方法﹐就是著名的黑箱方法。黑箱方法是一种重要的控制论方法﹐可用来研究复杂的大系统和巨系统﹐现在已经发展成为系统辨识分支学科。
为了建立系统模型﹐就要引入仅与该系统有关的状态变量﹐从而可能用两组方程来描述这一系统。一组称为转移方程(又称状态方程)﹐用以描述系统的演变规律﹔一组称为作用方程(又称输出方程)﹐用以描述系统是怎样与外界发生作用的。设x是输入向量﹐y是状态向量﹐z是输出向量﹐t为时间变量﹐Δt为时间增量﹐则系统的数学模型可以表达为﹕
y(t＋Δt)＝f(x(t)﹐y(t)﹐t)
z(t＋Δt)＝g(x(t)﹐y(t)﹐t)
其中第一个方程是转移方程﹐第二个方程是作用方程。经过这样抽象之后﹐便可对系统进行一般性的研究﹐确定系统的类别和特性。系统的特性是通过系统特定的结构产生的(如伺服系统存在反馈﹐自适应系统要有一定容量的记忆)﹐所以同一类系统往往有同一类结构。这样就可以进一步研究这种结构如何发挥作用。这种控制论推理方式﹐使控制论适用于一切控制系统的领域﹐而对于研究大规模的复杂的控制系统﹐尤有独特的作用。
上述建立控制系统数学模型的方法并不是惟一的。在自动机理论中还常常采用状态转移表或状态转移图的方式。自动机理论的研究成果充分证明了这种控制论方法有其独特的优点。控制论方法有助于人们对控制系统一般特性的研究。用控制论方法来研究大系统和巨系统时往往需要使用同态和同构的概念﹐以及分
解和协调的概念。
控制论的跨学科性质控制论通过信息和反馈建立了工程技术与生命科学和社会科学之间的联系﹐因此控制论具有明显的跨学科性。这样一来﹐不但可以把一个科学领域中已经发展得比较成熟的概念直接用于另一科学领域﹐促进其发展﹐避免不必要的重复的研究工作﹐而且可以采用类比的方法特别是功能类比的方法(又称功能模拟法)得到许多新的启发﹐产生新的设计思想和新的控制方法﹐取得意想不到的成果。例如﹐生物控制论与人造系统控制论(包括工程控制论﹑经济控制论和社会控制论)之间存在着类比关系。自动控制﹑自适应﹑自学习这三种类型的系统均可与生物系统进行类比以了解其功能﹐这就能向工程师提出某些实际问题的解决途径。
参考书目
维纳﹐N.着﹐郝季仁译﹕《控制论》﹐科学出版社﹐北京﹐1963。(N.Wiener﹐Cybernetics﹐or Control and Communication in the Animal and the Machine﹐MIT Press﹐Cambridge﹐MA.﹐1948.)
工程控制论
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作者：宋健来源：中国大百科全书发表时间：2006-03-12 浏览次数：312 字号：大中小【汉语拼音】gongcheng kongzhilun
【中文词条】工程控制论
【外文词条】engineering cybernetics
【作者】宋健
控制论的一个分支学科﹐是关于受控工程系统的分析﹑设计和运行的理论。法国物理学家和数学家A.M.安培于1834年用控制论这一名词称呼管理国家的科学。第二次世界大战前后﹐自动控制技术在军事装备和工业设备中开始应用﹐实现了对某些机械系统和电气系统的自动化操纵。20世纪30年代末美国﹑日本和苏联的科学家们先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑自动机的理论﹐并被迅速用于生产实践。在这一时期前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。在这些科学成就的推动下﹐曾亲自参加过自动化防空系统研制工作的美国数学家维纳﹐N.于1948年把这些概念和理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究﹐并把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同机制的现象加以研究﹐建立了一门新的学科﹐称为控制论(cybernetics)。这一名词随即为世界科学界所袭用。1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世﹐第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论﹑概念和方法。随着该书的迅速传播(俄文版1956年﹐德文版1957年﹐中文版1958年)﹐该书中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。工程控制论的目的是把工程实践中所经常运用的设计原则和试验方法加以整理和总结﹐取其共性﹐提高成科学理论﹐使科学技术人员获得更广阔的眼界﹐用更系统的方法去观察技术问题﹐去指导千差万别的工程实践。
理论范畴工程控制论的研究对象和理论范畴在不断扩大。近20年来该学科的各个方面都有了很大的发展。到目前为止﹐它所包含的主要理论和方法有下列6个方面。
系统辨识和信息处理由于工程控制论中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上﹐为了实现对工程系统的控制﹐精密地定量描述它的行为和结构就具有决定性的意义。找出能够完全描述系统状态的全体变量﹐区分为输入量﹑受控量和控制量等不同类别﹐把表现为机械的﹑电的﹑光的﹑声的各种物理信号
形式的变量从各种随机因素和噪声中提取出来﹐确定各变量在各种不同条件下的变化规律﹐这就是系统辨识理论的任务。用滤波﹑预测﹑相关处理﹑逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息以及寻求各变量之间的相互关系﹐这是属于信息处理理论和方法的范畴。近年来发展起来的模式识别理论和方法能够对已经提取出来的物理信号进行更精细的分析﹐以便用机器手段去理解它的含义﹐并用文字或图形显示出来﹐为管理和操作人员提供准确的信息﹐这是信息处理理论的新成就。
模型抽象为了精细地描述受控客体的静态和动态特性﹐常用建立数学模型的方法。成功的数学模型能更深刻地﹑集中地和准确地定量反映受控系统的本质特征。藉助于数学模型﹐工程设计者能清楚地看到控制变量与系统状态之间的关系﹐以及如何改变控制变量才能使系统的参数达到预期的状态﹐并且保持系统稳定可靠地运行。数学模型还能帮助人们与外界的有害干扰作斗争﹐指出排除这种干扰所必须采取的措施。根据具体受控工程的特点﹐可以用代数方程式﹑微分方程式﹑积分方程式﹑逻辑代数式﹑概率论和模糊数学等数学工具去建立数学模型。对复杂的系统常要用到由几种数学工具结合起来的混合模型去实现对工程系统的完全描述。这种根据实验数据用数学工具去抽象受控工程对象本质特征的原理和方法称为建模理论。
最优控制欲使工程系统按希望的方式运行﹐完成预定的任务﹐应该正确地选择控制方式。几乎所有的工程系统都有共同的特性﹕为达到同一个目标﹐存在着许多控制策略。不同的控制策略所付出的代价也各异﹐例如能量消耗﹐所费时间的长短﹐材料﹑人力和资金的消耗等均不相同。研究如何以最小的代价达到控制的目的的原理和方法称为最优控制理论。寻求以最短时间达到控制目的的理论称为最速控制理论。线性规划﹑动态规划﹑极大值原理﹑最优化理论等都是经过实践证明具有严密结构的最优控制理论。为了解决最优控制的工程实现问题﹐科学家们又创造了很多适用于计算机程序的算法﹐称为最优化技术。最优控制理论和最优化技术的建立是工程控制论中最突出的成就。
自我进化受控系统的工作环境﹑任务和目标常发生变化。为了使工程系统能自动适应这些变化﹐科学家们创立了一系列设计原理和方法﹐赋予系统以自我进化的能力﹐即根据变化了的环境条件或工作任务﹐系统能够自动地改变自己的结构﹑参数和获得新的功能。最早出现的是自稳定系统﹐它能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变自己的结构﹐始终保持稳定的工作状态而无需操作人员去干预。用自适应控制理论(见适应控制系统)设计的工程系统能自动地对外界条件变化作出反应﹐改变自己的结构参数﹐保持优良的性能和高精度。计算机用于工程系统后﹐由于具有信息存储能力﹐出现了自学习系统。经过有经验的操作人员示教以后﹐系统把一切操作细节都记忆下来﹐从此就能准确地自动再现已学到的操作过程﹐完成指定的任务。只要存储容量足够大﹐同一工程系统可记忆若干种操作过程﹐就成为多功能系统。把专家们在某一专门领域中的知识和经验存储起来﹐工程系统就获得处理复杂问题的能力﹐这种系统称为专家系统。为完成不同的任务而能自动重组结构的系统称为自组织系统。工程控制论的研究工作还一直受着仿生学新成就的启发和鼓舞﹐不断引进新的概念﹐发明新的理论﹐以求工程系统部分地模仿生物的技能。能够辨识人的声音﹐认识和翻译文字﹐具有不断增长的逻辑判断和自动决策能力的智能系统已在工业生产领域和服务行业中采用﹐这是具有自我进化能力的工程控制论系统的最新成就。
容错系统提高系统工作可靠性一直是工程控制论研究的中心课题之一。早期的研究集中在如何用不太可靠的元件组成可靠的系统。例如﹐人的大脑中每天都有成千上万个脑细胞死亡﹐却仍能在数十年内可靠地工作而不出现故障。用设置备份的办法去提高可靠性称为冗余技术﹐这是一项研究得最早至今仍在大量采用的技术。自诊断理论是关于自我功能检查发现故障的理论。按这种理论设计的工程系统能自动地定期诊断全系统和组成部分的功能﹐及时发现故障﹐确定故障位置﹐自动切换备份设备或器件﹐从而恢复系统的正常功能。有的系统能在全部运行过程中连续地进行自我诊断。利用纠错编码理论(见编码理论)可以自动地发现工程系统在信息传输过程中可能发生的差错﹐自动地纠正错误﹐使系统的功能不受损害。在不可能纠正时则剔除错误信息﹐或让系统重复操作﹐以排除随机差错。对不能简单排除的故障﹐则选用无需故障
部件参与的其他相近的功能部件代替。自诊断理论﹑检错纠错理论﹑最优备份切换理论和功能自恢复理论总称为容错理论(见容错技术)。
仿真技术在系统设计和制造过程中不能在尚未建成的工程系统上进行实验﹐或者由于代价太高而不宜于进行这种实验。用简单的装置和不同的物理过程去模拟真实系统的受控运行过程称为仿真技术。早期曾以物理仿真为主﹐即用不同性质但易于实现﹑易于观察的物理过程去模仿真实的过程。模拟计算机是专为仿真技术而发展起来的技术﹐它利用电信号在电路中的变化规律去模仿物理系统的运动规律。数字计算机出现以来﹐又有混合计算机作为仿真工具。随着数字计算机运算速度和存储容量的提高﹐数字计算机已成为仿真技术的主要手段。只要编制相应的软件就可以模拟各种不同性质的物理过程。仿真技术是在工程控制论中发展起来的强有力的实验技术﹐使设计师们能在极短时间内﹐用很小的代价在实验室内进行任何庞大工程系统的实验。
应用领域的演变工程控制论发源于纯技术领域。转速﹑温度﹑压力等机械变量和物理变量的自动调节是最早期的工业应用﹐而自动调节理论是对这一时期技术进步的理论总结。第二次世界大战前后出现的自动化防空系统和自寻目标的导弹系统促进了伺服机构和自动控制技术的广泛应用。自动调节理论﹐经过发展和提高以后﹐上升为自动控制理论。随着第一台电子数字计算机的出现﹐技术界开始研制具有数字运算能力和逻辑分析功能的自动机﹐自动控制系统随即获得了智能控制的功能。随着廉价的微型计算机大量进入市场﹐自动化工程系统全面地进入了智能化阶段﹐自动控制理论的全部含义遂得以真正展开。从此﹐工程控制论的概念﹑理论和方法开始从纯技术领域溢出﹐涌进了许多非技术部门﹐派生出社会控制论﹑经济控制论﹑生物控制论﹑军事控制论﹑人口控制论等新的专门学科。这些新学科出世以后﹐便与它们的先行者并驾齐驱﹐并且根据各自领域的特点﹐又抽象出新的概念﹐创造新的理论和方法﹐产生新的内容。另一方面﹐它们毕竟是孪生学科﹐有共同的渊源﹐在前进过程中能彼此借鉴和相互补充。它们所共有的那些原理﹑理论和方法﹐作为广义控制论的基本内容﹐又促进了另一门更广泛的学科──系统工程的诞生。
工程控制论进入社会科学领域是当代重大科学技术成就之一。由于信息科学和信息技术的巨大进步﹐“工程”一词的含义在不断扩展。继早期的纯技术工程(机械﹑电力﹑化工﹑水利﹑航空﹑航天等)之后﹐传统上属于社会科学范畴的问题已能用工程方法去处理﹐而且比纯行政管理方法能作出更好的决策﹐对社会事务的具体部门进行状态分析﹑政策评价﹑态势预测和决策优化时﹐常常得到意想不到的新发现﹐导致巨大的经济效益和社会效益。在社会工程中应用工程控制论所依靠的技术手段与在纯技术工程中完全不同。信息的采集要靠统计方法﹐状态分析依靠以计算机为中心的数据通信网络。社会事务的定量模型被存储在计算机的数据库中﹐成为所要研究或管理的那些社会领域的动态映像。在社会领域中进行新的政策性试验要费很长时间﹐还常伴有一定的风险﹐故数学仿真在这里起着非常重要的作用。状态分析﹑模型提取﹑系统设计和政策优化等都能在试验室内于极短的时间内完成。政策变量的设置和实施只能用政令法令的形式和通过有关政府或事业管理机构来推行﹐而不能像在纯技术工程中那样用机械的或其他物理信号去驱动。状态反馈也要在人的参预下经过信息网络实现。所以﹐以计算机为中心的信息系统是社会工程的技术基础﹐也是工程控制论之所以能用到社会范畴的先决条件。此外﹐在模型抽象和政策优化分析中﹐还要经常用到运筹学﹑对策论﹑规划论﹑排队论﹑库存论等历史上独立于工程控制论之外并行发展起来的数学理论﹐以及有关的经济学和社会学理论。由于自然科学家和社会科学家的密切合作﹐正在形成一门新的学科──决策科学。
参考书目
钱学森﹕《工程控制论》﹐科学出版社﹐北京﹐1958﹔修订版﹐1982。
维纳﹐N.着﹐郝季仁译﹕《控制论》﹐科学出版社﹐北京﹐1963。(N.Wiener﹐Cyberntics﹐or Control and Communication in the Animal and the Machine﹐MIT Press﹐Cambridge﹐MA.﹐1948.)
自动控制理论的早期发展历史（经典控制理论部分）
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作者：王庆林来源：中国自动化学会社区发表时间：2006-04-03 浏览次数：973 字号：大中小在1868年至今的短短一百年中，自动控制理论无论在深度和广度上都得到了令人吃惊的发展，对人类社会产生了巨大的影响。从瓦特的蒸气机、阿波罗登月到海弯战争，无处不现示着控制技术的威力。在哲学领域，反馈理论的建立与成功应用，也使“因果关系”进一步发展为“因果－果因关系”，反馈的概念受到人们的重视。
由于控制理论的发展日新月异，对自动控制的发展历史进行全面的论述是困难的。本文将仅对控制理论中经典部分（这也是大学自动控制理论课程的主要内容）的发展过程及背景进行简要的介绍，并对进行必要的讨论。
1.自动控制技术的早期发展
以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前公认的第一篇理论论文, J.C.Maxwell 在1868年发表的“论调节器”算起，至今不过一百多年。然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。
具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”( 在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶” )。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。
约在公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的斯提西比乌斯(Ctesibius)首先在受水壶中使用了浮子(phellossive tympanum)。按迪尔斯(Diels)本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想(尽管当时并不明确)。[1]
中国有着灿烂的古代文明。中国古代的科学家们对水钟十分得重视，并进行了长期的研究。据<<周礼>>记载，约在公元前500年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在公元120年，著名的科学家张衡(78-139,东汉)又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏”由铜匠杜子盛和洗运行建造于公元1316年(元代延祐三年)，并一直连续使用到1900年。现保存在广州市博物馆中，但仍能使用。
[2][3]
北宋时期，苏颂等于1086年-1090年在开封建成“水运仪象台”。仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体的运行，“使它自动地保持在窥管的视场中”。这种仪象台的动力装置中就利用了“从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器(天关、天锁)加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特.胡克早六个世纪。[4]
公元235(三国时期)的马均及公元477年(刘宋时期)祖冲之等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机[5][27][29]。
另外，我国在公元前350年已经用在结构上与水轮相似的水臼来碾米；在公元前50年用水轮来引水灌溉；
在公元前31年在锻冶场里使用水动风箱等。大大地减轻了人们的劳动[29]。
十八世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置也成为人们研究的重点。1750年，安得鲁. 米克尔(1719-1811)为风车引入了“扇尾”传动装置，使风车自动地面向风。随后，威廉. 丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节器在1807年取的专利权。18世纪的风车中还成功地使用了离心调速器。托马斯.米德(1787年)和斯蒂芬.胡泊(1789年)获得这种装置的专利权。[6][29]
和风车技术并行，十八世纪也是蒸气机取得突破发展的时期，并成为机械工程最瞩目的成就。托马斯.纽可门和约翰.卡利(又译为考力)是史学界公认的蒸气机之父。到十八世纪中叶，已有好几百台纽可门式蒸气机在英格兰北部和中部地区、康沃尔和其他国家服务，但由于其工作效率太低，难以推广。
1765年俄国的波尔祖诺夫（И.И.Полэунов）发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）[21][23]。1760年－1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特的改良工作中，1788年，他给蒸气机添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面分机磨石松紧的装置。“调节器”或“飞球调节器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。[7]
瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析，后来J.C.Maxwell从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究。[8]
2. 自动控制基本理论（经典部分）的发展简史
2.1 稳定性理论的早期发展
人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。1687年，牛顿在他的《数学原理》中对围绕引力中心做圆周运动的质点进行了研究。他假设引力与质点到中心距离的q 次方成正比。牛顿发现，假设q>-3 ,则在小的扰动后，质点仍将保留在原来的圆周轨道附近运动。而当q≤-3时，质点将会偏离初始的轨道，或者按螺旋状的轨道离开中心趋向无穷远，或者将落在引力中心上[26]。
在牛顿引力理论建立之后，天文学家曾不断努力以图证明太阳系的稳定性。特别地，拉格朗日和拉普拉斯在这一问题上做了相当的努力。1773年，24岁的拉普拉斯“证明了行星到太阳的距离在一些微小的周期变化之内是不变的”。并因此成为法国科学院副院士[28]。虽然他们的论证今天看来并不严格，但他们的工作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响[26]。
直到十九世纪中期，稳定性理论仍集中在对保守系统研究上。主要是天文学的问题。在出现控制系统的镇定问题后，科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。Clerk Maxwell是第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人[26]。
James Clerk Maxwell是第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人[8]。在他1868年的论文“论调节器”(Maxwell J C.On Governors. Proc. Royal Society of London,vol.16:270-283,1868)中，导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的Thomson s governor, Jenkin s governor 以及具有五阶微分方程的Maxwell s governor进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。Maxwell的工作开创了控制理论研究
的先河。[9][10]
同一时期在俄国，1872年И.А.维什聂格拉斯基（1831-1895）也对蒸汽机的稳定性问题进行了研究。И.А.维什聂格拉斯基的论文“论调整器的一般原理”1876年发表在法国科学院院报上。И.А.维什聂格拉斯基同样利用线性化方法简化问题，用线性微分方程描述由调整对象和调整器组成的系统。这使问题大大简化。1878年И.А.维什聂格拉斯基还对非线性继电器型调整器进行了研究。И.А.维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基人。[23]
Maxwell是一位天才的科学家，在许多方面都有极高的造诣。他同时还是物理学中电磁理论的创立人(见其论文“A dynamical theory of the electromagnetic field”，1864)。目前的研究表明，Maxwell事实上在1863年9月即已基本完成了其有关稳定性方面的研究工作。[10]
Maxwell在他的论文中还催促数学家们尽快地解决多项式的系数同多项式的根的关系的问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难。[9]
约在1875年，Maxwell担任了剑桥Adams Prize的评奖委员。这项两年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳论文。1877年的Adams Prize的主题是“运动的稳定性”。E.J.Routh在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠(Routh E J.A Treatise on the Stability of Motion.London,U.K.:Macmillan,1877)。Routh的这一成果现在被称为劳斯判据。Routh工作的意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。[26]
Edward John Routh 1831年1月20日出生在加拿大的魁北克。他父亲是一位在Waterloo服役的英国军官。Routh 11岁那年回到英国，在de Morgan指导下学习数学。在剑桥学习的毕业考试中，他获得第一名。并得到了“Senior Wrangler”的荣誉称号。（Clerk Maxwell排在了第二位。尽管Clerk Maxwell当时被称为最聪明的人。）毕业后Routh开始从事私人数学教师的工作。从1855年到1888年Routh教了600多名学生，其中有27位获得“SEnior Wrangler”称号。建立了无可匹敌的业绩。Routh于1907年6月7日去世，享年76岁。[25]
Routh之后大约二十年，1895年，瑞士数学家A. Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了跟据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一中方法(Hurwitz A. On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的条件同Routh的条件在本质上是一致的。[9]因此这一稳定性判据现在也被称为Routh-Hurwitz 稳定性判据[1]。
1892年，俄罗斯伟大的数学力学家A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）发表了其具有深远历史意义的博士论文“运动稳定性的一般问题”(The General Problem of the Stability of Motion,1892)。在这一论文中，他提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的李亚普诺夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法。这一方法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计。已成为当今自动控制理论课程讲授的主要内容之一。[11][12]
Lyapunov在稳定性方面的研究受到Routh和Poincare等工作的影响。[12,14]
Lyapunov是一位天才的数学家。他是一位天文学家的儿子。曾从师于大数学家P.L.Chebyshev(车比晓夫)，
和A.A.Markov(马尔可夫)是同校同学（李比马低两级），并同他们始终保持着良好的关系。他们共同在概率论方面做出过杰出的成绩。在概率论中我们可以看到关于矩的马尔可夫不等式、车比晓夫不等式和李亚普诺夫不等式。李还在相当一般的条件下证明了中心极限定理。[11][13]
和他的硕士论文一样，Lyapunov的博士论文被译成法文并在Annales de l Universite de Toulouse (1907)上发表，1949年Princeton University Press重印了法文版。1992年在Lyapunov博士论文发表100周年之际，INT.J.CONTROL以专集形式发表了Lyapunov论文的英译版，以纪念他控制理论领域的卓越贡献。
[11][14]
2.2 负反馈放大器及频域理论的建立[15]
在控制系统稳定性的代数理论建立之后，1928年－1945年以美国A T&T公司Bell实验室(Bell Labs)的科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方法。
1928年8月2日，Harold Black(1898-1983)，在前往Manhattan西街(West Street)的上班途中，在Hudson 河的渡船Lackawanna Ferry上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时报（The New Y ork Times）上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在A T&T的档案馆中。
当时的Black年仅29岁，从Worcester Polytechnic Institute获得电子工程学士毕业刚六年。是西部电子公司工程部（这个部后来成为1925年成立的Bell Labs的核心）的工程师，正在从事电子管放大器的失真和不稳定问题的研究。Black首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析。同年Black就其发明向专利局提出了长达52页126项的专利申请，但只到九年之后，当Black和他在A T&T的同事们开发出实用的负反馈放大器和负反馈理论之后，Black才得到这项专利。
反馈放大器的振荡问题给其实用化带来了难以克服的麻烦。为此Harry Nyquist(1889-1976)和其他一些A T&T的通讯工程师介入了这一工作。Nyquist1917年在耶鲁大学(Y ale)获物理学博士学位，有着极高的理论造诣。1932年Nyquist发表了包含著名的“乃奎斯特判据”(Nyquist criterion)的论文，并在1934年加入了Bell Labs。Black关于的负反馈放大器的论文发表在1934年，参考了Nyquist的论文和他的稳定性判据。
这一时期，Bell实验室的另一位理论专家，Hendrik Bode(1905-1982)也和一些数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。Bode是一位应用数学家，1926年在俄荷俄州立大学(Ohio State)获硕士；1935年在哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)获物理学博士学位。1940年，Bode引入了半对数坐标系，使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。
1942年，H.Harris引入了传递函数的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。这样就把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化了，因而也更有普遍意义，可以把对具体物理系统，如力学、电学、等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究[22]。1925年英国电器工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上，提出了运算微积。不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换的基础上引入的。[27]
至1945年，控制系统设计的频域方法，“波德图”(Bode plots)方法，已基本建立了。
在这同一时期，苏联科学家也在控制系统稳定性的频域分析方面取得了进展。1938年和1939年，全苏电工研究所的米哈依洛夫以柯西幅角原理为基础，发表论文给出了闭环控制系统稳定性的频域判别法。[21-23] 米哈依洛夫还提出了把自动调整系统环节按动态特性加以典型化来进行结构分析的问题。
米哈依洛夫有关稳定性频域判据的论文虽然正式发表较晚。但他的研究成果在1936年由苏联列宁共产主义青年团中央召开的青年学者科学家工作成果竞赛会上曾荣膺奖金。[23] 米哈依洛夫的方法现被称为“米哈依洛夫稳定判据”。[22-23]有些学者又将“乃奎斯特判据”称为“乃奎斯特-米哈依洛夫判据”[23-24]客观地讲，在频域稳定性判别研究中，乃奎斯特不仅在时间上领先，其工作也更完备。现在我们所使用的也主要是乃奎斯特的开环稳定判据。
除了偏差负反馈控制，扰动控制是另一种重要控制策略。第一个试图制造一个不反映被调量偏差，而反应扰动作用的调节器的人是庞赛来（Понселе）。他在1829年曾提出一种有关蒸汽机轴转速自动调节器的线路，利用的就是扰动控制的原理。可是由于当时蒸汽机本身不稳定，他的建议遭到了失败。采用扰动调节原理且在实际上能够工作的第一个自动调节器是1869年由契可列夫所发明的弧光灯光度调节器。这种调节器同庞赛来（В.Н.Чиколев）应用纯扰动的调节不同，它实际上建立了闭环，所以调节器在这里也影响系统的稳定（纯扰动补偿控制不影响系统稳定性）[21]。
2.3 根轨迹法的建立
在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位。它同时域法，频域法可称是三分天下。美国电信工程师W.R.Evans在这里包打天下，他的两篇论文“Graphical Analysisof Control System, AIEE Trans. Part II,67(1948),pp.547-551.”和“Control System Synthesis by Root Locus Method, AIEE Trans. Part II,69(1950),pp.66-69”即已基本上建立起根轨迹法的完整理论。[18,19，27]
Evans所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系统的稳定问题，因此其已经又回到70多年前Maxwell和Routh曾做过的特征方程的研究工作。但Evans用系统参数变化时特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方法。Evans方法一提出即受到人们的广泛重视，1954年，钱学森即在他的名著“工程控制论”中专用两节介绍这一方法，并将其成为Evans方法。[8,19]
2.4 脉冲控制理论的建立与发展
随着计算机技术的诞生和发展，脉冲控制理论也迅速发展起来。
在这方面首先作出重要贡献的是乃奎斯特和香农(Shannon)。乃氏首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采样。香农于1949年完全解决了这个问题。香农由此被成为信息论的创始人。
线性脉冲控制理论以线性差分方程为基础，线性差分方程理论在三、四十年代中已逐步发展起来。随着拉氏变换在微分方程中的应用，在差分方程中也开始加以应用。利用连续系统拉氏变换同离散系统拉氏变换的对应关系，奥尔登伯格(R.C.Oldenbourg)和萨托里厄斯(H.Sartorious)于1944年，崔普金(T sypkin)于1948年分别提出了脉冲系统的稳定判据，即线性差分方程的所有特征根应位于单位圆内。由于离散拉氏变换式是超越函数，又提出了用保角变换将Z平面的单位圆内部转换到新的平面的左半面的方法，这样即可以使用Routh-Hurwitz判据，又可将连续系统分析的频域方法引入离散系统分析。
求得离散型频率特性后，乃氏稳定判据和其他一切研究线性系统的频率法都可应用，但由于Bode图的应用大受限制，频率法在离散系统研究中也受到限制。（库津(1961)曾试图用Bode图来表示离散型频率特性，但过于繁复而无法应用。）
在变换理论的研究方面，霍尔维兹(W.Hurewicz)于1947年迈出了第一步，他首先引进了一个变换用于对离散序列的处理。在此基础上，崔普金于1949年，拉格兹尼和扎德(J.R.Ragazzini 和L.A. Zadeh)于1952年分别提出了和定义了Z变换方法，大大简化了运算步骤，并在此基础上发展起脉冲控制系统理论。
由于Z变换只能反应脉冲系统在采样点的运动规律，崔普金、巴克尔(R.H.Barker)和朱利(E.I.Jury)又分别于1950年、1951年和1956年提出了广义Z变换或修正Z变换(modified Z-transform)的方法。对同一问题，林威尔(W.K.Linvill)也于1951年用描述函数的方法进行了有效的研究，不过这一方法目前已较少使用。
回顾脉冲控制理论的发展，尽管俄国的崔普金及英国的巴克尔等都做出了不可磨灭的贡献，但建立脉冲理论的许多工作都是由美国哥伦比亚大学的拉格兹尼和他的博士生们完成的。他们包括朱里（离散系统稳定的朱里判具，能观测性与能达性，分析与设计工具等），卡尔曼（离散状态方法，能控性与能观性等。是自控界第二位获IEEE Model of Honor者(1974)），扎德（Z变换定义等。是自控界第五位获IEEE Model of Honor者(1995)）。五十年代末，脉冲系统的Z变换法已臻成熟，好几本教科书同时出版。[16,17]
2.5 历史上的三本重要著作[27]
在控制理论发展的历史上有三部著作特别值得一提，
即目前被作为信息论开端的香农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文：《通讯的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication）1948年发表在《贝尔系统技术杂志》第27卷。这篇论文同其1949年发表的论文《噪声中的通讯》（Communication in Presence of Noise.Proc.IRE,37,10-21）奠定了信息论的基础。
控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著：《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》（Cybernetics or Control and Communication in the annimal and the machines. 1948）
钱学森(Tsien H S,1991-)的著作《工程控制论》（Engineering Cybernetics. 1954）
这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程控制论。
在中国，1954年出版了由刘豹编写的第一本《自动控制原理》专著（上海：中国科学图书仪器公司.1954）。
3. 历史的思考
回顾控制技术和控制理论几千年的发展历史，我们可以总结出科学发展的几个特点：
1）社会发展的需要是科学发展的动力。
控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问
题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。
钱三强先生就曾指出：“科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取决于生产和社会的需求。”[20]
2）科学的进步是集体努力的结果，在这一点上往往显示出科学家的群体效应。
同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明了这一点。
3）科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础。杰出的科学家大多是多面发展的。
要现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。Black虽然最早提出了负反馈放大器的思想，但由于他本人理论基础较差（学士学位，只有六、七年的工作经验），频域理论却是在Nyquist博士和Bode 博士等的努力下建立的。Black本人的论文也是在参考了Nyquist的论文之后才完成，他的专利申请也是在Nyquist等的工作完成后才被认可并获准的。同样，在控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如Maxwell、Lyapunov、Zadeh、July等无不在多个方面均有建树。
4）没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展。
控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水平上发展。1868年以来，随着控制理论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。不仅于此，由于我们中国几千年来只重技术不重理论，我们现在的历史就是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明”，而在十六、十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落，终于到了“落后”的近代，挨打受欺，以至于“丧权辱国”了。
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科学方法论
1.1.1科学方法论 科学”概念的基本内涵 科学是一种基于理性的知识体系，其内涵主要包括三个方面： （1）科学是客观的知识。也就是说科学所研究的对象，包括自然界、人类社会在内的一切事物都是有客观实在性的，不是以人的意志为转移的。科学研究必须从这些客观现实出发，科学知识就是对客观世界的过去、现在与未来的一种正确认识，是对客观事物及其规律的反映，是具有客观性的一种认识形态。 （2）科学是理论化的知识。科学应该是认识的概括、抽象，因而是一种理论化的知识形态。 （3）科学是一种不断发展的知识形态。正如罗素所说的，“科学总是一支未完成的交响曲”。由于人们总是受到特定的历史条件和认识水平限制，作为人类认识结晶的科学只能逐渐逼近真理，近似地反映客观实在。 “科学方法论”的界定 在“科学方法论”的语言结构中，“科学”只是个限定词，是对主词“方法论”的内涵和外延的规范。因此可以将“科学方法论”理解为：对客观事物本质和规律进行证实和证伪的一般认识原则或理论学问。一般而言，科学认识又包括两个层次，即经验认识层次和理论认识层次。所谓经验认识层次是指对事实的积累以及概括、综合、分析，从而获得适用于实际目的的经验规律的阶段。所谓理论认识层次是实现知识的系统化并形成具体领域理论体系的阶段。 科学方法论的发展历程 根据各个历史时期的不同特点，可以将其发展历程划分为四个阶段： （1）自然哲学时期。16世纪以前，以直接观察，直觉猜测和形式逻辑推理为主要方法阶段。也可以称之为直觉观察时期。该时期的代表人物有古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯、得谟克里特、柏拉图、亚里士多德、伊璧鸩鲁等等。这一时期的科学方法基本属于经验方法范畴。 （2）分析方法为主阶段。16～19世纪，各门学科开始从哲学中分离出来，并各自形成独立的学科和自己的研究方法。1620年，弗朗西斯·培根的《新工具》一书问世，给当时的科学形成和发展产生了巨大影响，他在书中着重探讨了经验归纳法。与此同时，笛卡尔在《谈方法》一书中，从唯理性的演绎论出发，强调理性的推理和分析。 从而奠定了当时以分析为总体特征的科学方法论。这一时期的代表人物还有伽利略、牛顿、休谟等。 （3）辩证方法为主时期。19世纪40年代至20世纪中叶，由于细胞学、能量守恒与转化论和进化论的出现，自然科学已经逐步发展成为一种关注过程以及各种过程的整体性联系的科学，这一时期人们对世界的认识方法开始采取辩证方法，在研究中将对象的各个部分、要素结合起来，动态地考察对象整体的性质和功能，这一方法进一步得到了微观物理学、量子力学、相对论以及天体演化学等现代前沿科学成果的证
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国外工控机技术发展趋势国内发展概况与策略 机械工业基金会 段明祥 一、国外工控机发展趋势 1.工控机发展的几个热点问题 (1)现场总线 现场总线是连接设置在工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、双向、多向通信网络。它具有消除了4～20mA 信号传输瓶颈现象等很多优点,意义深远,因此受到国际上自动控制、仪表产业、计算机产业界的高度重视。有良好的发展前景。目前,较为流行的现场总线有FF 、PRO F I BU S 、CAN 、L on W o rk s 、HA R T 。已将FF (F ieldbu s 、Foundu ti on )和HA R T 列入国家“九五”攻关项目。 收稿日期:1998-09-21 (2)IPC 因PC 机硬、软件资源丰富、产量大、价格低、质量高,为广大技术人员所熟悉和认可。家用电脑逐步成熟。目前,PC 机占通用计算机95%以上。这是工业PC 热的基础。搞工控的专家和技术人员自然想赋予PC 总线更高的使命,拟让它在过程控制、制造自动化、楼宇自动化等方面扮演重要角色。 (3)PC I 随着CPU 性能的不断提高,总线结构经历了几个发展阶段。①ISA 总线,又称A T 总线;②M CA 标准;③E ISA ;④局部总线,局部总线有两种标准;V ESA (VL )和PC I ,这两 个总线的数据宽度均为32位,并可扩展到64位,数据传输率132M B ～264M B S ,但VL 总线受CPU 时钟频率的限制,只为In tel 486芯片所专用,而PC I 总线是一个经济实用的高性能总线。现PC I 不仅用于PC 机,而向通讯等很广泛领域扩展。 2.DCS (分散型控制系统) 当前工业控制计算机仍以大系统、分散对 象、连续生产过程(如:冶金、石化、电力等)为主,采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展,促使大型分散型控制系统销售增加。DCS 1997年销售为45亿美元。世界上主要DCS 供应商为:Hon 2eyw ell 、B ailey 、W esting 、Hou se 、ABB 、Foxbo ro 、Siem en s 、EU RO 、横河、日本、山武霍纳威尔等。 在工控机中DCS 是受计算机技术影响最大、反应最快的一种。DCS 主要发展趋势为: (1)DCS 向综合方向发展 由于标准化数据通信链路和通信网络的发展,将各种单(多)回路调节器、PL C 、STD 总线、工业PC 、N C 等工控设备构成大系统,以满足工厂自动化要求,并适应开放化的大趋势。 (2)DCS 向智能化方向发展 由于数据库系统、推理机能等的发展,尤其是知识库系统(KB S )和专家系统(ES )的应用,如自学习控制、自适应控制、远距离诊断、自寻优等,人工智能会在DCS 各级实现。和FF 现场总线类似,以微处理器为基础的智能设备,如智能I O 、智能P I D 控制、智能传感器、变送器、调节器、执行器、智能人机接口、可编程调节器相继出现。 (3)DCS 工业PC 化 由IPC 组成DCS 成为一大趋势,PC 作为DCS 的操作站或节点机已经很普遍,PC PL C 、PC STD 、PC N C 等就是PC DCS 的先驱。 (4)现场总线FF 与DCS 现场总线FF 的优点:①消除了4～20mA 信号传输的瓶颈;②减少了电缆配件及安装、维修费用;③提高了检测精度和鲁棒性;④增强了控制系统的可靠性与自治性;⑤为用户提供更多的功能;⑥用户拥有仪表等产品的选择权;⑦产生先进的新型现场仪表,赋予现场仪表许多新的先进功能;⑧调
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1.经典控制理论和现代控制理论的区别和联系 区别： （1）研究对象方面：经典控制系统一般局限于单输入单输出，线性定常系统。严格的说，理想的线性系统在实际中并不存在。实际的物理系统，由于组成系统的非线性元件的存在，可以说都是非线性系统。但是，在系统非线性不严重的情况时，某些条件下可以近似成线性。所以，实际中很多的系统都能用经典控制系统来研究。所以，经典控制理论在系统的分析研究中发挥着巨大的作用。 现代控制理论相对于经典控制理论，应用的范围更广。现代控制理论不仅适用于单输入单输出系统，还可以研究多输入多输出系统；不仅可以分析线性系统，还可以分析非线性系统；不仅可以分析定常系统，还可以分析时变系统。 （2）数学建模方面：微分方程（适用于连续系统）和差分方程（适用于离散系统）是描述和分析控制系统的基本方法。然而，求解高阶和复杂的微分和差分方程较为繁琐，甚至难以求出具体的系统表达式。所以，通过其它的数学模型来描述系统。 经典控制理论是频域的方法，主要以根轨迹法和频域分析法为主要的分析、设计工具。因此，经典控制理论是以传递函数（零初始状态下，输出与输入Laplace变换之比）为数学模型。传递函数适用于单输入单输出线性定常系统，能方便的处理这一类系统频率法或瞬态响应的分析和设计。然而对于多信号、非线性和时变系统，传递函数这种数学模型就无能为力了。传递函数只能反应系统的外部特性，即输入与输出的关系，而不能反应系统内部的动态变化特性。 现代控制理论则主要状态空间为描述系统的模型。状态空间模型是用一阶微分方程组来描述系统的方法，能够反应出系统内部的独立变量的变化关系，是对系统的一种完全描述。状态空间描述法不仅可以描述单输入单输出线性定常系统，还可以描述多输入多输出的非线性时变系统。另外状态空间分析法还可以用计算机分析系统。 （3）应用领域方面：由于经典控制理论发展的比较早，相对而言理论比较成熟，并且生产生活中很多过程都可近似看为线性定常系统，所以经典控制理论应用的比较广泛。 现代控制理论是在经典控制理论基础上发展而来的，对于研究复杂系统较为方便。并且现代控制理论可以借助计算机分析和设计系统，所以有其独特的优越性。 联系：（1）虽然现代控制理论的适用范围更多，但并不能定性的说现代控制理论更优于经典控制理论。我们要根据具体研究对象，选择合适的理论进行分析，这样才能是分析的更简便，工作量较小 （2）两种控制理论在工业生产、环境保护、航空航天等领域发挥着巨大的作用。 （3）两种理论有其各自的特点，所以在对系统进行分析与设计时，要根据系统的特征选取
控制理论及智能控制论的发展与现状
控制理论及智能控制论的发展与现状 【摘要】控制论涉及面很广，研究许多不同领域对象的控制问题，也用了各种比较高深的数学工具，文章拟以通俗的语言，简明的介绍了控制理论及其智能控制论的基本思想、基本问题和主要方法，系统的叙述了控制论和智能控制论的发展历程并讨论了其未来的发展前景。 关键词：控制论；智能控制论；神经网络；系统辨识 1 引言 控制理论经过数十年世界范围的发展，研究成果十分丰富，其中一些研究经过不断发展完善已经成为成熟的独立学科，还有一些研究经过一段时间的繁荣昌盛，大大促进了控制理论的发展，完成了历史的使命，现在看其本身的理论及应用价值却是有限的。当前，控制理论已渗透到几乎所有工程技术领域，新的问题、专题及学科分支大量涌现，五彩缤纷。但也会使人有目不暇接，无所适从之感。当前，高新技术的发展提出了形形色色的新问题，难度大，急待解决.面对这些新问题，现有的控制理论常常显得无能为力，使得一些问题甚至等不及理论上的准备及指点，已在实际中用各种技术手段着手加以解决。 在这样的形势下，本文对控制理论的发展及现状进行了系统性的分析与探讨，了解主线索及脉络，以便在对未来的发展做探索时能有所帮助。 2 “控制理论”产生的历史背景及其核心内容 在20世纪中叶，各学科正处于交叉渗透时期，而且各门学科的边缘区域及其交叉点，正是等待开垦的科学领域。恰如控制论创始人维纳（N.Wiener）所讲的：“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种建立起来的部门之间的被忽视的无人区。”正是基于这种思想，维纳与信息论创始人申农、计算机创始人图灵以及神经学家等进行多次讨论、交流、合作，于1948年发表了《控制论—关于在动物和机器中控制和通讯科学》的著作。论述了控制论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了坚实的基础。 从维纳的控制论中，可以总结出3个最基本而又重要的概念：信息、反馈和控制，此即为控制论的三要素。 反馈的概念是于1920年首先出现在贝尔电话实验室的文献中，后经维纳的引入，逐渐推
经典控制理论
1、经典控制理论与现代控制理论的主要差别。 经典控制理论和现代控制理论，同属于自动控制理论的范畴，属于两种截然不同的分析方式。现实生活中，我们更多接触的是物理模型，而自动控制理论，归根结底，是个数学问题。那么，把真实的物理系统理想化之后，即为物理模型，对物理模型进行数学描述，即为数学模型。经典控制理论着重研究系统的输入-输出特性（即外部描述），现代控制理论不但研究系统的输入-输出关系，而且还研究系统内部各个状态变量，采用状态向量描述（即内部描述）。两种描述，都有时域和频域方法。从广义上讲，现代控制理论的应用层面更宽，而经典控制理论的应用领域相对狭窄，仅仅用线性时不变定常连续系统。 2、传递函数 那么怎么把一个物理模型，描述出数学模型，很简单，就是利用了传递函数。任何一个线性定常连续系统，都可以用一个线性常微分方程描述。把输出量的微分线性组合放在方程等式左边，输入量的微分线性组合放在方程右边，等号两边分别取拉普拉斯变换，就得到了我们的传递函数模型。通过拉普拉斯变换，线性微分方程转换成了代数方程，传递函数表达了一个系统输入-输出的关系，一旦系统给定，传递函数就不会变化，即传递函数不受输入和输出的变化影响。传递函数又可定义为初始条件为零的线性定常系统输出量的s变换与输入量的s变换之比。传递函数的局限在于，它只能反映系统的外部特性，即输入-输出的特性，因此传递函数模型也常被称为“黑箱”模型，我们只能看到由它引起的外部变化，并不能解决系统内部的一些问题和矛盾。要解决这个问题就要用状态空间模型和现代控制理论，因此状态空间模型又称“白箱”模型，我们可以清晰看到它的内部结构，以便对系统进行优化和完善。 3、经典控制理论研究的核心内容。 已知一个系统的传递函数，这个系统的动态性能从最根本上讲取决于什么，这些决定因素是如何影响系统性能的。这个问题其实是经典控制理论最最核心的问题，经典控制理论所有的研究方法都是基于这个问题展开的。给定一个传递函数G（s），决定系统性能的最根本因素就是系统的零点和极点在复平面上的分布情况，其中起决定性作用的是极点的分布，它决定了系统是否是稳定的，是否有震荡，震荡的频率和幅度等等系统最关键的东西，零点的存在起的是一种调节作用，要么是锦上添花，要么是雪上加霜。学习经典控制理论，最终目的是学会如何根据各种被控对象来设计合适的控制器，但从上面的意义上来讲，设计控制器最终目的就是为了把整个系统的零点和极点控制在我们希望的区域或范围内（被控变量的可控性）。 4、经典控制理论的分析方法 经典控制理论，概括来讲，有三种分析方法：时域分析、根轨迹分析、频域分析。 那么PID调节，属于哪种分析方式呢？属于时域分析。很多人可能不太理解这样的观点。PID，含有零点、含有极点，零极点的概念，在频域分析法中同样存在，应该属于频域分析。
贝塔朗菲的一般系统论
贝塔朗菲的一般系统论 相关搜索: 心理学, 奥地利, system, 系统论, 格式塔 一般系统论的历史背景系统的存在是客观事实，但人类对系统的认识却经历了漫长的岁月,对简单系统研究得较多,而对复杂系统则研究得较少。 直到20世纪30年代前后才逐渐形成一般系统论。一般系统论来源于生物学中的机体论，是在研究复杂的生命系统中诞生的。 1925年英国数理逻辑学家和哲学家阿弗烈·诺夫·怀海德在《科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械决定论，认为只有把生命体看成是一个有机整体,才能解释复杂的生命现象。系统思维最早出现在1921年建立的格式塔心理学，还在工业心理学研究中1958年Parry J.B.提出了系统心理学(system psychology)的词汇与概念。 1925年美国学者A.J.洛特卡发表的《物理生物学原理》和1927年德国学者W.克勒发表的《论调节问题》中先后提出了一般系统论的思想。 1924～1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲多次发表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点，即系统观点、动态观点和层次观点。 1937年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。但由于当时生物学界的压力，没有正式发表。1945年他发表《关于一般系统论》的文章,但不久毁于战火,没有引起人们的注意。1947～1948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想，指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律，并于1954年发起成立一般系统论学会(后改名为一般系统论研究会),促进一般系统论的发展,出版《行为科学》杂志和《一般系统年鉴》。虽然一般系统论几乎是与控制论、信息论同时出现的，但直到60～70年代才受到人们的重视。 1968年贝塔朗菲的专著《一般系统论──基础、发展和应用》，总结了一般系统论的概念、方法和应用。1972年他发表《一般系统论的历史和现状》，试图重新定义一般系统论。贝塔朗菲认为，把一般系统论局限于技术方面当作一种数学理论来看是不适宜的，因为有许多系统问题不能用现代数学概念表达。 一般系统论这一术语有更广泛的内容，包括极广泛的研究领域，其中有三个主要的方面。 ①关于系统的科学：又称数学系统论。这是用精确的数学语言来描述系统，研究适用于一切系统的根本学说。②系统技术：又称系统工程。这是用系统思想和系统方法来研究工程系统、生命系统、经济系统和社会系统等复杂系统。③系统哲学:它研究一般系统论的科学方法论的性质,并把它上升到哲学方法论的地位。贝塔朗菲企图把一般系统论扩展到系统科学的范畴，几乎把系统科学的三个层次都包括进去了。但是现代一般系统论的主要研究内容尚局限于系统思想、系统同构、开放系统和系统哲学等方面。而系统工程专门研究复杂系统的组织管理的技术，成为一门独立的学科，并不包括在一般系统论的研究范围内。
控制论的发展
EA 产业市场业界＆市场 32 ｜ 电气时代２００５年第１１期 科学史上，一个简洁明了的基本原理，常常需要长期的实践和积累，历经千百次的失败和成功，从而达到某一升华的阶段，才能形成自己的理论体系，然后渗透到其他学科中去。自动化技术与其基础理论——控制论之间的关系也是这样的。开环控制的基础理论相对来说比较简单，闭环控制比较复杂，至今仍处迅速发展时期，吸引了众多学者关注。虽然有形形色色的数学理论被应用到控制论中来，但它的基本原理只有３个：扰动控制、负反馈控制和复合控制。经过长达数千年的发展，直到２０世纪中叶，人们才从众多的自动化技术中概括出这３大基本原理，然后主观能动地应用它们去建造各式各样的自动化装置，以此实现办公自动化、无人工厂、农业自动化和家务劳动自动化等等，才形成今天强大的社会生产力，把人类推进到一个崭新的时代——自动化时代。可以说没有控制论的建立和发展，就没有今天发达的自动化技术。 指南车、调速器 早在发明指南针之前的公元１０２０年，我们的祖先用木质齿轮系制造了一部车子，车上设一“仙人”。开车前，把“仙人”的手指方向调为指南。开车后，不管车身怎样转弯抹角，“仙人”的指南方向始终不变，这是一项伟大的发明。但是它的工作原理是什么？没有概括出来，就失传了，没能对当时的社会做出更大的贡献。直到２０世纪６０年代，自动化技术发展到相当高水平之后，人们才知道它的工作原理是扰动控制原理。原理简单，但很实用，许多小型发电机常常用它来设计电压自动调压器，结构简洁，运行可靠。 １７８８年瓦特研制出蒸汽机离心式调速器，它能保持蒸汽机转速基本不变，才有工业应用价值。但是历经７０多年的不断改进，不但没有达到人们预料的结果，反而“晃动”起来，令人费解。因为根据当时的科技发展水平，人们尚不理解有一定的内“摩擦”，正是一个系统能够稳定工作的充要条件。“晃动”震撼了新生的资产阶级社会，吸引了很多著名的工程 师、物理学家和数学家的兴趣。但是只有理论基础极为雄厚扎实的英国物理学家，也是创立电磁波理论的科学家Ｊ．Ｃ．麦克斯韦尔（Ｍａｘｗｅｌｌ）才能把蒸汽机晃动现象变成线性微分方程来研究，这是人类第一次把自动化技术中出现的晃动问题变成数学问题来研究。经１８７７年英国人Ｅ?劳斯（Ｒｏｕｔｈ）和１８９５年德国人Ａ?霍维茨（Ｈｏｒｗｉｔｚ）两人各自独立的研究，把特征方程的系数排成一系列不等式，并指出只要满足这些不等式，该系统就是稳定的。不需要去解特征方程的根了，终于形成了现在任何一本自动控制原理课本都要讲的基本理论，代数稳定判据。 从发现问题到解决问题，前后２０多年，科学理论的建立是非常艰巨的。 从瓦特蒸汽机出现的晃动问题中形成的代数稳定判据，不仅解决了蒸汽机稳定问题，而且适用于分析所有低价线性微分方程描述的系统的稳定性问题。即特殊性中含有普遍性，普遍性也必然寄寓在特殊性中。从局部出现的问题，再扩展到其他领域，就形成了社会生产力，代数稳定判据的建立，稳定并促进了资本主义的发展。 电子管放大器和奈奎斯特频率法 １９１５年，美国贝尔电话实验室为了敷设从纽约到旧金山的长途电话线，遇到大量的技术困难，其中最为关键的技术是长距离输送电话信号时，伴随出现信号衰减和畸变两个问题。这是两个相互关联而且又必须同时加以解决的技术关键。１９２７～１９３２年，在该实验工作的Ｈ?布莱克（Ｂｌａｃｋ）和他的同事们，应用负反馈原理基本上解决了非线性畸变，但又出现另一个问题—振荡，即输出信号忽强忽弱。１９３２年，同在该实验室工作的Ｈ?奈奎斯特（Ｎｙｑｕｉｓｔ）成功地解决这一关键技术，创立了奈奎斯特频率法，奠定了自控原理最基础的工作。频率法的出现是和电力工业的发展分不开的，因为电力工业需要对正弦函数的电信号进行网络计算，建立了复数运算和复变函数论，这就为频率法的建立准备了数学工具。 奈奎斯特的频率法的重要贡献在于， 不用解微分方程，它可以利用物理上可以测量的开环系统频率持性来判别闭环系统的稳定 控制论的发展 □项国波
控制论简介
作者：刘文江来源：中国大百科全书发表时间：2006-03-12 浏览次数：623 字号：大中小【汉语拼音】kongzhilun 【中文词条】控制论 【外文词条】cybernetics 【作者】刘文江 研究生命体﹑机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。控制论的建立是20世纪最伟大的科学成就之一﹐现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系。控制论的奠基人美国数学家维纳﹐N.1948年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学”。70年代以来﹐电子数字计算机得到广泛的应用﹐控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统﹐控制论的定义也因之扩展。苏联和东欧各国学者认为控制论是研究系统中共同的控制规律的科学﹐把控制论的定义又作了进一步的扩展。英文cybernetics(控制论)一词来源于希腊文﹐原意为“掌舵人”﹐转意是“管理人的艺术”。1947年﹐维纳选用cybernetics这个词来命名这门新兴的边缘科学有两个用意﹕一方面想藉此纪念麦克斯韦1868年发表《论调速器》一文﹐因为governor(调速器)一词是从希腊文“掌舵人”一词讹传而来的﹔另一方面船舶上的操舵机的确是早期反馈机构的一种通用的形式。 控制论的诞生和发展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﹐C.E.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。这一时期﹐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﹐H.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。 维纳在改进防空武器时发现﹐动物和机器中控制和通信的核心问题是信息﹑信息传输和信息处理。维纳与墨西哥神经生理学家A.罗森布卢埃特合作对这个课题进行了长达10多年(1934～1947)的研究。参加这一研究工作的还有数学家﹑逻辑学家﹑物理学家﹑电信工程师﹑控制工程师﹑计算机设计师﹑神经解剖学家﹑神经生理学家﹑心理学家﹑医学家﹑人类学家和社会学家。他们进行了生理学﹑病理学和心理学方面的许多实验﹐吸收来自火力控制系统﹑远程通信网络和电子数字计算机的设计经验﹐以及对预测和滤波理论等数学统计理论的研究﹐终于找到了控制论的核心问题。1942年5月梅西基金会举行的关于大脑抑制问题的科学讨论会提出﹐通信工程和控制工程领域内已经研究成熟的信息和反馈的概念和方法﹐可能有助于神经生理学的研究。这时控制论的思想已经形成﹐但还没有正式命名。1943年末到1944年初在普林斯顿召开了一次控制论思想的科学讨论会﹐进一步确认了控制论思想﹐认为在不同领域的工作者之间存在着共同的思想基础﹐一个科学领域可以运用另一个科学领域发展得比较成熟的概念和方法。1946～1953年间梅西基金会发起一系列关于反馈问题的科学讨论会﹐对于控制论的发展产生很大的推动作用。 1948年维纳发表奠基性著作《控制论》﹐这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”﹐控制论的名称因此而定。维纳抓住了一切通信和控制系统的共同特点﹐即它们都包含着一个信息传输和信息处理的过程。维纳指出﹕一个通信系统总是根据人们的需要传输各种不同的思想内容的信息﹐一个自动控制系统必须根据周围环境的变化﹐自己调整自己的运动﹐具有一定的灵活性和适应性。通信和控制系统接收的信息带有某种随机性质﹐具有一定的统计分布﹐通信和控制系统本身的结构也必须适应这种统计性质﹐能对一类在统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作。
《控制论和科学方法论》2018学习笔记
《控制论和科学方法论》 笔记 金观涛华国凡著 大龙在这里呢 2018-01-26
目录 序言 (4) 第一章控制和反馈 (4) 1.1.可能性空间 (4) 1.2.人通过选择改造世界 (5) 1.3.控制能力 (5) 1.4.随机控制 (5) 1.5.有记忆的控制 (6) 1.6.共轭控制 (6) 1.7.负反馈调节 (7) 1.8.负反馈如何扩大了控制能力 (7) 1.9.正反馈与恶性循环 (7) 第二章信息、思维和组织 (8) 2.1.什么是知道 (8) 2.2.信息的传递 (8) 2.3.信息是一种客体吗 (8) 2.4.通道容量 (9) 2.5.滤波：去伪存真的研究 (9)
2.6.信息的储存 (10) 2.7.信息加工和思维 (10) 2.8.信息和组织 (11)
序言 控制论思想的源流由三条支流汇成。 一条是数学和物理的发展。（吉布斯）统计力学，量子力学的建立。不少科学家认为：与其说我们这个世界是建立在必然性之上的，倒不如说是建立在偶然性之上的，许多物理定律仅仅是大量事件统计平均的结果。科学的发展迫使人们回答必然性和偶然性之间的关系。于是，确定性与非确定性以及它们之间关系的研究就成为科学界最热门的课题。概率论的成熟，热力学中的熵直至信息概念的提出，就是这一研究的逐步深入。 另一条支流是生物学和生命科学的进展。科学家早就发现，生物界不是一个充满必然性的机械世界，生物个体行为也不能用统计力学和量子力学所用的纯或然语言来刻画。生命的活动既有或然性，也有必然性。生命是怎样把必然与偶然统一起来的？科学家对生命的机制发生了浓厚兴趣。直到提出“内稳定”概念，才将认识推进到新的阶段，为控制论诞生奠定了基础。 第三条支流是人类对思维规律的探讨。它集中地反映在计算机制造和数理逻辑的进展。数学家特别是计算机的研制者们企图用数学语言来模拟人的思维过程。计算机的制造成为控制论成熟的前奏。 1947年，维纳发表《控制论》。 第一章控制和反馈 1.1. 可能性空间 共性：1.被控制的对象必须存在多种发展的可能性。 2.人可以在这些可能性中通过一定的手段进行选择，才谈得上控制。 我们将事物发展变化中面临的各种可能性集合称为这个事物的可能性空间。它是控制论中最基本的概念。
国内外油气勘探理论和技术研究现状
国内外油气勘探理论和技术研究现状 一、国外油气勘探理论和技术发展的现状 1、国外油气勘探理论进展： “合油气系统”概念是石油天然气地质学与系统科学相结合的产物，由美国石油地质学家M G Dow在1972年在AAPG年会上首次提出后，后来经Perrodon（1984），Demason（1984），Meissner（1984），Ulmishek（1986）及Magoon（1987、1988、1989）等人补充、修改而完善，认为：“含油气系统强调特殊烃源岩与形成石油聚集之间的成因关系，盆地研究强调构造凹陷及所包含的沉积岩，而不考虑与油藏的关系，对含油气区带和远景圈闭的研究强调应用现有的可行的技术或方法探测出现今存在的圈闭”。含油气系统一词代表了所有形态的烃类（固态的、液态的和气态的），而系统则代表了所有相互关联的基本要素（烃源岩、储集层、盖层和上覆岩层）以及所有成藏作用（圈闭的形成、石油的生成一运移一聚集）。 “层序地层学”概念早在1948年Sloss，Krumbein及Dapples等就提出了。后经Vail（1977，1988），Payton（1977），Posarnentier（1988），Galloway（1989），Sagree（1988），Wagoner（1988）等人进一步完善，层序地层学理论进入到系统化与综合化阶段，形成经典层序地层学理论（Vail and Posamentier，1988）和成因层序地层学新学派（Galloway，1989）。以最大水进面（海泛面或湖泛面）泥岩作为层序边界，强调在海平面或湖平面从下降到上升所完成的进积—退积—加积作用过程，形成一个完整的成因地层单元，层序内部具有向上变粗再变细的演化序列；1994年，Cross等提出了高分辨率层序地层学，根据基准面旋回原理和可容空间变化原理，揭示基准面旋回层序与沉积动力学和地层响应过程的关系，研究相对应的沉积相演化序列，预测有利储集砂体的产出位置和发育情况。2002年AAPG年会对层序地层学研究新进展进行总结，主要为：①提出运动学层序和体系域、地球半径周期性变化引起的深海盆地千米级规模的海平面变化、深海页岩层序识别和陆架边缘崩塌基准面及崩塌层序等新理论，提出气候变化是高频层序形成的主控因素，验证了米兰柯维奇旋回中40×104a离心率周期造成海平面变化的理论；②在碳酸盐岩层序地层学、成岩作用与层序地层学关系研究方面以及层序地层学在含油气系统、团闭预测、储集层和油气藏精细描述、烃源岩预
基于控制论的数学测试系统应用
现代远程教育研究2012年1期／总115期基于控制论的数学测试系统应用研究【技术应用】 基于控制论的数学测试系统应用研究* □世文菊何彦彬任善恂 摘要：数学问题解决能力的高低直接影响到学生学习数学的效率、学习兴趣、学习成绩以及学生学习潜力的开发。传统的数学教学方式容易使学生形成固定的思维模式，不利于创造性思维的培养。基于控制论的数学测试系统，将资源科学归类，提供教师辅导和及时诊断服务，注重学科知识的应用和学生间协作意识的培养。利用该数学测试系统，学生可以及时获得反馈，明晰自己的学习状态和问题；教师可以根据学习过程中学习者的变化状态，不断调整数学训练的内容和方式，制定最佳的教学方案，使学生在控制模型下，不断提高数学问题的解决能力。 关键词：控制论；数学测试系统；问题解决；问题表征；应用研究 中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：1009-5195（2012）01-0087-05doi10.3969/j.issn.1009-5195.2012.01.014 *基金项目：国家社科基金“十一五”规划教育学2007年度重点项目之“中学生问题解决行为模型测量及问题解决策略培养的研究”（CCA070216）。 作者简介：世文菊，硕士研究生，云南大学网络与信息中心；何彦彬，博士研究生，助理研究员，云南大学现代教育技术中心；任善恂，博士，研究员，云南大学现代教育技术中心（云南昆明650091） 控制论是1948年美国数学家诺伯特·维纳创立的，它研究如何在系统内控制对象的变化状态，即用最少的信息实现最优的环节，取得最大效果，达到最佳化控制（精确化、定量化、模拟化）（刘斌等，2004）控制论的基本概念是信息和反馈，由这两种概念把本质互相背离的技术系统，如生物系统、社会系统联络起来，使这些系统中调节和控制的机能过程都可以用控制论的方法统一地加以处理，所以控制论又是一门方法论学科。 传统教学中学生解答数学问题时，习惯套用固定模式来解题。长此以往，学生的思维惰性就会不断增强。将控制论运用到“一题多解”的数学问题解题中，不仅对知识的掌握具有很大的帮助，而且还能帮助学生在学习过程中，树立良好的学习习惯，摒弃单一追求结果、死记硬背的学习定式，提高学生的数学问题解决能力。本文试图将控制论的信息与反馈方法应用于“数学测试系统”中，对学生测试后表现出来的差异进行个性化的指导，以获得最佳的教学效果。 一、数学问题在“数学测试系统”中的表 征方式 数学问题解决的全过程通常包括：从现实情境中提出问题，根据所提问题建立数学模型，运用自身已有的知识经验探求解决问题的思路，寻找规律，对问题进行求解，对解答过程的反思和对结果的评价、应用与推广，这样一个循环往复的过程。 数学问题在“数学测试系统”中的表征方式是指测试系统开发者根据数学教辅资料给出的问题和数学一线教师或专家给出的问题表征规律相结合，通过发现问题的架构、建立问题解决空间的过程，把物理刺激转变为心理符号的过程。问题表征既是一种过程，也是对问题理解的一种结果，即对问题的理解、内化，问题在头脑中的呈现方式等。问题表征质量的高低将会直接影响到问题的解决。（胥兴春等，2001）Kruteskii（1976）和Usiskin（1987）认为，视觉表征能够加强解题者对问题的知觉性理解。李文馥（1987）和Battista（1990）认为数学关系的空间表象操作能力有助于数学问题解决，它与数学成绩成正相关。徐凡等人的研究（1992）也证实了小学生空间表征与解决几何问题的能力有很高的相关性。 研究者按两个维度：教师规定题目的难易程度、问题和实际应用的符合程度（概念、基本应用、复杂应用），对测试系统中的数学问题进行区分，并运用测试系统，将传统学习中难以直接考察的解题效率和效果问题通过可视化的方式直观地展现出来，帮助学生及时了解学习情况，开展个性化的学习指导。 二、控制论在“数学测试系统”中的运用 数学问题解决能力的高低直接影响到学生学习数学的效率、学习兴趣、学习成绩以及学生学习潜力的开发。基于控制论的数学测试系统以教学任务和客观条件等信息采集为前提，以信息传输和反馈 . .87
罗杰斯《传播学史——一种传记式的方法》章节题库(诺伯特·维纳和控制论)【圣才出品】
罗杰斯《传播学史——一种传记式的方法》章节题库 第十章诺伯特·维纳和控制论 一、名词解释 1．反馈 答：反馈是指在控制论中，通过有关一个系统过去行为的信息来控制这个系统的未来行为。因此，它是借助于重新插入一个系统的过去行为的结果来控制该系统的一个手段。在一个传播系统中，反馈是一个接受者对于信源从前信息的回应，表明它的效果。 2．诺伯特·维纳 答：诺伯特·维纳是美国最著名的数学家，控制论之父，和香农一起发明了有关信息的熵度量法的思想，在某种程度上参与了和香农一起开创信息论的工作。维纳的理论对于传播学具有重要的影响，特别是对于由互动论的传播学者所组成的帕洛阿尔托学派具有重要的影响。维纳的代表作有《数学原理》、《控制论》，还有控制论的通俗读本畅销书《人类对人的使用：控制论和社会》，维纳的理论在若干方面对传播学产生了重要影响。 3．控制论 答：控制论是20世纪初由诺伯特·维纳提出的重要理论，是关于自我控制系统的理论，它以“反馈”概念为依据，其定义是通过关于一个系统以往运行情况的信息，来控制这个系统的未来行为。诺伯特·维纳的控制论已被有效地应用于广泛的跨学科的适用领域：大脑功能和神经生理学、人工智能、工厂自动化、假肢和国际传播。
4．受众[复旦大学2012．2007～2008年研；华东师范大学2005年研；华中师大2005年研] 答：受众是指大众传媒的信息接受者或传播对象。受众是一个集合概念，最直观地体现为作为大众传媒信息接受者的社会人群，例如书籍或报刊的读者、广播的听众或电影、电视的观众等。传播学家克劳斯认为，受众按其规模可以分成三个不同的层次：①特定国家或地区内能够接触到传媒信息的总人口，这是最大规模的受众；②对特定传媒或特定信息内容保持着定期接触的人，如报纸的定期读者或电视节目的稳定观众；③不但接触了媒介内容而且也在态度或行动上实际接受了媒介影响的人，对传媒而言这部分人属于有效受众，在他们身上体现了实质性的传播效果。 5．受众“碎片化”[人大2013年研] 答：“碎片化”，是描述当前中国社会传播语境的一个形象性的说法。“碎片化”，是指完整的东西破成诸多零块。随着社会经济的发展，人们生活水平不断提高，消费选择不断扩大，生活方式及意识形态呈现多样化趋向。传统的社会关系、市场结构及社会观念的整一性瓦解了，代之以一个一个利益族群和“文化部落”的差异化诉求及社会成分的碎片化分割。 6．知情权/知晓权[北邮2008年研；北师2008年研；华中师大2008年研；中国传媒大学2006年研；南开大学2005年研；人大2005年研；上海大学2005年研]答：知情权是公民的一项基本政治权利，又称知晓权、了解权、获知权、知的权利等，从广义上讲，是指社会成员获得有关自身所处的环境和变化的信息、保障社会生活所需的各种有用信息的权利。在这个意义上，它也是人的生存权的基本内容之一。从狭义上说，是指公民对国家的立法、司法和行政等公共权力机构的活动所拥有的知情或知察的权利，这也意
关于系统控制论的总结
最牛的系统论总结－－系统论的数学模型 系统论的数学模型 系统论（Systemism）包括基本要素和高级要素（每个要素是一个系统（systems））. 基本要素： 系统（System）、结构（Structure）、事件（Event）、资源（Resource）； 事件（Event）包括三个要素： 动作（Action）、过程（Procedure）、成本（Cost）。 系统论（Systemism）包括以下高级要素： 标准（Standard）、权力（Power）； 标准（Standard）包括三个要素： 值（Value）、关系（Relation）和功能（Function）。 所有的要素都是在系统论（Systemism）中，而不是直接存在于世界（the World）或者能量（the Energy）之中。当然系统论（Systemism）是世界（the World）的一部分。系统论（Systemism）会使用这些要素（子系统）为你解释世界（the World）和能量（the Energy）。 ?.系统（System）. 系统（System）是系统论（Systemism）中最基本的东西。。一个系统（System）指向世界(the World)中的一个对象（Object）。该对象（Object）可以被系统 论（Systemism）中的某些系统（System）利用某些标准（Standards）加以消 费（Consume ）。 ?.系统名称（Name of System）. 系统论（Systemism）使用一个名称（Name）标记一个系统（System）。这样当使用某个名称（Name）时我们指向某个系统（System），而该系统（System） 指向世界（the World）中的一个对象（Object）。名称（Name）将系统论（Systemism）中的系统（System）和世界（the World）的对象（Object）连接起来。[以下不再标出已出现名称的英文] 比如，世界当然是世界中最大的对象。一个系统论中的系统指向它并有一个保 留名称"系统论中的世界（the World in Systemism）" 以避免混淆；能量是世 界的基础，它的保留名称是"系统论中的能量（the Energy in Systemism）"； 系统论是世界的一部分，所以一个名称为"系统论中的系统论（Systemism in Systemism）"指向它。因为系统论已经存在与自身中，所以这个名称只是一个占位符，它直接指向系统论自身。 系统论使用系统将世界中的真实对象映射进来，同时使用一个名称来标记系统论中的系统。 我们看一个图来解释系统论的"对象-系统-名称映射"以及系统论的各种要素关 系：[Systemism graph]: ?.系统等式（System's equation）.
控制科学与工程学科发展报告,发展现状及趋势
控制科学与工程学科发展现状及趋势 一、国内外现状概述： 经典控制理论的研究对象一般为单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。 经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统的数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频域方法。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时域和频域中系统的运动特性、控制系统的设计原理和校正方法。其局限性主要表现在一般仅适用于单变量和定常系统。 现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和揭示了系统内部状态和性能。较之经典控制理论，现代控制理论的研究对象要广泛得多，原则上将，它既可以是单变量、线性、定常、连续的，也可以是多变量、非线性、时变、离散的。 智能控制可以概括为自动控制和运筹学、计算智能、人工智能等学科的结合，其结构是： 识别、推理、决策、执行。在低层次的控制中用常规控制器，而在高层次的控制中则应用具有在线学习、修正、组织、决策和规划能力的控制器，模拟人的某些智能和经验来引导求解过程。智能控制理论是以专家系统、模糊控制、神经网络等智能计算方法为基础的智能控制。 智能控制的发展还不完善，甚至可以说才刚刚开始，但是可以预见智能控制的发展与完善将引起控制科学与工程学科的全面革命。 集散控制系统（DCS）就是在生产过程自动化的巨大需求的背景下发展起来的一种自动化技术。它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限，又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集
控制论实际上是将控制原理抽象应用于其他领域
控制论实际上是将控制原理抽象应用于其他领域 缘起1 一年半以前（2017年3月），《中国机械工程》副主编郭伟老师，邀请我作为杂志审稿专家，同时向我约稿，“从XX理论看智能制造”，当时就提出了写“从自动化理论看智能制造”的文章方向。 在构思文章的时候，发现控制原理可以应用到智能制造的方方面面，其中负反馈的原理，可以应用到从宏观的公司战略，企业经营管理方面，微观到设备控制，从长期的产品生命周期闭环，到及时的单个设备的闭环控制。在智能制造的方方面面都体现着控制原理的闭环控制。 构思的内容太多，反而不知从哪里开始写起，所以一直没有写出来。 缘起2 10月中旬（2018年），兰光创新的朱铎先老师，将与赵敏老师合著的《机.智从数字化车间走向智能制造》一书赠送给我，通篇浏览后，有很多方面想写一下。 喜欢阅读朱铎先和赵敏的文章，他们的文章信息量大，又很有启发性。我的很多观点是在阅读了朱铎先的文章后，受启发而产生的，比如《中国制造新起点：服务业革命开启服务业文明》一书的核心观点就是在阅读了他的一篇文章后，让我从产业历史和分工的维度思考而提出来，后来根据这个观点整理出书。 在《机.智》一书中，关于CPS的一段论述： Cyber－Physical System中的Cyber是Cybernetics的字根，来源于希腊语，远意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等方面的含义。 Cyber这个词最早用于科学术语，是美国数学家、控制论创始人维纳在1948年出版的《Cybernetics》(中文版被翻译为《控制论》)一书中提到的，于是，很多人将Cybernetics 称之为控制论，但“控制论”也不能完整表达Cybernetics的意思，建议音译为赛博学为宜。 朱铎先认为Cybernetics的涵义远远多于控制领域本身，这个观点我是认同的。但我的观