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控制论(Control Theory)

时间:2010-02-26 19:44:46  来源:  作者:

 自从1948 年诺伯特·维纳发表了著名的《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书以来,控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学,更具体他说,是研究动态系统在变化的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。“控制论”一同最初来源希腊文“mberuhhtz”,原意为“操舵术”,就是掌舵的方法和技术的意思。在柏拉图(古希腊哲学家)的著作中,经常用它来表示管理人的艺术。

  1834 年,著名的法国物理学家安培写了一篇论述科学哲理的文章,他进行科学分类时,把管理国家的科学称为“控制论”,他把希腊文译成法语“Cybernetigue”。在这个意义下,“控制论”一词被编入19 世纪许多著词典中。维纳发明“控制论”这个词正是受了安培等人的启发。

  在控制论中,“控制”的定义是:为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展,需要获得并使用信息,以这种信息为基础而选出的、加于该对象上的作用,就叫作控制。由此可见,控制的基础是信息,一切信息传递都是为了控制,而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗他说,信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去,又把其作用结果返送回来,并对信息的再输出发生影响,起到控制的作用,以达到预定的目的。
 

 

在实际应用中,有关控制论的具体内容主要有:

  1.最优控制理论。

  这是现代控制论的核心。在现代社会发展、科学技术日益进步的情况下,各种控制系统的复杂化与大型化已越来越明显。不仅系统技术、工具和手段更加科学化、现代化,而且各类控制系统的应用技术要求也越来越高。这就促使控制论进人多输入和多输出系统控制的现代化阶段,由此而产生了最优控制理论。这一理论是通过数学方法,科学、有效地解决大系统的设计和控制问题,强调采用动态的控制方式和方法,以满足各种多输入和多输出系统的控制要求,实现系统最优化。最优控制理论主要是在工程控制系统、社会控制系统等领域得到广泛的应用和发展。

  2.自适应、自学习和自组织系统理论。

  自适应控制系统是一种前馈控制的系统,所谓前馈控制,是指环境条件还没有影响到控制对象之前,就进行预测而去控制的一种方式。自适应控制系统能按照外界条件的变化,自动调整其自身的结构或行为参数,以保持系统原有的功能,如自寻最优点的极值控制系统、条件反馈性的简单波动白适应系统等。随着信息科学和现代计算技术的发展,自适应系统理论得到进一步完善和深化,并逐步形成一种专门的工程控制理论。自学习系统就是系统具有能够按照自己运行过程中的经验来改进控制算法的能力,它是自适应系统的一个延伸和发展。自学习系统理论也是用于工程控制的理论,它有“定式”和“非定式”两个方面,前者是根据已有的答案对机器工作状态作出判断,由此来改进机器的控制,使之不断趋近于理想的算法,后者是通过各种试探、统计决策和模式识别等工作,来对机器进行控制,使之趋近于理想的算法。自组织系统就是能根据环境变化和运行经验来改变自身结构和行为参数的系统。自组织系统理论的主要目标是通过仿真、模拟人的神经网络或感觉器官的功能,探索实现人工智能的途径。对自组织系统理论的研究在20世纪60年代就已经成为控制论的重要领域。从控制论观点讲,系统不仅能被组织,而且又是能够自组织的。对自组织系统的新模型的探索和研究,将给组织系统的控制,人工组织系统、组织与有机体系统的控制,带来很大的影响和变革。

  3.模糊理论。

  这是在模糊数学的基础上形成的一种新型的数理理论。它主要是用来解决一些不确定型的问题。模糊数学包括模糊代数、模糊群体、模糊拓扑等。我们知道,在现实社会中,存在着大量不够明确的信息和含糊的概念,人们只能根据经验对事物进行估计、推理和判断。因此,在一个复杂系统中,往往就有一些不确定型的问题需要处理。对此,仅用一般的数学模型和计算机是难以完成的,这就必须根据模糊数学来求得解决问题的结论。

  4.大系统理论。

  这是现代控制论最近发展的一个新的重要领域。它以规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素繁多的各种工程或非工程的大系统自动化问题作为研究对象,其研究和应用涉及到工程技术、社会经济、生物生态等许多领域,如城市交通系统、社会系统、生态环境保护系统、消费分配系统、大规模信息自动检索系统等。尤其在生产管理系统方面,如在生产过程综合自动化管理控制系统、区域电网自动调节系统、综合自动化钢铁联合企业系统等方面应用性更强。大系统理论所要研究的问题,主要是大系统的最优化。
 

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