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系统科学中的控制论


系统科学中的控制论

交通运输学院

张心哲

系统科学中的控制论
交通运输学院 张心哲 摘要: 摘要 控制论是近年来发展起来的一门新科学,并且正迅速地应用到各个领域. 本文概述了 控制论的基本概念与发展历史,说明了控制系统的一般理论与控制论的研究方法,而且介绍 了应用控制论的基本理论与方法形成的控制论的各分支学科.此外,提出了控制论面临的挑 战问题. 关键词: 控制论,控制理论,系统科学,控制系统 关键词

Cybernetics of the System Science
Jang Sim Chol Abstract: Cybernetics is a new school subject which is developed recently, now, it is applying to various field rapidly. This paper summarize about the basic concept and development history of the cybernetics. Also, this paper explain the general theory of control system and the study direction of cybernetics, and it introduce a various school subject of cybernetics that is formed by applying to the basic theory and method of cybernetics. And others, put forward a difficult problem of the cybernetics. Keyword: Cybernetics, Control theory, System Science, Control System

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1. 控制论的基本理论 . 1.1 . 控制论的发展过程与研究对象 控制论的发展过程与研究对象 控制论的形成及发展过程

1.1.1 . .

控制论 (cybernetics) 这个词不是现代才有的. 早在古希腊时期, 柏拉图就使用了 "控 制论"这个词(kulpvnvlkn),愿意是管理国家和"掌舵的艺术" .后来到 1834 年,法国科 学家安培(Ampere)写了一篇论述科学哲理的文章, 其中谈到应加强对社会管理方法 的研究,并把古希腊语翻译成法语(cybernetigue)以表示这种方法. 1948 年,美国数学 家维纳(N.Wiener)创立了一门新的综合性学科,即"关于在动物和机器中控制和通讯 的科学" ,他把这门学科命名为"控制论" 从此,控制论就做为一门科学理论立于世界 . 科学之林了. 维纳控制论属于经典控制论,它主要研究的是单因素控制系统或是不变系统,其核心 是各种自动调节器, 伺服系统与有关电子设备, 在实践方面主要用于单机自动化. 例如, 用自动调节器来控制水塔的水位,电冰箱的温度,发电机的电压,电动机的运转;用伺 服系统使雷达自动跟踪目标运动,控制火炮自动瞄准射击,以及飞机,舰艇的自动操舵 系统等都属于单因素控制. 现代控制理论主要研究是多因素控制系统或时变系统,重点是最优控制,其核心是 电子计算机,在实践方面,主要用于机组自动化. 例如,导弹飞行控制即属于多因素控 制. 因为导弹在飞行过程中要受到各种因素(天气因素,引力因素,电磁波等)的影响 和干扰,只有克服所有这些因素的影响和干扰,才能保证导弹准确击中目标. 企业自动 化管理也属于现代控制论的研究对象. 大系统控制论的研究对象是一些多因素,多层次的控制系统,其核心装置是巨型计 算机或电子计算机的联机, 在实践中主要用于综合自动化. 例如, 生态系统, 经济系统, 军事系统,以及整个社会系统都属于多因素,多层次的大系统,对这样的系统进行控制, 不用大系统控制论是绝对不行的. 1975 年,在罗马尼亚召开了第三届国际控制论与系 统论会议,主题即经济控制论,着重研究现代化的经济管理问题. 1978 年,在荷兰的 阿姆斯特丹又召开了第四届国际控制论与系统论会议,主题是社会控制论,即研究对社 会各种系统进行综合管理问题. 控制论的这种发展趋势,超出了维纳的预料,因为它在 1948 年发表"控制论"时曾说过:把自然科学方法运用到社会科学方面去,企图取得同 样程度的胜利,是"过分的乐观"和"虚伪的希望" ,而控制论的发展表明.他的这个观
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点显然已是保守的了. 1.1.2 控制论的研究对象 . . 人们一般从不同的侧面去认识和研究控制论, 对于它的解释也各有侧重. 这也许是 所有新兴边缘学科所共有的特征. 然而,作为一门学科总有一个大致的研究范围,在这 里我们将控制论的研究对象及其特点作一简略的分析. 首先,我们分析控制论创始人维纳对一问题的看法. 维纳在"控制论"书名的副标 题中,明确提出控制论的研究对象是动物和机器中的控制和通讯问题. 当时,他对于控 制论能用于社会系统持怀疑态度. 几年后,在"人当作人来使用"一书中,他不仅改变 了看法,甚至认为控制论在社会系统中应用的可能性已经出现,以后维纳的认识又有发 展,在 1960 年他明确表示,控制论的主要和最迫切的任务是"研究自行组织系统,非线 性系统以及同生命是这样一回事有关的那些问题.但是所有这些——三种提法说的是同 一会事" 他还说"我用'控制论'这个词标志这个问题的领域,事出自一个简单的原 . 因,我在今天的生物科学和工程科学进行研究的那些过程中,找到了许多相似的东西, 因而力图使用这样的词汇,把不同的相似性表示和指明出来,否则在这领域进行的工作 就会混杂不齐, 并缺少对问题的最基本的共同的理解. 我的目的就在于把各个科学领域 中进行的能力联合起来,使它门都致力于对相似问题的划一的解决. " 由此可见,维纳把控制论的研究对象扩充道生物,社会和机器中控制和通讯的共同 规律的研究,但他强调的是对于有生命系统的控制机制的模拟研究.著名控制论专家英 国生理学家艾什比(W.Ross.Ashby)在"控制论导论"一书中,对于控制论研究对象和 特点的观点与维纳的观点基本类似,他认为"控制论也确实可以定义为:它是研究这样 一类系统的科学,在这类系统中能量是无关紧要的,而信息及控制却非常重要,换言之, 它研究的系统是'不透信息'的. " 同时,艾什比强调控制论是研究复杂系统的. 而

复杂系统在生物界中则是司空见惯的. 有些科学家和哲学家,与维纳和艾什比的观点则不尽相同. 柯尔曼(A.Kolman)认为 控制论是"信息和机械控制的数学理论. 索波列夫等认为,控制论是"关于自动机器 " 与生物体中控制与通讯方面一些共同问题的各种理论/假设和观点的总和. " 把控制论应用到社会方面去是不适当的. 茹科夫认为控制论不是一门普通的专门科学,它既不是数学,也不是哲学,它所研 究的对象是一种抽象的功能系统, 这与一切具体的技术, 生物和社会系统是有区别的.他
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但他认为

强调控制论的方法论意义. 列尔涅尔认为: "目前,控制论表示一种能应用于任何系统中的一般控制理论. 在 这里,所谓'系统'是指当作一个互相关联的整体的一组任意种类的元素. 他同时指 " 出: "控制论,作为控制的科学,它并不一般地研究一切系统,而只研究控制系统" 他 , 还提出了"抽象控制论系统"的概念. 他提出的控制论的研究对象是非常一般的.

美国学者乔治(F.H.George)认为人工智能是控制论的核心部分. 在讨论控制论的研究对象时, 必须说明的是, 控制论(Cybernetics)与控制理论(Control Theory)是两个不同的概念,应该加以区分.控制理论指的是自动控制理论,它的经典理 论是在 1945 年前后,以伺服机构理论为核心的自动调节理论. 在控制论诞生之后,控 制论的原理和方法被运用于工程技术领域而形成的工程控制论,它通常也被理解为自动 控制理论.因此,自动控制理论既可以指控制论以前的伺服机构理论,也可以指工程控 制论. 综上所述,关于控制论的研究对象,虽然众说纷纭,但无论从哪一个角度去定义控 制论,它的研究目标是明确的,具体的.正是这种多方面,多角度的研究,使得这门新 兴的边缘学科得以迅速地发展. 1.2 . 控制系统 控制系统的定义及构成

1.2.1 . .

所谓控制就是指在一定环境中,一个系统通过一定方式驾驭或支配另一个系统做合目 的运动的行为及过程. 由各种控制要素构成的整体称为控制系统(图 1) .

图 1.控制系统模型

1) 施控系统 实际的施控系统主要有人,生物,机器,三种类型. 其中,人包括个体和群体两种 形式,如军事指挥员就是控制个体,各级政府则是控制群体;生物施控系统主要是指动
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物,如动物捕食的过程就是个控制过程,生物施控系统也有时是个体,有时是群体;机 器施控系统主要指自动机,如航天飞机上的自动控制系统,水塔上的水位调节器亦可看 成是施控系统. 2) 受控系统 主要有自然界和社会两大类型. 如农作物就是农民的控制对象——受控系统;人工 降雨中的雨也是受控系统;作为受控系统的社会现象很多:如政治,经济,思想,教育 等都属于受控系统. 3) 控制手段 控制手段是控制过程的关键环节,按性质可分为两大类: 一. 自然手段. 主要有三种形式,即物质手段,能量手段及信息手段. 二. 社会手段. 有多种形式,即政法手段,法律手段,道德手段,经济手段,文化手 段及制度手段. 具体一个控制过程需要多少控制手段,需根据实际情况而定. 4) 控制目的 控制过程是一个有目的的过程,没有目的的过程不能叫控制. 如西伯利亚寒流南侵, 使我国大部分地区出现降温或降雨, 这就不能叫控制. 但是人工降雨过程就是一种控制 行为了. 5) 控制环境 任何控制过程都是在一定环境中发生的,并且受着环境的重要影响.

1.

2.

2 控制系统的分类 控制系统的分类

对于控制系统,可以用不同方法进行分类,我们这里按照输入与输出的关系来分类. 先介绍一下输入与输出这两个概念. 输入:指施控系统给受控系统送进一定的物质,能量或信息. 输出:指受控系统在施控系统作用下送出一定的物质,能量或信息. 在实际控制过程中,物质,能量,信息的输入和输出并不是绝对分开的,而往往是结合 在一起的. 在输入输出物质的过程中,往往伴随能量或信息的输入和输出,而在输入输 出信息的过程中,也往往伴随物质和能量的输入和输出,当然,在信息传递过程中,伴 随的物质和能量传递过程非常微弱,但也不等于无.
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下面,根据输入和输出的关系把控制系统分为这样两类. 1) 开环控制系统 所谓开环控制系统就是指输入直接控制输出而不受输出影响的控制系统, 其原理框图 如下(图 2) .

图 2. 开环控制系统

例如射箭就是一个开环控制系统,因为一旦离弦而去就无法再控制了. 在社会生活 中,有的领导者只顾发指示让下属去干,但干的结果如何却不管,这样由领导和被领导 组成的控制系统也属于开环控制系统. 从开环控制系统得实例中可以看出,其优点是结构简单,容易设计;但缺点是易受 环境因素干扰,控制效果差,如射出去的箭一遇较强的侧风,就会严重偏离目标. 因而 欲保证控制成功,必须在施控之前就考虑到干扰因素的影响. 2) 闭环控制系统 所谓闭环控制系统,就是指用输入控制输出,同时根据输出的回输(反馈)来调整 输入的控制系统,其原理如下(图 3) .

图 3.闭环控制系统

例如,汽车司机和汽车组成的控制系统就是一个闭环控制系统. 一方面,司机要开动
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汽车前进;另一方面,他又要根据汽车实际运动的状况扭转方向盘,对汽车行进方向进 行调整,使其沿一定路线前进. 司机的大脑就是一个接收,处理反馈信息并发出调整信 息的机构,没有这种反馈调节机制,司机就无法驾驶汽车正常进行. 从上述闭环控制系统实例中可以看出,这种控制系统得控制过程实际上是一个不断 根据输出来调整输入的过程,因而其优点是能在变化的环境中进行控制,或者说它比较 灵活,容易较好地达到控制目的. 但其缺点是结构较复杂,多了一个反馈装置,控制过 程也略难一些. 至于反馈的有关问题,我们以后再讲. 3) 组合控制系统 由于上述两种控制系统各有优缺点,所以人们有时又把二者结合起来,构成一个组合 控制系统(图 3) .

图 4.

综合控制系统

组合控制系统得特点是: 施控系统在发出控制信号之前要充分考虑到干扰因素的影 响,同时在施控过程中,又要不断根据系统输出来调整控制信号,这样就能取得更好的 控制效果. 例如 , 国家在制定各项政策和法律时, 既要充分考虑到各种可能出现的实际情况, 以使政策和法律尽量完善, 同时又要注意根据实际贯彻结果不断对政策和法律进行调整, 这样使能较好地保证政策和法律发挥出最佳效能. 在这里特别注意两点:一是在实施控制之前,施控系统(特别是人)一定得有一个 尽量完好的计划或实施方案,绝不能边干边制定方案,那样做危险性较大;二是在有了 一个比较完好的计划之后,还要注意在执行过程中不断根据实际情况进行调整和修正;
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无论忽视哪一方面,都是难以取得最佳控制效果的.

1.

2.

3

控制系统的数学描述

控制论是一门精确的定量化科学,要求用数学方法描述系统的状态,行为,性能,作 出定量的结论, 指导系统设计. 建立和求解数学模型, 通过对模型解的分析把握系统特性, 是用控制论方法研究问题的基本作业.控制论一般把系统看作确定性的,在确定性的输入 作用(原因)的激励下,系统以确定性的输出作用(结果)响应. 输入——输出观点在控 制论中起着非常基本的作用,贯穿于对控制的各种定义中. 输入 u(t)与输出 y(t)之间的激 励——响应关系 y(t)=F[u(t)] (1)

是控制系统最基本的特性. 研究控制系统,重要的是了解在一定的输入作用下系统将有 (生 怎样的输出, 为得到预期的输出, 应当选择怎样的输入作用. 至于系统内部的具体过程 理的,生命的或社会的等,对经典控制学并不重要. 这就是著名的黑箱原理. 从输入——输出观点看,控制系统是一种变换传递装置,其作用是对输入量进行变 换,传递以得到输出量,激励——响应特性就是这种变换传递特性. 控制论描述这种特性 的定量概念,叫作传递函数,是由系统的输入量和输出量经过适当数学处理(拉氏变换) 建立的. 令 W 记系统的传递函数,U,Y 记经过数学处理的输入与输出,则系统的激励— —响应关系可表示为 Y = W * U (2)

表示输入乘以传递函数就是输出. 由此得到传递函数的定义 W= Y / U (3)

控制系统的运行都是动态过程,输入量 u,输出量 y,状态量 x,干扰量 m 都是时间 t 的函数,x 对 u 或 m,y 对 u 或 m 的响应都是动态响应.即需要经过一定的过渡过程才能 建立起稳态响应特性. 动态方程是在时间域上描述系统,数学处理上有其不便之处. 经 典控制理论引入拉氏变换对动态方程进行处理,把传递函数,输入,输出均表示为复数 S 的函数 W(S), U(S), Y(S),得到 W(S) = Y(S) / U(S) (4)

传递函数是输出的拉氏变换除以输入的拉氏变换. 或者是写作 Y(S) = W(S) *
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U(S)

(5)

给定动力学方程,施行拉氏变换,按(4)可得传递函数. 没有动力学方程,可用 实验方法获得传递函数.

1.2. .

4

控制系统的性能指标

设计控制系统是为了获得预期的功能,系统能给我们提供什么样的功能取决于它的性 能. 系统的性能要通过一定的品质指标来衡量. 对于控制系统,主要关心以下几类性能及 品质指标. 1) 稳定性与稳定裕度 稳定性是对控制系统必要的和起码的要求,只有稳定运行的控制系统才有可能发挥 预定功能,实现控制目标. 稳定性是一种定性要求. 但对控制系统往往还要求它具有必要的稳定裕度,通俗地 讲,就是稳定性的"富裕程度" 处于稳定边缘的系统参数稍有变化就可能丧失稳定性,很 . 不可靠,实际上不能使用. 具有足够稳定裕度的系统才可使用. 控制论提供了许多半别控 制系统稳定与否的方法. 2) 控制的精确性 控制活动结束后受控量达到的稳态值与预定值之差的绝对值, 就是控制精度. 控制精度 越高,系统的性能越好. 但实际做不到也无须绝对精确,精度越高,代价越大. 精度过 高并不合算,使误差不超过某个许可范围就行了. 3) 过渡过程特性 作为动态系统,受控量对于干扰作用和控制作用的响应都是动态响应,需要经历一 定的过渡过程. 用户对控制系统的过渡过程特性有多方面的品质要求.主要有: 一. 快速性与过渡过程时间 T 二. 平稳性和超调量 h 三. 振荡次数, 超调量不能全面反映过渡过程的平稳性, 还要考虑该过程的振荡次数, 即在 0~T 的时间间隔内 y(t) 的振荡次数. 振荡次数小的系统平稳性好,一般情形均希望系 统的振荡次数尽量小. 但有振荡的过渡过程与单调过程相比也有好处, 如快速性好. 快速性与平稳性是一对矛盾,需依据具体情况辩证地处理. 4) 结构特性
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能控性与能观测性是最重要的结构特性. 另一个是鲁棒性,通俗地称为强壮性. 现代化的生产和科技发展常常要求控制系统在恶劣多变的环境下工作,不仅要求系统 有优良的功能特性,而且要求系统能在恶劣多变的环境中正常运行,具有好的鲁棒性. 1. 3 控制方式 控制是一种策略性的主动活动,实现同一控制目标可以有不同的控制方式,构成不 同类型的控制系统. 基本的控制方式有三种. 1)简单控制 ) 最简单的控制方式可以用框图一般地表示为;

图 5. 简单控制

简单控制的特点是,不考虑系统承受的外部干扰,也不管对象执行控制指令的效 果如何,只根据控制目标的要求和关于对象在控制作用下的可能行为的认识来制定控 制指令,让对象去执行.简单地说,就是只布置任务,不检查效果. 其优点是结构简单,使用方便,经济性好. 简单环境中的简单系统都可能采取这种控 制方式.但这并不意味着简单控制一定是不好的,当控制任务比较单纯,环境情况简单, 部属素质高时,采取简单控制方式领导部属往往能收到举重若轻的效果. 2) 补偿控制 ) 如果外部干扰对系统的影响不可忽略, 或对象不能忠实地执行控制指令, 简单控制方式 的效果必定很差. 在许多情况下,对这类对象可以采用补偿控制方式. 例如,有些工厂 生产过程的控制采取下图所示的方案.

图 6.

补偿控制
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这种控制方式的特点是,在依据控制目标制定控制指令的同时,实时地监测外部干扰, 计算为抵消干扰可能造成的影响所需要的控制作用,并反映在控制指令中,通过控制把干 扰的作用补偿掉. 由于能够在干扰作用引起对象严重偏离目标之前就采取措施去抵消干扰 的影响,这种方式称为补偿控制. 补偿控制要通过设置补偿装置来实现. 3) 反馈控制 ) 反馈控制的一般框图为;

图 7. 反馈控制

反馈控制方式的特点是,不去监测干扰作用,不采取事先抵消干扰影响的补偿措施,只 监测受控对象的实际运行情况,把输出变量的信息反向传送到输入端,与体现目标要求的 控制变量进行比较,形成误差,根据误差的性质和大小决定控制指令,去改变对象的运行 情况,逐步缩小并最后消除误差,达到控制目标. 控制方案的着眼点是消除对象实际运行 情况与预定状况之间的不一致,即消除误差. 但只有存在一定的误差,控制系统才能启动 和工作. 这是一种以误差消除误差的控制策略,因而也称为误差控制. 在线路结构上,误差控制要求设置反馈环节,形成从输出端到输入端的信息反馈通道. 从输入端到输出端的前向信息通道,加上反馈通道,构成一个闭合的信息通道. 这是反馈 控制的一大特点,故常称为闭环控制. 简单控制和补偿控制都没有闭合的信息通道,称为 开环控制. 开环控制优点是结构简单,缺点是控制精度低,抗干扰能力差,对系统参数的 变化敏感. 实际控制过程有时将反馈控制与补偿控制结合起来, 形成复合控制, 能获得更好的控制 效果,但结构也更复杂.

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1. 1.

4 4.

控制论的研究方法 1 功能模拟方法

所谓功能模拟即研究原形客体功能特性为对象的一种模拟,它要求模型与原形之间具有 功能的相似性. 功能模拟是控制论研究的重要对象,同时其成果又对人们认识世界和改造世界起着巨大 推动作用. 例如,现在各种人造感官(电子眼,电子耳,电子皮等)就是应用功能模拟方 法研制出来的,其极大加强了人类对客观世界的认识能力;具有在高压,高真空,深海水下, 有毒环境中工作能力的机器人也是应用功能模拟方法研制出来的, 它则极大地扩展了人类改 造客观世界的能力. 1.4.2 . . 黑箱——灰箱——白箱方法 黑箱——灰箱——白箱方法 ——灰箱——

1) 黑箱方法 所谓黑箱方法,简单地说,就是通过分析未知系统输入和输出的对应关系来认识其内部 结构并加以控制的方法. 它具体可分为如下四个步骤: 一. 确认黑箱. 即采用相对孤立的方法,把黑箱从环境中划分出来,并找出其外部特征. 例如,我们在 医院里做全面身体检查时,实际上是把身体做为黑箱来对待的. 这之前,一般都要求我们 早晨不要吃饭,也就是暂时中断与环境的联系(相对中断) ,而且要把我们每个人的性别, 年龄等特征确定下来. 否则,检查结果酒不准确或无意义(年轻人与老年人,男人与女人 健康指标不一样) . 二. 确定输入与输出. 也就是先确定一下给黑箱输入的内容, 例如是输入一定物质? 还是一定能量? 还是一定 信息? 然后再确定一下所要观察的输出对象, 例如是观察其输出物质的情况? 还是观察其 输出能量的情况? 还是观察其输出信息的情况? 还是全面观察其情况? 等等 三. 找出输入与输出的关系,并建立模型 一般来讲. 给黑箱一个确定的输入, 它就会有一个确定的输出, 若给黑箱一系列输入 (或 不同种类或同一种类) ,它就会有一系列输出. 通过分析每一对输入与输出的关系,然后进 行综合,就可以得出规律性的认识. 四. 推导出黑箱的内部联系 对黑箱各种输入与输出的关系搞清了,我们就可以进而推测出其内部联系了. 例如,教
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师为了检查学生掌握知识的情况(黑箱) ,可以连续搞几次考试(给学生输入信息,学生答 卷是使出信息) ,然后分析学生答题情况,便可知道学生对所学知识的掌握程度. 虽然黑箱方法的应用是十分广泛的,但这种方法也有自己的局限性,其局限性是: 一. 对于某些异构同功的系统,应用黑箱方法就很难搞清其内部结构差别了. 二. 黑箱方法也难以排出或确定黑箱内部的干扰作用. 三. 黑箱方法不是通过打开黑箱来研究的, 其结论是通过分析输入与输出的关系得 出来的,因而带有预测的性质,且难以通过打开黑箱进行直接检验. 2) 灰箱方法 内部结构不完全清楚的对象称为灰箱. 灰箱的未知程度叫"灰度" ,不同的灰箱,其灰 度是不同的. 所谓灰箱方法, 即运用已有的知识, 结合黑箱方法去推测系统内部结构特征的认识方法. 灰箱方法的基本步骤有三: 一.根据已知部分推测其未知部分. 二.应用黑箱方法认识未知部分. 三.将上述两步认识结果加以综合,得出对整个灰箱结构的认识. 由于人们日常接触的认识对象绝大多数是灰箱,只是其灰色度不同罢了,所以灰箱方法 近年很受重视. 钱学森指出"灰色系统很意义,值得注意,今后还会更大的发展." 灰色系统理论主要包括七个方面的内容: 一.灰度研究. 二.关联空间理论. 三.生成理论. 四.建模理论. 五.预测理论. 六.决策理论. 七.控制理论. 目前,灰色系统理论在社会,经济,管理,农业,医学,生态,环境,系统工程等 领域的预测,决策,规划等方面都已获得广泛的应用. 3) 白箱方法 内部结构完全清楚的认识对象称为白箱. 白箱方法就是指把对白箱系统内部的认识
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用一定关系或模型表达出来,并进一步预测其变化规律及对系统功能影响的方法. 白箱方法的特点是具有已知性和更大的预测性. 例如,对我国今后经济发展前景的 预测就可以运用白箱方法, 即根据现代的社会经济状况去推测今后社会经济的发展. 天 气预报也可以说是在运用白箱方法,因为在做出预报以前,各种天气情况根据基本都是 知道的. 总而言之,黑箱方法,灰箱方法,白箱方法都是认识系统结构的重要方法,只不过 认识的已知条件不同罢了,我们在具体应用这三种方法认识事物时,应将其有机结合起 来. 科学的任务之一,就是把人类认识对象从黑箱变成灰箱再变成白箱,即达到事物内 部结构的完全认识,而搞清了系统的内部结构及其变化规律,便可以进而搞清系统的外 部功能及其它很多特性,并指导人们去更有效地认识,控制和改造客观世界.

2. 控制论的应用及发展 . 控制论的应用及发展 控制论的基本理论与方法,应用于各个领域形成了控制论的各分支学科. 最早的分 支学科是工程控制论和生物控制论,以后又形成了社会控制论和经济控制论.

2. 1

工程控制论 一般认为,工程控制论是控制论应用于工程技术方面而形成的自动控制理论

(Automatic Control Theory),它与控制论(Cybernetics)是两个不同的概念. 从历史的发展过程来看,自动控制理论在维纳的控制论诞生之前就已经出现了. 但 是工程控制论是在 1948 年维纳发表控制论之后才形成的, 它是将控制论的基本理论和方 法用于工程技术发面. 工程控制论产生于工程自动控制技术的理论和实践, 经历了一个 从实践到理论,从理论到实践的发展过程. 由于工程控制论的理论性和实践性都很强, 涉及的面广, 使得与许多邻近的学科很难严格划清界限. 也许正是这些 "模糊" 的界限, 促使了多学科的渗透,进一步推动了工程控制论的发展. 工程控制论主要包括以下内容:线性系统理论,非线性系统理论,概率和统计方法 的应用,最优控制理论,自适应系统理论,自学习以及自组织系统理论,系统辨识理论, 大系统理论,模糊集理论.

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2. 2

生物控制论 生物控制论是控制论的一个重要分支.它是根据控制论的理论于方法,研究生物体

的信息调节控制和规律的学科.它通过生物系统各部分相互联系研究生物运动及其运动 过程. 目前,一般认为,生物控制论可定为研究生物系统中信息传递,变换,处理过程和 调节控制规律的科学,它所研究的对象是具有控制功能的生物系统,这个系统可以是分 子,细胞,组织器官,生物个体,也可以是包括环境在内的生态系统. 生物控制论的研究内容主要包括:生物系统分析和神经控制论二部分. 生物控制论 是一门理论性和应用性都很强的学科. 它的研究内容,随着控制论的发展,生物科学的 发展及世界新技术革命的发展将不断更新和丰富.

2. 3

社会控制论 社会控制论是把控制论的理论与方法应用社会的经济发展,生产管理,交通运输,

能源管理,通信工程,环境保护,城市建设,法制建设,以至社会发展的各种问题. 社会控制论认为,社会是个有机的自组织系统,有信息反馈控制机制;社会控制系 统的决策能力和作用, 在社会系统发展过程中具有重要的地位. 社会控制论不仅整体上 研究社会发展问题,而对各类社会现象也要研究. 任何一个社会,都要建立稳定的社会 秩序,保证人们能够安定生活,正常生产,发展经济. 社会正常秩序与稳定是与社会控 制分不开的,没有社会控制,就没有社会的正常秩序和稳定局面. 社会控制论正在成为 人们认识社会,改造社会的强有力工具之一. 可以预言,随着科学技术的发展,社会控 制论对人类社会进步必将起着越来越大的作用.

2. 4

经济控制论 经济控制论是控制论的原理和方法,在经济活动和经济管理中应用形成的新科学.

经济控制论是定性定量研究经济体制功能的一种有效工具. 经济控制论的研究领域宽广,并有狭义与广义之分. 从狭义方面看,经济控制论研 究主要集中在管理过程和管理过程的信息加工与传递过程.从广义方面看,经济控制论 研究人民经济系统及其子系统的内,外部各种关系,从人民经济总系统的结构到各个组 成部分结构,从计划制定到市场调节手段,从地方部门到企业的生产经营管理,都可视
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为经济控制论的研究对象. 经济控制论研究的具体问题是: 一.经济系统的结构,功能和运动规律; 二.经济管理和自动调节的规律,确定计划经济与市场经济相结合的正确关系; 三.经济信息管理系统问题; 四.调节社会生产发展的经济杠杆问题,如经济核算,经营责任制,奖罚条例,利 润计划,经济效益评价等问题; 五.为实现国家的经济发展战略目标,统筹兼顾国家,地方,部门,企业,集体, 个人之间利益,协调他们之间关系的问题; 尽管经济控制论研究的问题很多,但研究的主要内容有以下四个方面: 一.经济信息系统的合理化研究; 二.经济调节的完善研究; 三.改进经济决策研究; 四.经济过程的模拟方法研究

2.5 .

大系统理论

大系统理论是控制论发展的一个新阶段,研究各种不同领域(工程技术,社会经济, 生态环境等)复杂大系统的控制机理和信息过程的共同规律与互相渗透,是研究复杂大 系统"广义控制" (包括:控制,管理,调度,指挥等)与大型,复杂,广义控制系统的 建模,分析与设计的理论,方法和技术的新学科. 简单地说,大系统控制论研究各种不 同领域的大系统控制过程的共同规律. 大系统控制论的目的如下: 一.探讨新途径 虽然从 20 世纪 70 年代,人们在大系统理论及应用方面进行了大量工作,取得了一 定的进展,但是,由于实际大系统十分复杂,存在许多困难问题,例如主动性,不确定, 发展中,维数灾,分散性等,以致基于控制理论和运筹学仅依靠数学模型的大系统理论 难以实际应用. 因此,需要突破传统的框架,探讨解决大系统的上述难题的新途径. 二.研究新方法 为了进行大系统的分析,综合及模型化,通常,基于确定性数学模型的方法,只适
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用于确定的,确知的系统. 因此,对于主动系统,发展中系统等不确定,不确知的大系 统,需要研究其分析,综合及模型化的新方法. 三.开发新技术 为了实现大系统有效的控制,管理和决策,除了基于控制理论和运筹学的常规技术 之外,对于主动系统,发展中系统等不确定,不确知系统及分散化系统,需要开发大系 统控制论,管理和决策的新技术. 例如在解决大系统工程问题时,直接引用某些经验知 识,利用人工智能专家系统的方法,开发大系统智能控制,管理和决策的新技术. 四.发展新学科 为了促进控制论的学科发展,在继承控制论以及工程控制论,生物控制论,经济控 制论,社会控制论等学科成果的基础上,发展一门研究工程大系统,生物大系统,经济 大系统,社会大系统,等各种大系统控制,管理及其信息过程共性问题的新科学. 因此,大系统控制论是探讨解决各种不同领域的大系统控制,管理及其信息过程共 性的新途径,研究大系统分析,综合及模型化的新方法,开发大系统控制,管理和决策新技 术的一门新学科.

2.6 .

控制论面临的挑战 控制科学的发展,诱使人们把它的原理和方法推广应用于越来越大型复杂的系统.

70 年代提出大系统控制论,但引缺乏适当的数学工具和新的控制思想,至今未建立可以 同控制理论相媲美的理论体系. 80 年代以来,一方面,由于航天事业和大型复杂生产 过程管理等方面的需要,控制工程实践中提出大量非线性控制,鲁棒性控制,柔性结构 控制,离散事件系统控制等复杂问题,是现有控制理论难以解决的. 复杂系统的控制理 论将成为未来控制理论的一个主攻方向. 实际的发展促使学者们重新认识 Cybernetics 的价值, 发现魏纳的原始思想可能蕴藏着解决复杂控制问题的宝贵启示. 控制论和控制 理论的界限变得模糊了. 另一方面,混沌理论,自组织理论,非线性科学的出现,不仅提出许多新的复杂而 困难的控制要求,同时也提出了十分新颖的系统思想和原理,需要也可能提出控制思想 和方法. 这些发展使控制科学面临重大的新挑战,同时也是取得新的大发展的机遇. 另一条发展途径是把控制论基本原理应用于生物,经济,社会等领域,产生了生物 控制论,经济控制论,社会控制论等边缘学科. 其中,成果显著的是生物控制论和经济
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控制论,把现代控制论的方法应用于生物机体和经济运行的控制问题,得到许多定量分 析结果. 社会控制论基本停留在概念分析局面上,且主要是讨论社会制度的设计问题, 很少使用控制科学的基本原理和方法. 这里遇到的本质困难在于生物, 社会都属于开放 的复杂巨系统,它们的控制问题同样不能使用从简单系统控制问题中概括出来的控制理 论来解决,有待从新兴的复杂性科学中吸取新的控制思想和方法.

参 考 文 献

1.苗东升, "系统科学精要" ,中国人民大学出版社,2006 2.许国志, "系统科学" ,上海科技教育出版社,2000 3.常绍舜, "系统科学方法概论" ,中国政法大学出版社,2004 "控制论基础" ,华东化工学院出版社,1989 4.王行愚, 5.金立顺,王庆芳, "系统科学基础" ,辽宁大学出版社,1990 6.涂序产, "大系统控制论" ,北京邮电大学出版社,2005 7.沈骊天, "系统信息控制科学原理" ,南京大学出版社,1987 8.庞元正, "系统论,控制论,信息论经典文献选编" ,求实出版社,1989 9.张启人, "通俗控制论" ,中国建筑工业出版社,1992 作者简介 1971 年出生. 1995 年朝鲜金日成综合大学自动化学院毕业. 1999 年朝鲜金日成综合大学研究生院毕业. 1999 年被授予硕士学位 到 2006 年在朝鲜金日成综合大学作为教师工作. 从 2007 年北京交通大学博士研究生

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