第十五章--控制论方法

第十五章控制论方法维纳的控制论方法：·突破了以抽象分析为核心的传统方法·通过能动的把握信息的传输对自然事物进行整体的综合的动态研究·从20世纪六十年代以后，控制论的研究逐步与系统工程、系统科学的研究相互渗透·控制论普遍存在于自然、社会与思维各个领域，成为普遍运用的方法一、控制论方法的基本特点1、什么是控制·控制是一个有组织的系统：根据内部外部的各种变化而进行调整，不断克服系统的不确定性，使系统保持某种特定的状态。·控制是一种联系和调节：使事物之间、系统之间、部门之间相互作用、相互制约，克服随机因素，达到预期的目的。·控制是一个动态过程：判断过程、组织过程、联系和调节过程。·控制过程基本矛盾：控制与被控制、施控与被控。·控制作用：为了使系统能稳定地保持成达到所需的状态，必须对系统施加一定的作用，同系统的组织性降低的自然趋势（即熵增加的趋势）进行“斗争”，以克服系统的基础不稳定性。·控制的普遍性：生物系统，思维系统，社会系统工程技术系统军事系统等2、控制技术·是现代工程技术的重要组成部分·人工控制：是一切控制技术的先导和基础，在这个阶段，控制过程的信息获取、加工处理、信息输出、执行指令都是由人直接承担。·自动控制：特点是非人工控制，即在没有人直接参加的情况下，利用控制装置，使被控制对象按预先要求实现控制。·现代控制：突出特点是多变量控制，是以电子计算机为手段，解决大系统的最优化，是控制技术的较高阶段。·控制过程：实际上就是信息处理和信息变换的能动过程，深刻体现了系统的联系的观点、动态的观点、有机整体的观点和定量的观点以及确定性与随机性的辩证统一的观点。·控制方法：运用较多的反馈方法、黑箱辩证方法和功能模拟方法。2、控制论方法的基本特点被控系统执行机构感受机构中枢控制机构施控系统输入输出扰动（1）控制方法：·通过信息处理的能动过程，解决控制与被控制的矛盾，使系统运行处于最佳状态或保持系统的稳定性，借以实现人们事先对系统所规定的目标。（2）控制论方法的特点：·就是把人的行为、目的以及生理基础、即大脑与神经活动同电子、机械运动联系起来；·突破了无机界与有机界域，揭示生物有机体、机器和社会等不同物质运动形态的信息联系。它是从整体、相互联系、运动变迁的角度来观察问题的方法。（3）控制系统运行原理：·新的信息不断输入到施控系统，感受机构接到信息后，传给中枢机构进行加工处理，通过执行机构输出控制信号到被控系统。·被控系统引起反应又继续发出新的信号，返传给施控系统，如此循环往返，但每次循环都不是简单的重复，而是有新的信息内容，使得控制作用更加向预定目标逼进。（如图所示）·可见控制系统能行使控制作用；取决于信息的运动·“功能模拟”是控制论的出发点，解决机器模仿生物体运动功能。（机器人、电脑是控制方法成功例证）二、反馈方法1、反馈与反馈方法被控对象反馈信息输入输出·反馈：一般人们把系统输送出去的信息（给定信息）作用于被控对象后产生的结果（真实信息）再输送回来，并对信息的再输出发生影响的过程。·反馈方法：运用反馈概念去分析和处理问题的方法，是一种用系统活动的结果来调整系统活动的方法。·反馈效果（1）正反馈：系统的给定信息与真实信息的差异倾向于加剧系统正在进行的偏离目标的运动，使系统趋于不稳定状态，乃致破坏稳定状态。（2）负反馈：系统的给定信息与真实信息的差异倾向于反抗系统正在偏离目标的运动，那么它就使系统趋向于稳定状态。·反馈方法就是利用这两种状态的差异来解决系统中确定性与不确定性这对矛盾而使系统达到稳定的有效方法。2、反馈方法的作用·反馈方法在现代科学技术中广泛应用，取得成效如蒸汽机。·反馈方法在生物学、医学、神经生理学也显著地起作用。·在经济管理和社会管理方面，反馈方法的作用：a可以检查计划执行情况和计划是否制定得当计划管理生产环境（市场）库存反馈控制示意图b可以检查政策的制定和执行是否符合实际环境目的制定方案政策分析执行分析结果执行结果政策反馈示意图三、黑箱辨识方法·黑箱概念是相对的·黑箱：是指其内部结构尚不能够或不便于直接观察到的，只能从外部去考察和认识的系统。·白箱：内部结构可以直接观察到的系统·灰箱：内部结构可部分直接观察到的系统1、黑箱辨识方法的基本步骤黑箱考察黑箱可供选择的黑箱模型确立黑箱模型应用否是输入输出·第一步：把研究对象从环境中相对地“分离”出来，以确认黑箱。·第二步：考察黑箱的输入，输出及其动态过程。·第三步：建立模型，阐明黑箱。2、黑箱辨识方法的作用·黑箱辨识方法的最大优点，在于无须直接考察所研究对象的内部结构，而只是就功能行为方面对事物作以整体性研究，因而在科学研究中有着某种特殊的作用。（1）黑箱辨识方法是研究生命系统的重要工具。·本世纪50年代末，斯塔克运用黑箱辨识方法对瞳孔控制系统进行研究。·运用黑箱辨识方法对人体血压控制系统，呼吸系统，体温调节系统进行研究。（2）黑箱辨识方法研究高度复杂的巨系统提供了有效的工具。·应用黑箱辨识方法，从系统的输入、输出特性对系统的整体功能进行研究是行之有效的途径。·应用黑箱辨识方法研究人口系统。四、功能模拟方法1、什么是功能模拟方法·生物机体与控制系统都具有相似的功能（如人眼与雷达都有搜索，跟踪目标的功能）；·它们都按预定目的动作（合乎目的性）；·最终效果都以一定的操作或行为来达到打击目标物。这种功能或行为的相似性，在生物和机器以至社会生活中都是普遍存在的，我们把这种以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的方法称之为功能模拟方法。1、功能模拟方法的特点（1）它只以功能和行为相似为基础，所模拟的是一切具有控制和通讯功能系统的合乎目的性的行为。（2）它可用“黑箱”理论，从功能上描述和模仿系统对环境影响的反应方式，一般无需分析系统的内部的机制和个别要素，不追求模型的结构与原型相同。（3）在传统模拟中，模拟只是一种认识原型的手段，而在功能的模拟中，模型则是具有生物目的性行为的机器，它本身就是研究的目的。2、功能模拟方法的作用·功能模拟使电脑（电子计算机）代替人脑的部分思维功能成为可能，为人工智能的研究提供了有效方法。运算器输入存贮器输出控制器电子计算机简图（1）用输入装置模拟人的感受器（如眼、鼻、耳等）来接受外来信息。（2）用存贮器模拟人脑的记忆功能，将外来信息存下来，并可供随时提取。（3）用运算器模拟人脑的判断、选择、计算功能。（4）用控制器模拟人脑在整个思维运动过程中有条不紊地指挥各部件协调一致地工作。（5）用输出设备来模拟人对外界环境的反应，可以输出计算结果或外部设备联结指挥别的机器动作。·功能模拟方法开辟了向生物界寻求科学技术设计思想的新途径。（1）控制论突破了机器与生物的界限，把目的和行为赋予机器，为机器与生物之间进行功能模拟提供了理论根据。（2）为用精确的物理技术科学的方法和工具来研究、模拟生物界现象的仿生学，奠定了真正的科学基础，开辟了发展现代科学技术的新途径。·功能模拟方法还可以模拟复杂的社会过程中的某些现象（1）扩大了模拟的对象，可以模拟以往所不能模拟的复杂的动态系统及其与环境之间的最佳化联系。（2）扩大了作为模拟的客观相似基础，可以模拟以前无法模拟的系统的合乎目的性的行为和功能。（3）功能模拟方法的应用开辟了模拟生物过程，心理过程和社会过程的新途径。