控制论国内外发展情况讲解课件.ppt

1、控制论的创立和发展控制论的创立和发展上世纪30年代末起以哈佛大学医学院教授、墨西哥生理学家 A.罗森勃吕特罗森勃吕特（Rosenblueth）和美国马省理工学院数学教授 N.维纳维纳(Wiener)为首、不同领域的一群科学家来，每月一次举办的关于科学方法论科学方法论的讨论会。A.罗森勃吕特罗森勃吕特N.维纳维纳会议的讨论非常激烈，以至于会议的讨论非常激烈，以至于人类学家人类学家玛格丽特玛格丽特米德米德(Margaret Mead)在一次会议之后才发现她在会上把自己的一颗牙咬坏了。在一次会议之后才发现她在会上把自己的一颗牙咬坏了。后来的会议就较为后来的会议就较为平和平和了，因了，因为大家有了一系

2、列为大家有了一系列共同的共同的经验经验，语言语言趋向一致趋向一致，可以互相理解了可以互相理解了。上世纪的第二次世界大战前后通信通信和自动控制自动控制技术都得到了迅速的发展。在这些技术的各自领域里分别提出了一些理论，都积累了丰富的经验。一百多年来以调节和反馈为核心的控制和自动化技术发展为控制论的发展，提供了工程对象（即维纳所称的机器机器）的控制理论和大量实用成果控制理论和大量实用成果。用逻辑语言（逻辑代数）逻辑语言（逻辑代数）来研究开关电路开关电路系统的专著也已经在六十多年前问世了。图6-6 生物神经元示意图神经生理学家早已发现神经元和神经系统神经生理学家早已发现神经元和神经系统的的“全或无全或

3、无”法则。而神经元的这种特性，法则。而神经元的这种特性，类似于电路中的类似于电路中的替续（继电器）替续（继电器）式特性、特性、计算机中的计算机中的触发器触发器特性。这推动了特性。这推动了思维思维过程模型化过程模型化的工作。的工作。科学的发展使科学的发展使专业领域（行业）分工非常细，各学者只专业领域（行业）分工非常细，各学者只关心自己的领域，不侵入别人的关心自己的领域，不侵入别人的“领领地地”，以至于同一概，以至于同一概念在不同领域重复着，有着不同的名称。一个领域里的有念在不同领域重复着，有着不同的名称。一个领域里的有些新概念，在另一领域已经成为些新概念，在另一领域已经成为古典古典的了。的了。专

4、业化专业化成为了一种必需成为了一种必需，也是一种也是一种枷锁枷锁.依此来设计由雷达控制的各种高射火炮的俯仰角和方位角控制，以自动跟踪高空的高速飞机进行命中射击，在第二次世界大战中曾立下赫赫战功。生物体的内分泌与会者发现在完全不同的领域里，有些概念是相同的：譬如生物体生物体内的稳态内的稳态（homeostasis）。机器的稳态稳态（steady-state)，电气工程和高等数学中的特别积分-稳态稳态解解,都是一个概念概念。动物体内这个稳态恰可以与工程控制系统中的稳态动物体内这个稳态恰可以与工程控制系统中的稳态相类比相类比。这个概念的建立，意味着人类对这个概念的建立，意味着人类对生命活动的认识进入

5、一生命活动的认识进入一个个新阶段新阶段。上世纪上世纪1943年冬年冬1944年初之间由维纳和博弈论及二进年初之间由维纳和博弈论及二进制计算机创始人制计算机创始人J.冯冯.诺依曼诺依曼（von Neumann）发起在）发起在普林斯顿召开了对普林斯顿召开了对信息与控制信息与控制(控制论控制论)的全面讨论的全面讨论会会。其中包括数学家、生理学家、心理学家、社会学其中包括数学家、生理学家、心理学家、社会学家和经济学家、工程师等；家和经济学家、工程师等；?二次大战结束后19461953年间由梅西基金会（Macy Foundation）发起的一系列关于反馈问题反馈问题的讨论会的讨论会，对控制论的发展产生很

6、大的推动作用。其中1946年春在纽约举行了一个规模适度的“生物生物和社会系统中循环因果和反馈机制和社会系统中循环因果和反馈机制”问题的专题讨论会。与会者发现认识到反馈基本概念反馈基本概念的推广的推广n人手从地上拾起一枝铅笔n手的震颠（目的震颠），不能拾 起铅笔，是由 于小脑受伤；这种情况与这种情况与 自动控制系统自动控制系统的的自振荡自振荡很相似。很相似。n手不能拾起铅笔还可由于所谓“运动共济失调”病，由于梅毒引起的脊髓痨）n心跳、血压、体温等自动调节系统 早在早在1944年以前，围绕年以前，围绕维纳维纳和和罗森勃吕特罗森勃吕特的一群的一群 科学家就已经认识到科学家就已经认识到有关有关通信、控

7、制和统计力学通信、控制和统计力学 的一系列核心问题的的一系列核心问题的统一统一，不管这些问题是机器，不管这些问题是机器 中的还是活的机体中的。他们发现关于这些问题中的还是活的机体中的。他们发现关于这些问题 的的文献缺乏统一，没有任何共同的术语，文献缺乏统一，没有任何共同的术语，甚至没有一个称呼这个领域的简单名称甚至没有一个称呼这个领域的简单名称。这不适宜于这个领域未这不适宜于这个领域未来的发展。来的发展。1947年维纳将反复讨论的学科命名为年维纳将反复讨论的学科命名为 Cybernetics，他是从希腊字，他是从希腊字（相当（相当于英文字于英文字“governor”原意为原意为“掌舵人掌舵人”

8、、“驾驭者驾驭者”）引用来的，汉译为）引用来的，汉译为控制论控制论。并于并于1948年出版了他的震动世界学术界的题为年出版了他的震动世界学术界的题为控制论：或在动物和机器中的通讯和控制的控制论：或在动物和机器中的通讯和控制的科学科学（Cybernetics or Control and Communication in the animal and the machine）的著作。这宣告控制论作为一门科学的诞生这宣告控制论作为一门科学的诞生。Cybernetics这个词是从这个词是从希腊语的舵手希腊语的舵手steersman 或或 helmsman（相当于（相当于英文字英文字“governor

9、”）。(以纪念J.Maxwell的“On Governors”论文“关于调节器”-1868年）“控制论控制论”被认为被认为是是综合性综合性、边缘性边缘性、基础性基础性的的科学科学。n例如，一本控制论的教科书自称“重点在现代控制理论”；国外著作The control of Perception被译为认知控制论，“量子控制论”论文的英文标题被译为“quantum control theory”，译著者可能有其理由，但很易使人将控制论与控制控制论与控制理论等同理论等同起来。发生这类情况较多。有的论著宣称控制论就是控制的理论；更有部队新战士入伍，按条例要将头发剃短，这当然有一番道理，形成论文“头发控制

10、论头发控制论”发表。n对于控制论的理解上存在一些失误失误：（1）控制论=控制理论=控制的理论 =需要进行控制的道理和议论；（2）控制论是一种“方法论”。什么是控制论？创始人创始人Cybernetics)德国生物控制论学者Drischel,H.说过，到1973年一共提出过超过100个“定义定义罗森勃吕特和维纳罗森勃吕特和维纳共同认为：共同认为：图1-8 哲学家眼中的控制论科学体系无无人人区区哲学哲学数学数学医学医学社会学社会学数学数学生生理理医学医学社会学社会学哲学哲学工程工程 控制论控制论 （1948，1961）生物控制论生物控制论、医学控制论、医学控制论、神经控制论神经控制论 军事控制论军事

11、控制论（上世纪（上世纪60年代）年代）经济控制论经济控制论（1975）管理控制轮管理控制轮社会控制论社会控制论（1978）人口系统控制人口系统控制（1979）工程控制论工程控制论 （1954）自然控制论自然控制论？（上世纪（上世纪90年代）年代）生态控制生态控制 环境控制环境控制 资源系统资源系统 气候系统气候系统控制论控制论的发展的发展控制论在世界范围内推动了有关学科的发展，并孵化孵化了一批新的学科，即控制论控制论发展出各分支发展出各分支：图1-4 作出突出贡献的 中国科学家钱学森目前在管理控制论的范畴内，就有财务、金融、会计、通货、成本、产品质量等二十几种控制论的论著发表。国际上通行的做法

12、是只有够得上分支或亚分支的才冠以“某某控制论控制论”。对较小问题的控制论成果的表述方式为“基于（或应用）控制论对基于（或应用）控制论对.的研究的研究”（Cybernetic approach to）。因此，国内“某某控制论某某控制论”的提法似乎太多太多，已经成为国内有关学术界一种值得注意的倾向。学者们应用控制论的观点、方法试图解决某一具体问题，有一定的新见解，不等于已创立一个新的“控制论分支控制论分支”。哪些够得上新的分支是较为慎重的哪些够得上新的分支是较为慎重的事情，应由广大控制论学者、专家在大型专业会议上讨论来事情，应由广大控制论学者、专家在大型专业会议上讨论来得出大多数人认同的结论。得出

13、大多数人认同的结论。控制论的方法论控制论的方法论控制论和其他独立的学科一样，有它自己独特的方法论方法论。方法论从学科中提炼、升华出来，但它又不是学科本身，两者不能混同。本书认为，控制论的方法论可以归纳为：它强调对不同部门的系统进行控制论的方法论可以归纳为：它强调对不同部门的系统进行信息分信息分析和研究信息的处理、加工内容及过程，确定输入、输出析和研究信息的处理、加工内容及过程，确定输入、输出；对系统；对系统进行闭环和反馈及其因果性质的分析；通过进行闭环和反馈及其因果性质的分析；通过黑箱黑箱和功能模拟方和功能模拟方法法建立系统的模型建立系统的模型，探讨系统的特性等；采用计算机进行，探讨系统的特性

14、等；采用计算机进行仿真仿真；采；采用用类比类比的方法引进其他部门系统中有用的思想，如进化、适应、自的方法引进其他部门系统中有用的思想，如进化、适应、自繁殖、自组织、最优化、特别是智能等来控制该系统繁殖、自组织、最优化、特别是智能等来控制该系统以制造、培育、以制造、培育、创建出能满足人们目的、更好的新机器（人造系统）创建出能满足人们目的、更好的新机器（人造系统）。1 经典控制原理与方法经典控制原理与方法 反馈控制和扰动补偿 系统模型与时域分析法 传递函数与频域分析法 控制系统分析与综合2 非线性系统控制方法非线性系统控制方法 相平面法 描述函数法 分叉与混沌 现代频域分析法3 现代控制理论与方法

15、现代控制理论与方法 状态空间模型 能控性与能观性 状态估计 系统辨识 最优控制 自适应控制与预测控制 大系统理论与系统工程4 智能控制方法智能控制方法 人工智能与模式识别 模糊控制 神经网络 专家控制 学习控制 智能算法 智能系统智能系统 控制论学者的控制论学者的“工具箱工具箱”：控制理论应是自动控制理论，但它仅是控制论所应用的一种工具或方法，基本方法应包括有经典控制理论、现代控制理论、大系统理论、智能控制和智能系统四者的原理与方法。而钱学森1954年旅美时出版Engineering Cybernetics（中译本工程控制论）是控制论用于工程和物理系统，是分析、设计自动控制系统的理论和技术，一

16、般认为工程控一般认为工程控制论也即是自动控制理论。制论也即是自动控制理论。控制论与控制理论系统论系统论自动控制系统是动态系统的一个代表。“系统”本身是“系统科学”这个科学技术部门的研究和应用的对象。其中直接用于改造客观的工程方法和技术，称为系统工程。而其中用于揭示系统普遍性质和一般规律的基础科学，称为“系统系统论论”。“系统论系统论”、“信息论信息论”和“控制论控制论”一起俗称“三论三论”，以“三论”为代表的新兴学科及其所孕育的科学方法论，是20世纪以来最伟大的科学研究理论成果之一。它它的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的有力的武器的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的有力的武器。控制论

17、的控制论的历史遭遇历史遭遇后期前苏联则企图用控制论改进其中央计划经济体制。这是这是1950年维纳在出版的小年维纳在出版的小册子，其中，着重论述了通册子，其中，着重论述了通信、法律、社会政策等等与信、法律、社会政策等等与控制论的联系。进一步认为控制论的联系。进一步认为控制论在社会系统中应用的控制论在社会系统中应用的可能性已经出现可能性已经出现。认知控制认知控制Macy基金会支持的基金会支持的这些会这些会议的主席、议的主席、MIT教授教授沃伦沃伦麦卡麦卡洛克洛克（Warren McCulloch）是扩大是扩大控制论控制论范畴上的一位重要范畴上的一位重要人物。人物。认知控制神经生理学Neurophy

18、siology+数学Mathematics+哲学PhilosophyW.麦卡洛克麦卡洛克作为一位经过训练的精神病专家，他将自己在作为一位经过训练的精神病专家，他将自己在神经生神经生理学、数学与物理的知识结合起来理学、数学与物理的知识结合起来以更好地理解非常复杂以更好地理解非常复杂系统。系统。而而知识知识通常被认为是通常被认为是不可见的不可见的，是是抽象的抽象的，麦卡麦卡 洛克洛克 认识到认识到知识是在人体的一个物理器官中形成的，即大脑。知识是在人体的一个物理器官中形成的，即大脑。心灵心灵（mind）事实上）事实上是大脑与想法、物质的是大脑与想法、物质的与抽象的，科学与哲学与抽象的，科学与哲学的

19、的交汇处交汇处。物质的物质的抽象的抽象的 Brain Mind Knowledge 大脑大脑 心灵心灵 知识知识心灵心灵事实上是大脑与想法、物质的与抽象的，科学与哲学的事实上是大脑与想法、物质的与抽象的，科学与哲学的交汇处交汇处。实验认识论实验认识论Experimental Epistemology 麦卡麦卡 洛克洛克根据自己对物理与哲学根据自己对物理与哲学交集交集的研究建立了一个的研究建立了一个新的领域新的领域。他将此称为他将此称为”实验认识论实验认识论“()，用神经用神经生理学来研究知识生理学来研究知识。目的在于要解释神经网络的活动是怎样目的在于要解释神经网络的活动是怎样产生我们所体验的感

20、觉与想法的。产生我们所体验的感觉与想法的。Philosophical 哲学的Physical物理的最早的最早的人工神经元模型人工神经元模型是是M.麦克洛克麦克洛克（McCulloch）与）与W.皮茨皮茨（Pitts）于于1943年提出的论文年提出的论文A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity，一般简称为一般简称为M-P神经元模型神经元模型，它可以完成，它可以完成“与与”、“非非”、“或或”等基本的逻辑运算等基本的逻辑运算，是目前，是目前许多神经元模型的基础。许多神经元模型的基础。刊于刊于一个重要的概念就是必需变异度

21、律。一个重要的概念就是必需变异度律。当一个系统变得越来越复杂的时当一个系统变得越来越复杂的时候，系统的控制者一定也要变得更为复杂，因为有更多的功候，系统的控制者一定也要变得更为复杂，因为有更多的功能需要调节能需要调节。换言之，要调节的系统越复杂，系统的调节者就必须越复杂。换言之，要调节的系统越复杂，系统的调节者就必须越复杂。必需变异度定律必需变异度定律W.R.阿什比阿什比 （Ashby）提出提出同样的原理适用于活器官。同样的原理适用于活器官。人类人类具备任何一种动物中最为具备任何一种动物中最为复杂的神经网络与大脑。复杂的神经网络与大脑。这使得人能够从事许多不这使得人能够从事许多不同的活动，具备

22、复杂的身同的活动，具备复杂的身体体。.相反，某些动物，例如相反，某些动物，例如海星海星.海参海参.还有还有海葵海葵就没有中心就没有中心大脑大脑，而只有简单的，而只有简单的神经网络神经网络，要调，要调节简单的身体及这些海洋生物的节简单的身体及这些海洋生物的功能，有这些就足够了。总而言功能，有这些就足够了。总而言之，之，生物体越复杂，大脑生物体越复杂，大脑就需要越复杂就需要越复杂。调节锅炉这样的复杂对象，需要多个调节器解耦控制 去耦装置1给水流量给水流量W蒸汽温度蒸汽温度 汽包水位汽包水位H 控制器1 执行机构1燃料量燃料量B 控制器2 执行机构2 去耦装置2锅炉对象的锅炉对象的2输入量输入量2输

23、出量部分框图输出量部分框图必需变异度律必需变异度律不只可运用于控制机器和人体，还可用于不只可运用于控制机器和人体，还可用于社会系统社会系统。例如，为了控制犯罪，不需要也不可能警察与公民的比例为例如，为了控制犯罪，不需要也不可能警察与公民的比例为1：1，因为，因为警察并不需要管公民的所有活动。警察并不需要管公民的所有活动。警察只需要管违法的行为就可以了。因此，每警察只需要管违法的行为就可以了。因此，每1000个公民有个公民有12名警察就可以控制违法行为名警察就可以控制违法行为了。了。在这个例子中，在这个例子中，调节者与被调节的调节者与被调节的系统之间的相互吻合不仅在于系统之间的相互吻合不仅在于增

24、加了增加了调节者的复杂度调节者的复杂度，而且，而且在于减少了在于减少了被调节系统的复杂被调节系统的复杂度度。也就是说，我们不需要增加警察的。也就是说，我们不需要增加警察的数量，只要决定被管理的人的数量，只要决定被管理的人的少量的少量的必需必需行为就可以了。行为就可以了。Self-Organizing Systems自组织系统自组织系统生物体生物体就是一种典型的和天然的就是一种典型的和天然的自组织系统自组织系统。它们它们能能自动修复缺损和排除故障，自动修复缺损和排除故障，以恢复正常的结构和功能。以恢复正常的结构和功能。壁虎受到袭击时,常自断其尾,以保全性命。断掉的尾巴,不久又会重新长出来。控制论

25、导论 1958 Entropy熵熵:A probablistic measure of variety.熵值越大，混乱无序的熵值越大，混乱无序的程度越大。程度越大。例如，一群散乱地站着在等车的人例如，一群散乱地站着在等车的人 车来了，他们会自动排队，因为过去车来了，他们会自动排队，因为过去的经验告诉他们排队是一个让大家得到的经验告诉他们排队是一个让大家得到服务的实用而公平的方式。服务的实用而公平的方式。这些人就这些人就组成了一个组成了一个自组织系统自组织系统。应用到社会系统应用到社会系统即使一瓶混合的即使一瓶混合的沙拉油沙拉油和和醋醋也是一个也是一个自组织系统自组织系统。摇动一会儿后，这。摇动

26、一会儿后，这瓶油暂时就混合成一种稳定的液体瓶油暂时就混合成一种稳定的液体了。了。当沙拉油趋于平衡后，混合液体的结当沙拉油趋于平衡后，混合液体的结构发生了变化，油醋自动分离。我们构发生了变化，油醋自动分离。我们说说混合液体组织了自身混合液体组织了自身。沙拉油沙拉油和和醋分离醋分离扰动扰动摇动摇动沙拉油沙拉油和和醋醋混合成稳混合成稳定的液体定的液体调节混合液+-自组织自组织概念导致了一个普遍的概念导致了一个普遍的设设计原理计原理。为了改变一个物体为了改变一个物体，将物体放入到一个环境，将物体放入到一个环境中，其中物体与环境的互中，其中物体与环境的互动改变物体，成为你所想动改变物体，成为你所想要的要

27、的物体。我们再来看一个例子物体。我们再来看一个例子 在每个例子中，已知的系统互动规律都被用来产生出想要的结果。实际孟子模式孟子孟母环境+-孟母所要求的孟子模式搬迁控制论控制论各分支间各分支间概念概念、思想思想互相互相移植移植例如例如自组织控制系统自组织控制系统，自适应控制系统自适应控制系统等等。等等。?控制系统中引用（移植）了生物系统中的自组织、自适应控制系统中引用（移植）了生物系统中的自组织、自适应系统的概念，建成如系统的概念，建成如自适应控制系统自适应控制系统，自适应的变结构系统自适应的变结构系统、自寻最优调节器、自寻最优调节器、控制器参数自调整的控制系统控制器参数自调整的控制系统等等等等

28、。器官移植手术中其它如其它如繁殖繁殖的的概念，形成概念，形成黑箱黑箱方法方法促成促成系统辨识系统辨识分支分支的的发展发展;“移移植植”、自学习（自学习（智能）智能）的概念，的概念，促成促成人工人工智能智能、智能控制系智能控制系统统的的发展。发展。?自动控制系统的自组织自动控制系统的自组织自组织自动控制系统自组织自动控制系统自寻最优的自动控制系统自寻最优的自动控制系统自整定自整定 PID 参数的自动控制系统参数的自动控制系统自调谐调节器自调谐调节器（self-tuning regulator）图5-19 自校正控制系统结构框图1960年代晚期，年代晚期，美国的控制论专美国的控制论专家家H冯冯福埃

29、斯特福埃斯特(Heinz Von Foerster).,.二届控制论二届控制论的创意者的创意者 二级控制论二级控制论 Second order Cybernetics.上述几人开始将上述几人开始将控制论控制论的原理运用于理解观察的原理运用于理解观察者的角色。者的角色。这被称为这被称为二阶控制论二阶控制论。二阶控制论二阶控制论Stuart Umpleby.一阶控制论研究的是被控制的系统一阶控制论研究的是被控制的系统，二阶控制论研究的是二阶控制论研究的是自治自治(autonomous systems or self-reference)系统系统。将控制论原理运用与社会系统引将控制论原理运用与社会系

30、统引起了起了对对系统观察者的角色系统观察者的角色的的注意注意观察者的角色观察者的角色Role of the Observer.观察者观察者在试图研究和理解一个社会系统时，是无法将自己与系统在试图研究和理解一个社会系统时，是无法将自己与系统分离分离开来开来的，也无法的，也无法阻止自己对系统产生影响。阻止自己对系统产生影响。要要忽视观察者忽视观察者的角色就不可能的角色就不可能了了。例如，像著名人类学家例如，像著名人类学家玛格丽特玛格丽特米德米德 这种研究这种研究人类及其文化的科学家，肯定会对她所研究的人人类及其文化的科学家，肯定会对她所研究的人群产生影响的。群产生影响的。因为她就居住在自己所研究的

31、社会中因为她就居住在自己所研究的社会中，居民们会自然地、时不时地，居民们会自然地、时不时地想要给想要给她留下印象她留下印象，让她高兴，或者也许是，让她高兴，或者也许是激怒她。激怒她。由于这些原因，由于这些原因，明智的办法是明智的办法是让几个人去研究一个复杂让几个人去研究一个复杂的事件或者系统。的事件或者系统。只有听取只有听取几个观察者的描述，一个人才几个观察者的描述，一个人才能形成一个印象，能形成一个印象，知道有多知道有多少描述是属于观察者个人少描述是属于观察者个人的，有多少是属于事件本的，有多少是属于事件本身的身的。人类是人类是观察者观察者又是又是动作者动作者自然系统自然系统人类的冲击冲击人

32、类人类子系统例如对全球气候变化的研究例如对全球气候变化的研究如何建立如何建立人类子系统模型人类子系统模型？尽管如此，早期，尽管如此，早期，控制论通常用控制论通常用于寻找既定目标的系统，于寻找既定目标的系统，二阶控制论则用于为自己定二阶控制论则用于为自己定义目标的系统义目标的系统（自治系统、自自治系统、自参考系统参考系统）。n控制论各分支都有它自己的前沿前沿研究课题研究课题。n然而，控制论的重要发展控制论的重要发展必定与对非常复杂的系统非常复杂的系统，或称复复杂性杂性的研究联系在一起，必将与我我国的建设和世界及人类的发展国的建设和世界及人类的发展和进步和进步联系在一起。控制论的发展与复杂性控制论

33、的发展与复杂性n控制论控制论应大有所作为应大有所作为提高自身提高自身观察者观察者行动者行动者这就是把整个社会看作一个特大的具有反馈的控制系统具有反馈的控制系统或复杂巨系统或复杂巨系统,法律、舆论、道德、习俗、宗教等都是反馈控制的具体社会形式,通过决策和执行机构(国家行政部门)实现其调节管理作用。和谐社会我国正面临世界金融危机、房价上涨过快和就业我国正面临世界金融危机、房价上涨过快和就业压力压力，控制论，控制论应为建设一个经济应为建设一个经济“持续、平稳、协调增长持续、平稳、协调增长”下下,构建构建“资源节资源节约型、环境友好型约型、环境友好型”的和谐社会提供科学的决策方案的和谐社会提供科学的决策方案。