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工程式控制制論

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工程式控制制論所屬現代詞,指的是工程式控制制論的一個分支學科,是關於受控工程系統的分析、設計和運行的理論。

1 工程式控制制論 -工程式控制制論

 

2 工程式控制制論 -正文

  控制論的一個分支學科,是關於受控工程系統的分析、設計和運行的理論。法國物理學家和數學家A.M.安培於1834年用控制論這一名詞稱呼管理國家的科學。第二次世界大戰前後,自動控制技術在軍事裝備和工業設備中開始應用,實現了對某些機械系統和電氣系統的自動化操縱。20世紀30年代末美國、日本和蘇聯的科學家們先後創立了用僅有兩種工作狀態的繼電器組成的邏輯自動機的理論,並被迅速用於生產實踐。在這一時期前後又出現了關於信息的計量方法和傳輸理論。在這些科學成就的推動下,曾親自參加過自動化防空系統研製工作的美國數學家N.維納於1948年把這些概念和理論應用於動物體內自動調節和控制過程的研究,並把動物和機器中的信息傳遞和控制過程視為具有相同機制的現象加以研究,建立了一門新的學科,稱為控制論(cybernetics)。這一名詞隨即為世界科學界所襲用。1954年錢學森所著《工程式控制制論》一書英文版問世,第一次用這一名詞稱呼在工程設計和實驗中能夠直接應用的關於受控工程系統的理論、概念和方法。隨著該書的迅速傳播(俄文版1956年,德文版1957年,中文版1958年),該書中給這一學科所賦予的含義和研究的範圍很快為世界科學技術界所接受。工程式控制制論的目的是把工程實踐中所經常運用的設計原則和試驗方法加以整理和總結,取其共性,提高成科學理論,使科學技術人員獲得更廣闊的眼界,用更系統的方法去觀察技術問題,去指導千差萬別的工程實踐。
  理論範疇  工程式控制制論的研究對象和理論範疇在不斷擴大。近20年來該學科的各個方面都有了很大的發展。到目前為止,它所包含的主要理論和方法有下列6個方面。
  系統辨識和信息處理  由於工程式控制制論中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基礎之上,為了實現對工程系統的控制,精密地定量描述它的行為和結構就具有決定性的意義。找出能夠完全描述系統狀態的全體變數,區分為輸入量、受控量和控制量等不同類別,把表現為機械的、電的、光的、聲的各種物理信號形式的變數從各種隨機因素和雜訊中提取出來,確定各變數在各種不同條件下的變化規律,這就是系統辨識理論的任務。用濾波、預測、相關處理、逼近等方法從雜訊中分離出具有本質意義的信息以及尋求各變數之間的相互關係,這是屬於信息處理理論和方法的範疇。近年來發展起來的模式識別理論和方法能夠對已經提取出來的物理信號進行更精細的分析,以便用機器手段去理解它的含義,並用文字或圖形顯示出來,為管理和操作人員提供準確的信息,這是信息處理理論的新成就。
  模型抽象  為了精細地描述受控客體的靜態和動態特性,常用建立數學模型的方法。成功的數學模型能更深刻地、集中地和準確地定量反映受控系統的本質特徵。藉助於數學模型,工程設計者能清楚地看到控制變數與系統狀態之間的關係,以及如何改變控制變數才能使系統的參數達到預期的狀態,並且保持系統穩定可靠地運行。數學模型還能幫助人們與外界的有害干擾作鬥爭,指出排除這種干擾所必須採取的措施。根據具體受控工程的特點,可以用代數方程式、微分方程式、積分方程式、邏輯代數式、概率論和模糊數學等數學工具去建立數學模型。對複雜的系統常要用到由幾種數學工具結合起來的混合模型去實現對工程系統的完全描述。這種根據實驗數據用數學工具去抽象受控工程對象本質特徵的原理和方法稱為建模理論。
  最優控制  欲使工程系統按希望的方式運行,完成預定的任務,應該正確地選擇控制方式。幾乎所有的工程系統都有共同的特性:為達到同一個目標,存在著許多控制策略。不同的控制策略所付出的代價也各異,例如能量消耗,所費時間的長短,材料、人力和資金的消耗等均不相同。研究如何以最小的代價達到控制的目的的原理和方法稱為最優控制理論。尋求以最短時間達到控制目的的理論稱為最速控制理論。線性規劃、動態規劃、極大值原理、最優化理論等都是經過實踐證明具有嚴密結構的最優控制理論。為了解決最優控制的工程實現問題,科學家們又創造了很多適用於計算機程序的演算法,稱為最優化技術。最優控制理論和最優化技術的建立是工程式控制制論中最突出的成就。
  自我進化  受控系統的工作環境、任務和目標常發生變化。為了使工程系統能自動適應這些變化,科學家們創立了一系列設計原理和方法,賦予系統以自我進化的能力,即根據變化了的環境條件或工作任務,系統能夠自動地改變自己的結構、參數和獲得新的功能。最早出現的是自穩定系統,它能在環境條件發生劇烈變化時自動地改變自己的結構,始終保持穩定的工作狀態而無需操作人員去干預。用自適應控制理論(見適應控制系統)設計的工程系統能自動地對外界條件變化作出反應,改變自己的結構參數,保持優良的性能和高精度。計算機用於工程系統后,由於具有信息存儲能力,出現了自學習系統。經過有經驗的操作人員示教以後,系統把一切操作細節都記憶下來,從此就能準確地自動再現已學到的操作過程,完成指定的任務。只要存儲容量足夠大,同一工程系統可記憶若干種操作過程,就成為多功能系統。把專家們在某一專門領域中的知識和經驗存儲起來,工程系統就獲得處理複雜問題的能力,這種系統稱為專家系統。為完成不同的任務而能自動重組結構的系統稱為自組織系統。工程式控制制論的研究工作還一直受著仿生學新成就的啟發和鼓舞,不斷引進新的概念,發明新的理論,以求工程系統部分地模仿生物的技能。能夠辨識人的聲音,認識和翻譯文字,具有不斷增長的邏輯判斷和自動決策能力的智能系統已在工業生產領域和服務行業中採用,這是具有自我進化能力的工程式控制制論系統的最新成就。
  容錯系統  提高系統工作可靠性一直是工程式控制制論研究的中心課題之一。早期的研究集中在如何用不太可靠的元件組成可靠的系統。例如,人的大腦中每天都有成千上萬個腦細胞死亡,卻仍能在數十年內可靠地工作而不出現故障。用設置備份的辦法去提高可靠性稱為冗餘技術,這是一項研究得最早至今仍在大量採用的技術。自診斷理論是關於自我功能檢查發現故障的理論。按這種理論設計的工程系統能自動地定期診斷全系統和組成部分的功能,及時發現故障,確定故障位置,自動切換備份設備或器件,從而恢復系統的正常功能。有的系統能在全部運行過程中連續地進行自我診斷。利用糾錯編碼理論(見編碼理論)可以自動地發現工程系統在信息傳輸過程中可能發生的差錯,自動地糾正錯誤,使系統的功能不受損害。在不可能糾正時則剔除錯誤信息,或讓系統重複操作,以排除隨機差錯。對不能簡單排除的故障,則選用無需故障部件參與的其他相近的功能部件代替。自診斷理論、檢錯糾錯理論、最優備份切換理論和功能自恢復理論總稱為容錯理論(見容錯技術)。
  模擬技術  在系統設計和製造過程中不能在尚未建成的工程系統上進行實驗,或者由於代價太高而不宜於進行這種實驗。用簡單的裝置和不同的物理過程去模擬真實系統的受控運行過程稱為模擬技術。早期曾以物理模擬為主,即用不同性質但易於實現、易於觀察的物理過程去模模擬實的過程。模擬計算機是專為模擬技術而發展起來的技術,它利用電信號在電路中的變化規律去模仿物理系統的運動規律。數字計算機出現以來,又有混合計算機作為模擬工具。隨著數字計算機運算速度和存儲容量的提高,數字計算機已成為模擬技術的主要手段。只要編製相應的軟體就可以模擬各種不同性質的物理過程。模擬技術是在工程式控制制論中發展起來的強有力的實驗技術,使設計師們能在極短時間內,用很小的代價在實驗室內進行任何龐大工程系統的實驗。
  應用領域的演變  工程式控制制論發源於純技術領域。轉速、溫度、壓力等機械變數和物理變數的自動調節是最早期的工業應用,而自動調節理論是對這一時期技術進步的理論總結。第二次世界大戰前後出現的自動化防空系統和自尋目標的導彈系統促進了伺服機構和自動控制技術的廣泛應用。自動調節理論,經過發展和提高以後,上升為自動控制理論。隨著第一台電子數字計算機的出現,技術界開始研製具有數字運算能力和邏輯分析功能的自動機,自動控制系統隨即獲得了智能控制的功能。隨著廉價的微型計算機大量進入市場,自動化工程系統全面地進入了智能化階段,自動控制理論的全部含義遂得以真正展開。從此,工程式控制制論的概念、理論和方法開始從純技術領域溢出,湧進了許多非技術部門,派生出社會控制論、經濟控制論、生物控制論、軍事控制論、人口控制論等新的專門學科。這些新學科出世以後,便與它們的先行者並駕齊驅,並且根據各自領域的特點,又抽象出新的概念,創造新的理論和方法,產生新的內容。另一方面,它們畢竟是孿生學科,有共同的淵源,在前進過程中能彼此借鑒和相互補充。它們所共有的那些原理、理論和方法,作為廣義控制論的基本內容,又促進了另一門更廣泛的學科──系統工程的誕生。
  工程式控制制論進入社會科學領域是當代重大科學技術成就之一。由於信息科學和信息技術的巨大進步,「工程」一詞的含義在不斷擴展。繼早期的純技術工程(機械、電力、化工、水利、航空、航天等)之後,傳統上屬於社會科學範疇的問題已能用工程方法去處理,而且比純行政管理方法能作出更好的決策,對社會事務的具體部門進行狀態分析、政策評價、態勢預測和決策優化時,常常得到意想不到的新發現,導致巨大的經濟效益和社會效益。在社會工程中應用工程式控制制論所依靠的技術手段與在純技術工程中完全不同。信息的採集要靠統計方法,狀態分析依靠以計算機為中心的數據通信網路。社會事務的定量模型被存儲在計算機的資料庫中,成為所要研究或管理的那些社會領域的動態映像。在社會領域中進行新的政策性試驗要費很長時間,還常伴有一定的風險,故數學模擬在這裡起著非常重要的作用。狀態分析、模型提取、系統設計和政策優化等都能在試驗室內於極短的時間內完成。政策變數的設置和實施只能用政令法令的形式和通過有關政府或事業管理機構來推行,而不能像在純技術工程中那樣用機械的或其他物理信號去驅動。狀態反饋也要在人的參預下經過信息網路實現。所以,以計算機為中心的信息系統是社會工程的技術基礎,也是工程式控制制論之所以能用到社會範疇的先決條件。此外,在模型抽象和政策優化分析中,還要經常用到運籌學、對策論、規劃論、排隊論、庫存論等歷史上獨立於工程式控制制論之外并行發展起來的數學理論,以及有關的經濟學和社會學理論。由於自然科學家和社會科學家的密切合作,正在形成一門新的學科──決策科學。
  參考書目
 錢學森:《工程式控制制論》,科學出版社,北京,1958;修訂版,1982。
 N.維納著,郝季仁譯:《控制論》,科學出版社,北京,1963。(N.Wiener, Cyberntics,or Control and Communication in the Animal and the Machine,MIT Press, Cambridge, MA., 1948.)

 

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