一、   控制论的基本概念和基本思想

1、控制——为了‘改善’某个或某些对象的功能，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的作用。其含义有：

a)       施加这种作用的目的为了改善对象，以达到预期目标；

b)     控制就是加在某个对象上一种作用；

c)     这种作用是通过信息的选择、使用而实现的。

控制对象存在着多种发展的可能性，因而控制实质上意味着在事物发展的可能性空间中进行有方向性的选择，所以控制作用是带目的性的能动作用。

2、控制论——即一般控制论，是一门研究各类系统的调节和控制规律的科学。

控制论一词Cybernetics，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义，维纳以它作为自己创立的一门新学科的名称，正是取它能够避免过分偏于哪一方面，“不能符合这个领域的未来发展”和“纪念关于反馈机构的第一篇重要论文”的意思。维纳给控制论下的定义是“设有两个变量，其中一个是能由我们进行调节的，而另一个则不能控制。这时我们面临的问题如何根据那个不可控制变量从过去到现在的信息来适当地确定可以调节的那个变量的最优值。以实现对于我们最为合适、最有利的状态。”

控制论是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。

控制论强调系统的行为能力和系统的目的性。维纳提出了负反馈概念和功能模拟法。

行为——系统在外界环境作用（输入）下所作的反应（输出）。人和生命有机体的行为是有目的、有意识的。生物系统的目的性行为又总是同外界环境发生联系，这种联系是通过信息的交换实现的。外界环境的改变对生物体的刺激对生物系统来说就是一种信息输入，生物体对这种刺激的反应对生物系统来说就是信息的输出。控制论认为任何系统要保持或达到一定目标，就必须采取一定的行为。输入和输出就是系统的行为。

控制系统根据是否具有反馈回路分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统的输出仅由输入确定的控制系统，一般控制能力是非常有限的。所以一般控制系统常采用闭环控制系统。


一般控制系统——闭环控制系统

反馈——系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。

反馈分正反馈和负反馈。负反馈是控制论的核心问题。

正反馈——反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大。系统目标偏离。加剧系统不稳定。

负反馈——反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小。系统目标偏离减小。系统稳定。

二、   控制系统的一般结构

一个自动化系统无论结构多么复杂都是由下面几部分组成：
　　第一，传感器。检测比较装置。所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值。
　　第二，控制器。所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做。
　　第三，执行器。主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定。
　　第四，控制量。也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的。

传感器——系统的耳目

反馈实际上是把系统的输出或者状态，加到系统的输入端与系统的输入共同作用于系统。系统的输出状态实际上是各种物理量，他们有的是电压，有的是流量、速度等。这些量往往与系统的输入量性质不同，并且取值的范围也不一样。所以不能与输入直接合并使用，需要测量并转化。传感器正是起这个作用，它就像是控制系统的眼睛和皮肤，感知控制系统中的各种变化，配合系统的其他部分共同完成控制任务。

传感器可以被用来测量各种物理量。根据测量的物理量不同，传感器可以分成温度传感器、流量传感器、压力传感器等很多种类。但是所有传感器工作原理都是基于各种物理定律，如果出现了新的现象或在特定物质中，在某方面出现了奇异的效应，就可以利用这些现象和效应来研制传感器。经常被用来制作传感器的物理现象和效应有霍尔效应、多普勒效应、压阻效应、应变效应等。但是并不是所有研制出来的传感器都能够使用，因为传感器要满足可靠性的要求，如果传感器不稳定，那么对同样的输入信号，其输出信号就不一样，则传感器会给出错误的输出信号，使传感器的作用失灵。

控制器——系统的大脑

自动控制系统中控制器在整个系统中起着重要的作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。系统性能的优劣很大程度上取决于控制器的好坏。我们可以通过比较人工控制系统和自动控制系统的工作原理来认清控制器的作用。

首先我们介绍人工控制系统，是恒温箱的人工控制系统的结构图。要求恒温箱中的温度保持恒定。为了测量恒温箱中的温度，安装一个温度计来指示恒温箱中的温度，这个温度就是系统的输出量，或称被控制量。操作者始终观察温度计的温度，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。人在这个系统中有以下的作用：

1． 观察恒温箱中温度。

2． 比较恒温箱中温度与给定温度的差值。

3． 调节加热电流的大小。




图1人工控制系统结构图
图2自动控制系统结构图


从图1和图2可以看出，人工控制系统和自动控制系统非常相似，热电偶就相当于人的眼睛；比较电路完成人大脑的功能，电机代替人的肌体；人工控制系统和自动控制系统虽然采用不同的装置，但是它们的原理很是相似。在自动控制系统，我们经常把比较放大电路以及其他附加装置（主要起校正作用）称为控制器，而把执行机构（电机）和控制对象（恒温箱）称为受控对象。

控制器有各种形式，按照信号的性质分，可以分成模拟控制器和数字控制器两种。前者信号主要是模拟形式的；后者主要采用数字形式进行计算，输入和输出端有D/A和A/D转换器。控制器的结构有的复杂而有的比较简单，上面恒温箱控制中的比较放大电路就是比较简单的控制器。复杂系统的控制器往往很复杂，有的控制器甚至就是一台计算机。

执行器——有力的臂膀

执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的四肢，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，而调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，最常见的有调节阀。

执行器按其能源形式分为气动，电动和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。

液动执行器推力最大，现在一般都是机电一体化的，但比较笨重，所以现在很少使用，比如三峡的船阀用的就是液动执行器。

电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程(如图一)和直行程（图二）两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移量。电动执行机构安全防爆性能差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。尽管近年来电动执行器在不断改进并有扩大应用的趋势，但从总体上看不及气动执行机构应用得普遍。

气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。

控制量——受控对象

所谓受控对象是指在一个控制系统中被控制的事物或生产过程,比如发电机的端电压，火炮的角度和方向,锅炉气包温度等等。

在设计和分析一个控制系统时，了解控制对象的特性是非常重要的。因为，如果对象的特性不一样，其所需要的控制策略也会大相径庭的,最终控制效果也大不相同。我们可以用微分方程，状态方程或传递函数等数学方法来描述受控对象，并可以用其它传统和现代的方法来分析受控对象的特性,设计和校正相应的控制系统，达到对受控对象的有效和优化控制。

要得到受控对象的数学描述，一般有两种方法，即系统建模和系统辨识。如果受控对象的物理和数学机理比较清楚或者对象比较简单，比如一些机械和电气装置，那么为受控对象建立数学模型就比较可行和方便。对于复杂对象或其机理不能用现有的数学描述的对象，一般用系统辨识的方法，化工和热工生产中很多对象特性就是这样描述的。

三、   控制论的产生

二十世纪40年代末，维纳创立了控制论，申农创立了信息论。随着自动化系统和自动控制理论的出现，对信息的研究开始突破原来仅限于传输方面的概念。控制论作为一个相对独立的科学学科的形成却起始于本世纪20~30年代，而1948年美国数学家维纳出版了《控制论》一书，标志着控制论的正式诞生。从控制的观点揭示了动物与机器的共同的信息与控制规律，研究了用滤波和预测等方法，从被噪声湮没了的信号中提取有用信息的信号处理问题，建立了维纳滤波理论。美国数学家申农是维纳的学生，这年发表了《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》两篇著名论文，提出信息熵的数学公式，从量的方面描述了信息的传输和提取问题，创立了信息论。

维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。维纳少年时是一位天才的神童，他11岁上大学，学数学，但喜爱物理、无线电、生物和哲学，14岁考进哈佛大学研究生院学动物学，后又去学哲学，18岁时获得了哈佛大学的数理逻辑博士学位。1913年刚刚毕业的维纳又去欧洲向罗素、哈代、和希尔伯特这些数学大师们学习数学，正是多钟学科在他头脑里的汇合，才结出了控制论这颗综合之果。1919年维纳在麻省理工学院任教。在研究勒贝格积分时，就从统计物理方面萌发了控制论思想。第二次世界大战期间，为了对付德国的空中优势，英美两国极待提高他们的防空体系的性能。维纳两次参加了美国研制防空火力自动控制系统的工作，当时高射炮发射出的炮弹的速度比德国的飞机快不了多少，而飞机驾驶时有一定随机性，这就要求高射炮在描准时不能再直接对准目标或只是有个大约的提前量，而是要预测飞机将要飞到的精确位置，以使击中目标。这就产生了自动控制问题。维纳概率论和数理统计等数学工具用于火炮控制系统提出了一套最优预测方法。但这只能给出一种可能性最大预测，并不能给出百分之百的击中率。为此他开始把早年学的动物学知识用了起来。

1943年维纳与别格罗和罗森勃吕特合写了《行为、目的和目的论》的论文，从反馈角度研究了目的性行为，找出了神经系统和自动机之间的一致性。这是第一篇关于控制论的论文。这时，神经生理学家匹茨和数理逻辑学家合作应用反馈机制制造了一种神经网络模型。第一代电子计算机的设计者艾肯和冯.诺依曼认为这些思想对电子计算机设计十分重要，就建议维纳召开一次关于信息、反馈问题的讨论会。1943年底在纽约召开了这样的会议，参加者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家，他们从各自角度对信息反馈问题发表意见。以后又连接举行这样的讨论会，对控制论的产生起了推动作用。《控制论》一书的副标题是“关于在动物和机器中控制和通信的科学”。

四、   控制论的发展

控制论是多门科学综合的产物也是许多科学家共同合作的结晶。控制论诞生后，得到了广泛地应用与迅猛地发展，大致经历了三个发展时期。

第一个时期为本世纪50年代，是经典控制论时期。这个时期的代表除了生物控制论外，有我国著名科学家钱学森1945年在美国发表的《工程控制论》。

第二个时期是60年代的现代控制论时期。导弹系统、人造恒星，生物系统研究的发展，使控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统测辨、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。

第三时期是70年代后的大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论和人口控制论等发展。1975年国际控制论和系统论第三届会议，讨论的主题就是经济控制论的问题。1978年的第四届会议，主题又转向了社会控制论。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统理论发展。在1976年国际自动控制联合会的学术会上，专题讨论了“大系统理论及应用”问题。控制论也形成了工程控制论、生物控制论、社会控制论。其中生物控制论又分化出神经控制论、医学控制论、人工智能研究和仿生学研究。社会控制论则把控制论应用于社会的生产管理、效能运输、电力网络、能源工程、环境保护、城市建议，以至社会决策等方面。维纳在1950年出版的《人有人有的用处——控制论和社会》一书中着重论述了通信、法律、社会政策等等与控制论的联系。阿希贝1958年发表的《控制论在生物学和社会中的应用》一文，认为运用非线性系统的控制理论，可以研究社会系统。

控制系统的鲁棒性研究是现代控制理论研究中一个非常活跃的领域,鲁棒控制问题最早出现在上个世纪人们对于微分方程的研究中。Black首先在他的1927年的一项专利上应用了鲁棒控制。但是什么叫做鲁棒性呢？其实这个名字是一个音译，其英文拼写为Robust。也就是健壮和强壮的意思。控制专家用这个名字来表示当一个控制系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性或属性。就象人在受到外界病菌的感染后，是否能够通过自身的免疫系统恢复健康一样。

鲁棒控制理论发展到今天，已经形成了很多引人注目的理论。其中控制理论是目前解决鲁棒性问题最为成功且较完善的理论体系。Zames在1981年首次提出了这一著名理论，他考虑了对于一个单输入单输出系统的控制系统，设计一个控制器，使系统对于扰动的反映最小。在他提出这一理论之后的20年里，许多学者发展了这一理论，使其有了更加广泛的应用。当前这一理论的研究热点是在非线形系统中 控制问题。另外还有一些关于鲁棒控制的理论如结构异值理论和区间理论等。

1976年单片机问世。单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种I/O接口，也就是说集成在一块芯片上的计算机。单片机的主要特点是体积比较小，重量轻，再加上良好的抗干扰性和可靠性，单片机已经成为工业控制的不可缺少的器件之一。单片机性能的发展也不能和普通计算机相提并论，但是对于工业的应用，单片机的速度已经是足够了。应用于工业的测控是单片机的主要功能之一。单片机有丰富的I/O线，较大部分的这样的单片机都应用在汽车工业，使得汽车在局部的处理中拥有更多的智能。在汽车的局部处理中，单片机加上传感器，再辅以固定的算法，就能够在驾驶员不知不觉的情况下对车况进行调整。单片机已经无处不在，比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机；又比如K85这样的电脑中频电疗仪，能够从病人身上获取数据，然后根据现有的算法从几种治疗处方中选择，而在每一种处方中还能够根据病人的病情而改变中频和波形及输出电流强度。单片机也可以应用在电脑缝纫机上，这样单片机可以替代很多机械部分，还能提供很多老式的缝纫机无法实现的图案。

为了解决控制和决策中的非数值问题，和适应80年代以后智能机研究的需要，以及要解决知识信息处理的问题，遂产生了知识工程，并已研制成专家系统、自然语言理解系统和智能机器人等。

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