控制論課件PPT

1、CyberneticsCybernetics授課人：任文授課人：任文控制論是美國猶太人諾伯特維納在二戰(zhàn)期間創(chuàng)立的一種理論，他摒棄了狹隘的專業(yè)分工，將各門學(xué)科相互滲透、找到了機(jī)器和生命機(jī)體之間的共同點(diǎn)信息變換過程，形成了一門既包括機(jī)器、又包括生命機(jī)體的統(tǒng)一的普遍理論控制論，其目的是解決“既是機(jī)器中又是活的機(jī)體中的控制和通訊的問題。n控制論是美國數(shù)學(xué)家羅伯特控制論是美國數(shù)學(xué)家羅伯特. .維納維納(1894-1964)(1894-1964)于于19481948年創(chuàng)年創(chuàng)立的。立的。n維納在維納在20-3020-30年代就對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)有極大興趣。第二次年代就對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)有極大興趣。第二次世界大戰(zhàn)期間

2、，他參加了火炮自動(dòng)控制的研究工作。這對(duì)他世界大戰(zhàn)期間，他參加了火炮自動(dòng)控制的研究工作。這對(duì)他創(chuàng)立控制論具有決定性的意義。創(chuàng)立控制論具有決定性的意義。n把火炮自動(dòng)打飛機(jī)的動(dòng)作過程與人狩獵的行為作了類比，把火炮自動(dòng)打飛機(jī)的動(dòng)作過程與人狩獵的行為作了類比，從中發(fā)現(xiàn)了重要的反饋概念。他認(rèn)為穩(wěn)定活動(dòng)的方法之一，從中發(fā)現(xiàn)了重要的反饋概念。他認(rèn)為穩(wěn)定活動(dòng)的方法之一，是把活動(dòng)的結(jié)果所決定的一個(gè)量，作為信息的新調(diào)節(jié)部分，是把活動(dòng)的結(jié)果所決定的一個(gè)量，作為信息的新調(diào)節(jié)部分，反饋回控制儀器中。反饋回控制儀器中。n維納研究了隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)和濾波理論在自動(dòng)火炮上的運(yùn)維納研究了隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)和濾波理論在自動(dòng)火炮上的運(yùn)用，

3、為控制論提供了數(shù)學(xué)方法。用，為控制論提供了數(shù)學(xué)方法。n19431943年，維納等人共同發(fā)表了年，維納等人共同發(fā)表了 行為、目的和目的論行為、目的和目的論 一一文，標(biāo)志控制論開始萌芽。文，標(biāo)志控制論開始萌芽。2020世紀(jì)世紀(jì)30304040年代人們對(duì)信息和反饋有了比較深刻的認(rèn)年代人們對(duì)信息和反饋有了比較深刻的認(rèn)識(shí)識(shí)一些著名科學(xué)家環(huán)繞信息和反饋進(jìn)行了大量的研究工一些著名科學(xué)家環(huán)繞信息和反饋進(jìn)行了大量的研究工作。作。n英國統(tǒng)計(jì)學(xué)家英國統(tǒng)計(jì)學(xué)家R.A.R.A.費(fèi)希爾從古典統(tǒng)計(jì)理論的角度研究費(fèi)希爾從古典統(tǒng)計(jì)理論的角度研究信息理論信息理論提出單位信息量的問題。提出單位信息量的問題。n美國電信工程師香農(nóng)從通

4、信工程的角度研究信息量的美國電信工程師香農(nóng)從通信工程的角度研究信息量的問題問題提出信息熵的公式。提出信息熵的公式。n美國數(shù)學(xué)家維納則從控制的觀點(diǎn)研究有噪聲的信號(hào)處美國數(shù)學(xué)家維納則從控制的觀點(diǎn)研究有噪聲的信號(hào)處理問題理問題建立了維納濾波理論建立了維納濾波理論并分析了信息的概念并分析了信息的概念提出測(cè)定信息量的公式和信息的實(shí)質(zhì)問題。提出測(cè)定信息量的公式和信息的實(shí)質(zhì)問題。n他們幾乎在同一個(gè)時(shí)候解決了信息的度量問題他們幾乎在同一個(gè)時(shí)候解決了信息的度量問題人們逐漸人們逐漸深入了解反饋控制系統(tǒng)的工作原理。深入了解反饋控制系統(tǒng)的工作原理。n19321932年美國通信工程師奈奎斯特發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定年美國

5、通信工程師奈奎斯特發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定性條件性條件即著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。即著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。n19451945年維納把反饋概念推廣到一切控制系統(tǒng)年維納把反饋概念推廣到一切控制系統(tǒng)把反饋理解把反饋理解為從受控對(duì)象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入為從受控對(duì)象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入從而對(duì)再輸出發(fā)生影響的過程。從而對(duì)再輸出發(fā)生影響的過程。n巴甫洛夫條件反射學(xué)說證明了生命體中也存在著信息和反巴甫洛夫條件反射學(xué)說證明了生命體中也存在著信息和反饋問題。饋問題。 1943-1944 1943-1944年，維納和馮年，維納和馮. .諾伊曼諾伊曼(1903-1957)(1903-19

6、57)發(fā)起，發(fā)起，在普林斯頓召開了有工程師、生物學(xué)家、心理學(xué)家、在普林斯頓召開了有工程師、生物學(xué)家、心理學(xué)家、數(shù)學(xué)家參加的交叉學(xué)科的學(xué)術(shù)討論會(huì)。數(shù)學(xué)家參加的交叉學(xué)科的學(xué)術(shù)討論會(huì)。n19461946年，在紐約召開了反饋問題的學(xué)術(shù)討論會(huì)。年，在紐約召開了反饋問題的學(xué)術(shù)討論會(huì)。n這兩次會(huì)議對(duì)控制論的產(chǎn)生起了重要的推動(dòng)作用。這兩次會(huì)議對(duì)控制論的產(chǎn)生起了重要的推動(dòng)作用。n維納對(duì)會(huì)議形成的一些概念和思想加以總結(jié)，在維納對(duì)會(huì)議形成的一些概念和思想加以總結(jié)，在19481948年寫成了年寫成了控制論控制論一書。一書。n控制論控制論引進(jìn)了系統(tǒng)、目的、反饋、信息、功能模引進(jìn)了系統(tǒng)、目的、反饋、信息、功能模擬、黑箱方

7、法等一系列獨(dú)特的概念，討論了如何實(shí)現(xiàn)擬、黑箱方法等一系列獨(dú)特的概念，討論了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制問題。對(duì)系統(tǒng)的控制問題。n控制論控制論的出版，成為控制論誕生的標(biāo)志。的出版，成為控制論誕生的標(biāo)志。n此后，控制論又?jǐn)U展出工程控制論、生物控制論、社此后，控制論又?jǐn)U展出工程控制論、生物控制論、社會(huì)控制論、經(jīng)濟(jì)控制論等分支學(xué)科。會(huì)控制論、經(jīng)濟(jì)控制論等分支學(xué)科。 （3）隨機(jī)控制）隨機(jī)控制 在許多情況下，控制在許多情況下，控制任務(wù)既不是受控制量保持不變，也不是任務(wù)既不是受控制量保持不變，也不是使它按照預(yù)定的規(guī)律變化，而是隨著某使它按照預(yù)定的規(guī)律變化，而是隨著某個(gè)預(yù)先不能確定的規(guī)律變化。如火炮控個(gè)預(yù)先不能確定的

8、規(guī)律變化。如火炮控制，產(chǎn)品跟蹤市場(chǎng)的波動(dòng)而波動(dòng)。制，產(chǎn)品跟蹤市場(chǎng)的波動(dòng)而波動(dòng)。（4）最優(yōu)控制）最優(yōu)控制 使系統(tǒng)的某種性達(dá)到使系統(tǒng)的某種性達(dá)到最優(yōu)，即實(shí)際對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。如發(fā)最優(yōu)，即實(shí)際對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。如發(fā)電站保證發(fā)電機(jī)最大效益的控制。電站保證發(fā)電機(jī)最大效益的控制。（1）簡(jiǎn)單控制（2）補(bǔ)償控制（3）反饋控制（4）遞階控制 T多段遞階控制多級(jí)遞階控制控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖：敏感環(huán)節(jié)敏感環(huán)節(jié)決策環(huán)決策環(huán)節(jié)節(jié)放大環(huán)放大環(huán)節(jié)節(jié)執(zhí)行環(huán)執(zhí)行環(huán)節(jié)節(jié)受控環(huán)受控環(huán)節(jié)節(jié)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)輸入輸入輸出輸出n控制論的發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段：控制論的發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段：n2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代末期以前為第一

9、階段，稱為經(jīng)典控制論階段；年代末期以前為第一階段，稱為經(jīng)典控制論階段；n5050年代末期至年代末期至7070年代初期為第二階段，稱為現(xiàn)代控制論階年代初期為第二階段，稱為現(xiàn)代控制論階段；段；n7070年代初期至現(xiàn)在為第三階段，稱為大系統(tǒng)理論階段。年代初期至現(xiàn)在為第三階段，稱為大系統(tǒng)理論階段。n經(jīng)典控制論主要研究單輸入和單輸出的線性控制系統(tǒng)的一般規(guī)經(jīng)典控制論主要研究單輸入和單輸出的線性控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，它建立了系統(tǒng)、信息、調(diào)節(jié)、控制、反饋、穩(wěn)定性等控制律，它建立了系統(tǒng)、信息、調(diào)節(jié)、控制、反饋、穩(wěn)定性等控制論的基本概念和分析方法，研究的重點(diǎn)是反饋控制，核心裝置論的基本概念和分析方法，研究的重點(diǎn)是反

10、饋控制，核心裝置是自動(dòng)調(diào)節(jié)器，主要應(yīng)用于單元裝置自動(dòng)化。是自動(dòng)調(diào)節(jié)器，主要應(yīng)用于單元裝置自動(dòng)化。n現(xiàn)代控制論的研究對(duì)象是多輸入和多輸出系統(tǒng)的非線性控制系現(xiàn)代控制論的研究對(duì)象是多輸入和多輸出系統(tǒng)的非線性控制系統(tǒng)，其中重點(diǎn)研究的是最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制，主統(tǒng)，其中重點(diǎn)研究的是最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制，主要應(yīng)用于大規(guī)模機(jī)組自動(dòng)化和生物系統(tǒng)。要應(yīng)用于大規(guī)模機(jī)組自動(dòng)化和生物系統(tǒng)。n大系統(tǒng)理論的主要研究對(duì)象是眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)大系統(tǒng)理論的主要研究對(duì)象是眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)( (如宏觀如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)

11、等) )，研，研究的重點(diǎn)是大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制、分解究的重點(diǎn)是大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制、分解- -協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論等?？刂坪痛笙到y(tǒng)模型降階理論等。工程控制論工程控制論生物控制論生物控制論量子控制論量子控制論智能控制論智能控制論控制論控制論控制方控制方法論法論社會(huì)控制論社會(huì)控制論經(jīng)濟(jì)控制論經(jīng)濟(jì)控制論管理控制論管理控制論n19541954年，中國科學(xué)家錢學(xué)森年，中國科學(xué)家錢學(xué)森(1911-2009)(1911-2009)運(yùn)用控制論的基本思想和概念，結(jié)合戰(zhàn)運(yùn)用控制論的基本思想和概念，結(jié)合戰(zhàn)爭(zhēng)中迅速發(fā)展的伺服機(jī)理論，把控制論爭(zhēng)中迅速發(fā)展的伺服機(jī)理論，把控制論運(yùn)用

12、于工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分運(yùn)用于工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析中，完成了經(jīng)典控制論的綜合，創(chuàng)立析中，完成了經(jīng)典控制論的綜合，創(chuàng)立了了工程控制論。工程控制論。代表著作代表著作工程控制論工程控制論( (錢學(xué)森、宋健著錢學(xué)森、宋健著) )。n6060年代初，現(xiàn)代控制理論發(fā)展起來。年代初，現(xiàn)代控制理論發(fā)展起來。n7070年代，又出現(xiàn)了第三代控制理論。年代，又出現(xiàn)了第三代控制理論?？刂普摽刂普摴こ虘?yīng)用工程應(yīng)用理論體系理論體系工工業(yè)業(yè)自自動(dòng)動(dòng)化化科學(xué)方法論科學(xué)方法論控制理論控制理論自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)化技術(shù)農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)自自動(dòng)動(dòng)化化軍軍事事自自動(dòng)動(dòng)化化金金融融自自動(dòng)動(dòng)化化樓樓宇宇自自動(dòng)動(dòng)化化環(huán)環(huán)保保自自動(dòng)動(dòng)化化醫(yī)

13、醫(yī)療療自自動(dòng)動(dòng)化化n1400B.C. 1100B.C.，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺n300B.C.300B.C.，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)了系統(tǒng)工程觀念和實(shí)踐。，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)了系統(tǒng)工程觀念和實(shí)踐。 西漢漏壺西漢漏壺 都江堰都江堰 自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生n100100年亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置年亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置n235235年中國馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車年中國馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車n17881788年英國年英國J. WattJ. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度n18661866年英國年英國J. M. GrayJ. M. Gray設(shè)計(jì)出第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船設(shè)計(jì)出第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船東東方方號(hào)號(hào)