信息工程概論課件 第十五講 控制的信息解釋

第15講控制的信息解釋施效機(jī)制一切控制，歸根到底是要改變（或維持）對象原來的運(yùn)動狀態(tài)及其變化方式。為了實(shí)現(xiàn)控制的作用，控制系統(tǒng)就應(yīng)當(dāng)能夠產(chǎn)生出各種相應(yīng)的“力”來實(shí)施狀態(tài)/方式的改變或維持。15.1

控制原理信息與力的轉(zhuǎn)化2信息科學(xué)導(dǎo)論轉(zhuǎn)換過程中，信息本身并沒有發(fā)生改變（如果發(fā)生了改變，控制就會失真），改變的只是它的載體的物質(zhì)和能量形式?？刂剖切畔刂茖ο笏M(jìn)行的控制，是信息借助于一定的物質(zhì)與能量手段所實(shí)現(xiàn)的控制。對于控制而言，核心的問題是信息，一定形式的物質(zhì)和能量則是實(shí)現(xiàn)控制的具體手段。15.1

控制原理3信息科學(xué)導(dǎo)論在簡單控制系統(tǒng)中，控制信息由干擾信息直接加工出來。

這是一種補(bǔ)償型的方式：由控制信息產(chǎn)生出一定的調(diào)節(jié)力來補(bǔ)償干擾的影響。正因?yàn)槿绱?，我們把這一類的控制方式叫做補(bǔ)償型控制。由圖可以看出，這種控制系統(tǒng)的各個單元之間并不構(gòu)成閉合的環(huán)路，因此，常常稱為開環(huán)控制方式。15.2

控制信息加工機(jī)制由干擾信息加工控制信息4信息科學(xué)導(dǎo)論開環(huán)控制系統(tǒng)要能有效地達(dá)到控制目標(biāo)，須滿足兩個基本的前提。第一，控制單元（控制者）必須能夠理解干擾的各種狀態(tài)/方式對于控制目標(biāo)具有什么影響；第二，根據(jù)這種影響，控制者應(yīng)當(dāng)能夠產(chǎn)生足夠的調(diào)節(jié)力來補(bǔ)償這種影響。比較合理的模式是：控制者應(yīng)當(dāng)同時根據(jù)干擾信息、目標(biāo)信息和被控對象的信息來加工自己的控制信息：控制者必須全面了解被控對象的初始運(yùn)動狀態(tài)/方式是什么，被控對象應(yīng)當(dāng)達(dá)到的最終運(yùn)動狀態(tài)/方式是什么，干擾對被控對象的運(yùn)動狀態(tài)/方式可能產(chǎn)生什么影響，在控制者進(jìn)行干預(yù)之后被控對象的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)/方式發(fā)生了怎樣的改變。15.2

控制信息加工機(jī)制5信息科學(xué)導(dǎo)論下圖所示，稱為“綜合型控制”（圖中把干擾源作為控制對象的環(huán)境表現(xiàn)于“對象與環(huán)境”方框）。15.2

控制信息加工機(jī)制綜合型控制6信息科學(xué)導(dǎo)論這種控制方式的特點(diǎn)是綜合利用與問題有關(guān)的各方面信息來加工提煉控制信息，因此被稱為綜合型控制方式（也叫閉環(huán)式控制）。怎樣從被控對象信息、環(huán)境信息和目標(biāo)信息中最優(yōu)地加工出控制信息？按照最優(yōu)化的思路，生成控制信息的問題就可以這樣來解決：首先找出控制目標(biāo)與被控對象運(yùn)動狀態(tài)/方式的關(guān)系，然后明確環(huán)境或其他因素對被控對象運(yùn)動狀態(tài)/方式的制約方式，最后，在這些制約關(guān)系下，求出被控對象的運(yùn)動狀態(tài)/方式與目標(biāo)之間的最優(yōu)關(guān)系。15.2

控制信息加工機(jī)制7信息科學(xué)導(dǎo)論如果能夠用函數(shù)來描述目標(biāo)與對象狀態(tài)之間的關(guān)系，那么，加工和生成控制信息的問題就變?yōu)橛屑s束條件下求函數(shù)極值的問題。假設(shè)目標(biāo)狀態(tài)與對象狀態(tài)之間的關(guān)系可以表示為函數(shù)f（x），其中X是N維列矢量，約束關(guān)系可以表示為15.2

控制信息加工機(jī)制那么上述問題就化為：在M個約束下選擇X的N個分量，使函數(shù)f（X）為最大或最小（最大或最小的確定依具體的問題背景而定，在求解方法上并無本質(zhì)上的區(qū)別，如沒有特別的申明，我們就以求極大為例來敘述）。顯然，這是個數(shù)學(xué)規(guī)劃的問題。8信息科學(xué)導(dǎo)論這些法則將揭示：在什么情況下控制是可能的，在什么情況下是不可能的；在可能實(shí)施控制的情況下，根本的控制方法和原則是什么，等等。15.3

信息法則最簡控制模型9信息科學(xué)導(dǎo)論假定控制的目標(biāo)是維持被控對象的輸出狀態(tài)X不變，用數(shù)學(xué)語言來說就是假定

H（X|Y）=0顯然，在這個簡單模型中，X之所以會改變，是因?yàn)榇嬖诟蓴_N的影響。在一定的假設(shè)條件下，可以認(rèn)為H（X）=H（N）如果不存在干擾N的作用，或者，雖然存在干擾N的影響，但N是一個恒定的不變量，那么就會有H（X）=H（N）=0。當(dāng)N為某種隨機(jī)變量的時候，H（X）=H（N）＞0。為了在干擾作用下仍能維持X不變，控制單元就要輸出適當(dāng)?shù)腨作用于X，以便抵消N的影響。15.3

信息法則10信息科學(xué)導(dǎo)論那么，在隨機(jī)干擾作用下，為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，Y應(yīng)滿足什么樣的條件呢？15.3

信息法則由可得11信息科學(xué)導(dǎo)論由于恒有

H（Y|X）≥0故有H（X|Y）≥H（X）-H（Y）根據(jù)上式不難判斷，為了使H（X|Y）=0，Y必須滿足下述條件：

H（Y）≥H（X）或者

H（Y）≥H（N）15.3

信息法則12信息科學(xué)導(dǎo)論上兩式被稱為“控制的信息閾值法則”，其物理意義是：在最簡控制模型場合，為了實(shí)現(xiàn)有效的控制，首先必須獲得被控對象的信息（在這里以H（X）來描述）和環(huán)境信息（這里表現(xiàn)為干擾，用H（N）來描述），為了在這種情況下實(shí)現(xiàn)H（X|Y）=0的控制目標(biāo)，控制信息量H（Y）必須大于、至少必須等于干擾信息量H（N）。如果滿足這個條件，控制目標(biāo)就可能實(shí)現(xiàn)；反之如果不能滿足這個條件，控制目標(biāo)就不可能實(shí)現(xiàn)。15.3

信息法則13信息科學(xué)導(dǎo)論從實(shí)質(zhì)上說，“信息閾值法則”乃是根據(jù)被控對象、對象環(huán)境和控制目標(biāo)這些基本信息對控制單元的控制能力所提出的一個