-.z控制的方法與思想課程報告教師*勝元學院化工學院**6班級9131038606**李迎靜二〇一四年四月二十日星期日一.控制論的根本概念、思想和方法1.控制論的根本概念和根本思想

控制論強調(diào)系統(tǒng)的行為能力和系統(tǒng)的目的性。維納提出了負反響概念和功能模擬法。行為——系統(tǒng)在外界環(huán)境作用〔輸入〕下所作的反響〔輸出〕。人和生命有機體的行為是有目的、有意識的。生物系統(tǒng)的目的性行為又總是同外界環(huán)境發(fā)生聯(lián)系，這種聯(lián)系是通過信息的交換實現(xiàn)的。外界環(huán)境的改變對生物體的刺激對生物系統(tǒng)來說就是一種信息輸入，生物體對這種刺激的反響對生物系統(tǒng)來說就是信息的輸出?？刂普撜J為任何系統(tǒng)要保持或到達一定目標，就必須采取一定的行為。輸入和輸出就是系統(tǒng)的行為。反響——系統(tǒng)輸出信息返回輸入端，經(jīng)處理，再對系統(tǒng)輸出施加影響的過程。反響分正反響和負反響。負反響是控制論的核心問題。

正反響——反響信息與原信息起一樣的作用，使總輸入增大。系統(tǒng)目標偏離。加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定。

負反響——反響信息與原信息起相反的作用，使總輸入減小。系統(tǒng)目標偏離減小。系統(tǒng)穩(wěn)定。負反響系統(tǒng)簡介——如下圖，負反響是指將系統(tǒng)的輸出引回來與給定輸入相比擬，計算出輸出與輸入的誤差，通過控制算法，使控制器的輸出作為被控對象的輸入，從而使被控對象的誤差減小。圖1.控制系統(tǒng)框圖控制論的研究說明，無論自動機器，還是神經(jīng)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)，以至經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)，撇開各自的質(zhì)態(tài)特點，都可以看作是一個自動控制系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中有專門的調(diào)節(jié)裝置來控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，維持自身的穩(wěn)定和系統(tǒng)的目的功能?？刂茩C構(gòu)發(fā)出指令，作為控制信息傳遞到系統(tǒng)的各個局部〔即控制對象〕中去，由它們按指令執(zhí)行之后再把執(zhí)行的情況作為反響信息輸送回來，并作為決定下一步調(diào)整控制的依據(jù)。這樣我們就看到，整個控制過程就是一個信息流通的過程，控制就是通過信息的傳輸、變換、加工、處理來實現(xiàn)的。反響對系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定起著決定性的作用，無論是生物體保持自身的動態(tài)平穩(wěn)〔如溫度、血壓的穩(wěn)定〕，或是機器自動保持自身功能的穩(wěn)定，都是通過反響機制實現(xiàn)的?？刂普摼褪茄芯咳绾卫每刂破?，通過信息的變換和反響作用，使系統(tǒng)能自動按照人們預定的程序運行，最終到達最優(yōu)目標的學問。它是自動控制、通訊技術(shù)、計算機科學、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學、統(tǒng)計力學、行為科學等多種科學技術(shù)相互滲透形成的一門橫斷性學科。它研究生物體和機器以及各種不同基質(zhì)系統(tǒng)的通訊和控制的過程，探討它們共同具有的信息交換、反響調(diào)節(jié)、自組織、自適應的原理和改善系統(tǒng)行為、使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的機制，從而形成了一大套適用于各門科學的概念、模型、原理和方法。2.控制論的根本方法

控制論是具有方法論意義的科學理論?？刂普摰睦碚?、觀點，可以成為研究各門科學問題的科學方法，這就是撇開各門科學的質(zhì)的物點，把它們看作是一個控制系統(tǒng)，分析它的信息流程、反機制和控制原理，往往能夠?qū)ふ业绞瓜到y(tǒng)到達最正確狀態(tài)的方法。這種方法稱為控制方法?？刂普摰闹饕椒ㄓ锌刂品椒ā⑿畔⒎椒?、反響方法、功能模擬方法和黑箱方法等。

信息方法——是把研究對象看作是一個信息系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)的信息流程來把握事物規(guī)律的方法。

反響方法——則是動用反響控制原理去分析和處理問題的研究方法。所衷腸反響控制就是由控制器發(fā)出的控制信息的再輸出發(fā)生影響，以實現(xiàn)系統(tǒng)預定目標的過程，正反響能放大控制作用，實現(xiàn)自組織控制。但也使偏差愈益加大，導致振蕩。負反響能糾正偏差，實現(xiàn)穩(wěn)定控制，但它減弱控制作用、損耗能量。

功能模擬法——用功能模型來模仿客體原型的功能和行為的方法。所謂功能模型就是只以功能行為是相似為根底而建立的模型。如獵手瞄準獵物的過程與自動火炮系統(tǒng)的功能行為是相似的，但二者的內(nèi)部構(gòu)造和物理過程是截然不同的，這就是一種功能模擬。功能模擬法為仿生學、人工智能、價值工程提供了科學方法。

黑箱方法〔又稱系統(tǒng)辨識〕——通過考察系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系認識系統(tǒng)功能的研究方法。它是探索復雜大系統(tǒng)的重要工具。系統(tǒng)辨識是在輸入、輸出的根底上，從一類系統(tǒng)中確定一個與所測系統(tǒng)等價的系統(tǒng)。黑箱就是指那些不能翻開箱蓋，又不能從外部觀察內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。

黑箱方法也是控制論的主要方法。具體是：首先給黑箱一系列的刺激〔系統(tǒng)輸入〕，再通過觀察黑箱的反響〔系統(tǒng)輸出〕，從而建立起輸入和輸出之間的規(guī)律性聯(lián)系，最后把這種聯(lián)系用數(shù)學的語言描述出來形成黑箱的數(shù)學模型。

黑箱方法不涉及復雜系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造和相互作用的大量細節(jié)，而只是從總體行為上去描述和把握系統(tǒng)、預測系統(tǒng)的行為，這在研究復雜系統(tǒng)時特別有用。

白箱方法——研究系統(tǒng)的可觀性和可控性，通過定量分析找出兩者之間的關(guān)系。

黑箱方法的目的在于通過為黑箱建立模型，是黑箱變成白箱。有時黑箱模型不止一個，這種情況下，系統(tǒng)辨識其中最合理的一個。

系統(tǒng)辨識主要步驟是：試驗設(shè)計、選擇模型、參數(shù)估計和檢驗模型。二.控制論在生活中的應用1.概述控制系統(tǒng)的根本思想是根據(jù)誤差來調(diào)控被控系統(tǒng)，從而消除誤差。在我們生活中控制理論隨處可見，它廣泛的應用在我們的生活中，如空調(diào)，空調(diào)會根據(jù)室內(nèi)的溫度來實時調(diào)控溫度，當室內(nèi)的溫度高于設(shè)定的溫度時，空調(diào)便會開啟，通過壓縮機來制冷，使得溫度降低，當室內(nèi)的溫度與設(shè)定的溫度一樣時，或在允許的誤差*圍內(nèi)時，空調(diào)便會停頓工作，這樣既能節(jié)能減排，又可以實時的監(jiān)控室內(nèi)的溫度，使人們處于一個較舒適的溫度下。而當把社會比作一個大的控制系統(tǒng)時，我們可以對它進展建模，然后按照控制論的思想對其進展反響控制，即根據(jù)社會中出現(xiàn)的問題，即社會的實際狀況與我們期望的狀況之間的差異，通過制定相關(guān)的政策、法律以及運用道德來對其進展調(diào)整，從而消除差異，實現(xiàn)我們希望的社會狀況。典型的例子如房地產(chǎn)的調(diào)控便是如此。房子作為人們?nèi)粘Ｉ鐣谋匦杵?，是每個家庭所必不可少的東西，然后，如今的房子卻成了最最奢侈的奢侈品，它的價格已經(jīng)完完全全超出了人們所能承受的*圍，特別是對于一個剛畢業(yè)的普通大學生來說，買房子已經(jīng)成為了遙不可及的夢。由于房價的過快增長已經(jīng)引發(fā)了許許多多的社會問題，這些問題急需解決，房子的價格已經(jīng)遠遠超出了人們的預期，這個系統(tǒng)的誤差已經(jīng)大到了不可不調(diào)整的地步了，此時便需要政府出面來對其進展調(diào)控，使得房子的價格回到一個合理的*圍內(nèi)，于是乎近年來政府相繼出臺了許許多多的政策來調(diào)控房價，這些政策便像是控制系統(tǒng)中的控制算法。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)在生活中的應用閉環(huán)控制系統(tǒng)指有負反響的控制系統(tǒng)。在日常生活中到處可見閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用。閉環(huán)控制的思想很簡單，就是根據(jù)輸出與給定輸入的誤差來控制系統(tǒng)。就像人們駕駛車輛一樣，人們不是盲目地按照預定不變的模式來操縱車上的駕駛盤，而是發(fā)現(xiàn)靠左了，即產(chǎn)生誤差啦，人腦就像控制器，做出一個向右轉(zhuǎn)動方向盤的判斷，同時通過手這個執(zhí)行器來控制方向盤這個被控對象向右邊做一個修正，反之亦然。對于社會這個大系統(tǒng)來說，閉環(huán)控制的思想就類似于政府對房價的調(diào)控，當房價過高時，引起了社會的不穩(wěn)定，于是政府出臺相應的政策來調(diào)控房價，且不管這些“控制算法〞的效果怎么樣，它的目的還是希望房價回到一個平穩(wěn)的水平上來，這便表達出了一個閉環(huán)控制的思想。下面介紹幾種生活中應用了閉環(huán)控制的例子。2.1恒溫控制系統(tǒng)對于恒溫系統(tǒng)這個例子，實現(xiàn)方法有兩種：人工控制和自動控制。人工控制的恒溫控制箱時，人們可以通過調(diào)壓器改變電阻絲的電流，以到達控制溫度的目的。箱內(nèi)溫度是由溫度計測量的，人工調(diào)節(jié)過程可歸結(jié)如下：〔1〕觀測由測量元件〔溫度計〕測出的恒溫箱的溫度〔被控制量〕?！?〕將被測溫度與要求的溫度值〔給定值〕進展比擬，得出偏差的大小和方向?！?〕根據(jù)偏差的大小和方向再進展控制。此時人腦相當于控制器，人手相當于執(zhí)行器。當溫度過高時就移動調(diào)壓器滑動端使電流減小，溫度降低。反之使電流變大，溫度升高。對于這個簡單的控制形式，如果能找到一個控制器代替人的職能，則這樣一個人調(diào)節(jié)系統(tǒng)就可以變成自動控制系統(tǒng)了。此時恒溫箱的溫度可以由給定的信號電壓控制。當外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時，作為測量元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成為對應的電壓信號。經(jīng)電壓放大、功率放大后，用以改變電機的轉(zhuǎn)速和方向，并通過傳動裝置拖動調(diào)壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向著減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度到達給定值為止。即只有在偏差信號為零時，電機才停轉(zhuǎn)。這樣完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便組成了一個自動控制系統(tǒng)。2.2人工胰島素建模糖尿病是一種難以治愈的內(nèi)分泌疾病，其主要危害在于它的并發(fā)癥，尤其是慢性并發(fā)癥。隨著人們生活水平的提高，人口老齡化以及肥胖發(fā)生率的增加，糖尿病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢。中國的糖尿病形勢十分嚴峻，防治工作刻不容緩。人工胰島是近２０年降臨床上模擬人體生理胰島素分泌的一種智能胰島素輸注系統(tǒng)。人工胰島一經(jīng)臨床應用，將血糖控制在正?；蚪咏Ｋ绞欠浅７奖阌行У摹Ｆ渲饕獌?yōu)點是機體對胰島素的吸收穩(wěn)定，使血藥濃度趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)控制血糖，減少低血糖的發(fā)生，延緩糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生、開展。閉環(huán)式人工胰島，是對普通人工胰島的重大改良，能夠最好的模擬人體生理胰島素分泌，是控制血糖的最正確手段，是臨床中治療糖尿病的最平安有效便捷的方式。閉環(huán)式人工胰島系統(tǒng)控制理論模型的建立有利于對糖尿病患者進展更合理的準確的數(shù)字化治療。同時，采用先進控制技術(shù)的閉環(huán)式人工胰島系統(tǒng)在多種控制策略的比照上顯示出了優(yōu)異的控制性能。因此，將生物控制論引入閉環(huán)式人工胰島治療裝置無疑是糖尿病治療理論上的再一次革新。由此可見，當閉環(huán)系統(tǒng)應用于生活中時，對于人們的身體**是很有益的。在醫(yī)療方面的還有很多地方用到了閉環(huán)控制的思想。2.3變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)水是人類生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成局部，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的今天，我國由于水資源和電能短缺比擬嚴重，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)用水等方面技術(shù)一直比擬落后，而且自動化程度低．這主要是由于受陳舊的供水設(shè)備和輸送管路的限制，在用水頂峰期，水的供應量常常低于需求量，從而出現(xiàn)水壓降低、水供不應求的現(xiàn)象．傳統(tǒng)的解決方法是采用高位水箱、水塔和各種氣壓罐進展蓄水加壓，依賴擋板和閥門的阻力調(diào)節(jié)水流量。這種靠水的勢能或氣壓供水方式具有占地面積大、投資高、水泵電機頻繁起動、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、水漏失嚴重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁起動使設(shè)備故障率高，檢修、維護也存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，已是迫在眉睫。隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計算機技術(shù)的迅速開展，在變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)運用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)可以得到良好的效果，不僅大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，而且也有效地解決了上述問題，減少了能源浪費。由此可見在我們的日常生活中閉環(huán)控制的思想隨處可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)到處都在應用，并取得了良好的效果。隨著科技的開展，閉環(huán)控制將會得到越來越多的應用，會給我們的生活帶來更多的便利。2.4社會控制系統(tǒng)類似于機械系統(tǒng)，我們也可以把社會比作一個被控系統(tǒng)，這時我們可以把各種法律、政策、道德比作控制器，將法院、檢察院、公安局等政府機關(guān)比作執(zhí)行器。相比機械系統(tǒng)來說，社會控制系統(tǒng)的模型相對難建立，同時它的控制算法也很難得出一個通用的。社會系統(tǒng)是一個反響的系統(tǒng)模型，它是存在于一定的系統(tǒng)環(huán)境中的，而系統(tǒng)環(huán)境指的是能與系統(tǒng)的組成局部或整體發(fā)生相互作用的一切外界事物的總和。3.小結(jié)控制與我們的生活息息相關(guān)，合理的利用控制手段，造福于人類，將是我們必修的一課。在建立任何系統(tǒng)之前，首先要明確的是該系統(tǒng)應該具有何種目的性?？刂葡到y(tǒng)的目的性主要表現(xiàn)在施控主體總是力圖使被施控客體符合目的的運行和變化。要實現(xiàn)系統(tǒng)運行的目的性，必須全面了解被控系統(tǒng)所面臨的各種可能性空間及其各種可能狀態(tài)集合，從各種可能性狀態(tài)中選取*種狀態(tài)作為施控目標，再根據(jù)被控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采取相應的控制措施，使被控系統(tǒng)朝著給定的目標進展。社會控制系統(tǒng)建立的目的就是要使社會的開展符合人們的要求，到達社會的和諧以及人民的幸福。通過系統(tǒng)內(nèi)部的政策、法律控制和組織控制這兩個局部實現(xiàn)對社會開展目標的前饋控制，而前饋控制是根據(jù)社會在未來的運行過程中可能出現(xiàn)的狀態(tài)偏差，通過科學決策適時的實施前饋控制措施或是提前采取相應的控制措施，調(diào)整被控系統(tǒng)的輸入，到達社會運行符合系統(tǒng)給定的目的