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工程控制论

     钱学森先生从20世纪30年代到50年代,通过参与超声速飞机以及火箭和喷气推进飞行器的研制过程所做的力学研究,深刻体会到工程实践—科学理论—工程实践之间的重要关系。在第二次世界大战结束前后的一段时间里,钱学森先生在火箭研究中,发现无论是最大射程、航向控制、燃烧稳定等问题都需要解决优化规划和反馈控制的技术和理论问题,于是他便运用控制论的原理解决了一批喷气技术中稳定和制导系统的问题。钱学森先生意识到,不仅在火箭技术领域内,而且在整个工程技术范围内,几乎到处存在着被控制的系统。基于这一深刻认识,钱学森先生开创性地提出了一门新的技术科学—工程控制论,于1954年出版了《Engineering Cybernetics》(工程控制论)一书,该书的出版在世界科技界引起广泛注意,随即被译成多种文字发行,1958年《工程控制论》中文版发行。

  

  该书把一般性概括性的理论和实际工程经验很好地结合起来,对工程技术各个系统的自动控制和自动调节理论作全面的探讨。《工程控制论》学术上达到当时国际领先水平,在自动化、无线电电子学、航天技术及系统工程等专业领域都得到了广泛应用。书中所阐明的基本理论和观点至今仍是这门学科的理论基础,并为世界各国的科学技术工作者所引用和参考。

  工程控制论

  engineering cybernetics

  控制论的一个分支学科,是关于受控工程系统的分析、设计和运行的理论。法国物理学家和数学家A.M.安培于1834年用控制论这一名词称呼管理国家的科学。第二次世界大战前后,自动控制技术在军事装备和工业设备中开始应用,实现了对某些机械系统和电气系统的自动化操纵。20世纪30年代末美国、日本和苏联的科学家们先后创立了用仅有两种工作状态的继电器组成的逻辑自动机的理论,并被迅速用于生产实践。在这一时期前后又出现了关于信息的计量方法和传输理论。在这些科学成就的推动下,曾亲自参加过自动化防空系统研制工作的美国数学家N.维纳于1948年把这些概念和理论应用于动物体内自动调节和控制过程的研究,并把动物和机器中的信息传递和控制过程视为具有相同机制的现象加以研究,建立了一门新的学科,称为控制论(cybernetics)。这一名词随即为世界科学界所袭用。1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世,第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论、概念及方法。随着该书的迅速传播(俄文版1956年,德文版1957年,中文版1958年),该书中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。工程控制论的目的是把工程实践中所经常运用的设计原则和试验方法加以整理和总结,取其共性,提高成科学理论,使科学技术人员获得更广阔的眼界,用更系统的方法去观察技术问题,去指导千差万别的工程实践。

  理论范畴 工程控制论的研究对象和理论范畴在不断扩大。近20年来该学科的各个方面都有了很大的发展。到目前为止,它所包含的主要理论和方法有下列6个方面。

  系统辨识和信息处理 由于工程控制论中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上,为了实现对工程系统的控制,精密地定量描述它的行为和结构就具有决定性的意义。找出能够完全描述系统状态的全体变量,区分为输入量、受控量和控制量等不同类别,把表现为机械的、电的、光的、声的各种物理信号形式的变量从各种随机因素和噪声中提取出来,确定各变量在各种不同条件下的变化规律,这就是系统辨识理论的任务。用滤波、预测、相关处理、逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息以及寻求各变量之间的相互关系,这是属于信息处理理论和方法的范畴。近年来发展起来的模式识别理论和方法能够对已经提取出来的物理信号进行更精细的分析,以便用机器手段去理解它的含义,并用文字或图形显示出来,为管理和操作人员提供准确的信息,这是信息处理理论的新成就。

  模型抽象 为了精细地描述受控客体的静态和动态特性,常用建立数学模型的方法。成功的数学模型能更深刻地、集中地和准确地定量反映受控系统的本质特征。借助于数学模型,工程设计者能清楚地看到控制变量与系统状态之间的关系,以及如何改变控制变量才能使系统的参数达到预期的状态,并且保持系统稳定可靠地运行。数学模型还能帮助人们与外界的有害干扰作斗争,指出排除这种干扰所必须采取的措施。根据具体受控工程的特点,可以用代数方程式、微分方程式、积分方程式、逻辑代数式、概率论和模糊数学等数学工具去建立数学模型。对复杂的系统常要用到由几种数学工具结合起来的混合模型去实现对工程系统的完全描述。这种根据实验数据用数学工具去抽象受控工程对象本质特征的原理和方法称为建模理论。

  最优控制 欲使工程系统按希望的方式运行,完成预定的任务,应该正确地选择控制方式。几乎所有的工程系统都有共同的特性:为达到同一个目标,存在着许多控制策略。不同的控制策略所付出的代价也各异,例如能量消耗,所费时间的长短,材料、人力和资金的消耗等均不相同。研究如何以最小的代价达到控制的目的的原理和方法称为最优控制理论。寻求以最短时间达到控制目的的理论称为最速控制理论。线性规划、动态规划、极大值原理、最优化理论等都是经过实践证明具有严密结构的最优控制理论。为了解决最优控制的工程实现问题,科学家们又创造了很多适用于计算机程序的算法,称为最优化技术。最优控制理论和最优化技术的建立是工程控制论中最突出的成就。

  自我进化 受控系统的工作环境、任务和目标常发生变化。为了使工程系统能自动适应这些变化,科学家们创立了一系列设计原理和方法,赋予系统以自我进化的能力,即根据变化了的环境条件或工作任务,系统能够自动地改变自己的结构、参数和获得新的功能。最早出现的是自稳定系统,它能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变自己的结构,始终保持稳定的工作状态而无需操作人员去干预。用自适应控制理论(见适应控制系统)设计的工程系统能自动地对外界条件变化作出反应,改变自己的结构参数,保持优良的性能和高精度。计算机用于工程系统后,由于具有信息存储能力,出现了自学习系统。经过有经验的操作人员示教以后,系统把一切操作细节都记忆下来,从此就能准确地自动再现已学到的操作过程,完成指定的任务。只要存储容量足够大,同一工程系统可记忆若干种操作过程,就成为多功能系统。把专家们在某一专门领域中的知识和经验存储起来,工程系统就获得处理复杂问题的能力,这种系统称为专家系统。为完成不同的任务而能自动重组结构的系统称为自组织系统。工程控制论的研究工作还一直受着仿生学新成就的启发和鼓舞,不断引进新的概念,发明新的理论,以求工程系统部分地模仿生物的技能。能够辨识人的声音,认识和翻译文字,具有不断增长的逻辑判断和自动决策能力的智能系统已在工业生产领域和服务行业中采用,这是具有自我进化能力的工程控制论系统的最新成就。

  容错系统 提高系统工作可靠性一直是工程控制论研究的中心课题之一。早期的研究集中在如何用不太可靠的元件组成可靠的系统。例如,人的大脑中每天都有成千上万个脑细胞死亡,却仍能在数十年内可靠地工作而不出现故障。用设置备份的办法去提高可靠性称为冗余技术,这是一项研究得最早至今仍在大量采用的技术。自诊断理论是关于自我功能检查发现故障的理论。按这种理论设计的工程系统能自动地定期诊断全系统和组成部分的功能,及时发现故障,确定故障位置,自动切换备份设备或器件,从而恢复系统的正常功能。有的系统能在全部运行过程中连续地进行自我诊断。利用纠错编码理论(见编码理论)可以自动地发现工程系统在信息传输过程中可能发生的差错,自动地纠正错误,使系统的功能不受损害。在不可能纠正时则剔除错误信息,或让系统重复操作,以排除随机差错。对不能简单排除的故障,则选用无需故障部件参与的其他相近的功能部件代替。自诊断理论、检错纠错理论、最优备份切换理论和功能自恢复理论总称为容错理论(见容错技术)。

  仿真技术 在系统设计和制造过程中不能在尚未建成的工程系统上进行实验,或者由于代价太高而不宜于进行这种实验。用简单的装置和不同的物理过程去模拟真实系统的受控运行过程称为仿真技术。早期曾以物理仿真为主,即用不同性质但易于实现、易于观察的物理过程去模仿真实的过程。模拟计算机是专为仿真技术而发展起来的技术,它利用电信号在电路中的变化规律去模仿物理系统的运动规律。数字计算机出现以来,又有混合计算机作为仿真工具。随着数字计算机运算速度和存储容量的提高,数字计算机已成为仿真技术的主要手段。只要编制相应的软件就可以模拟各种不同性质的物理过程。仿真技术是在工程控制论中发展起来的强有力的实验技术,使设计师们能在极短时间内,用很小的代价在实验室内进行任何庞大工程系统的实验。

  应用领域的演变 工程控制论发源于纯技术领域。转速、温度、压力等机械变量和物理变量的自动调节是最早期的工业应用,而自动调节理论是对这一时期技术进步的理论总结。第二次世界大战前后出现的自动化防空系统和自寻目标的导弹系统促进了伺服机构和自动控制技术的广泛应用。自动调节理论,经过发展和提高以后,上升为自动控制理论。随着第一台电子数字计算机的出现,技术界开始研制具有数字运算能力和逻辑分析功能的自动机,自动控制系统随即获得了智能控制的功能。随着廉价的微型计算机大量进入市场,自动化工程系统全面地进入了智能化阶段,自动控制理论的全部含义遂得以真正展开。从此,工程控制论的概念、理论和方法开始从纯技术领域溢出,涌进了许多非技术部门,派生出社会控制论、经济控制论、生物控制论、军事控制论、人口控制论等新的专门学科。这些新学科出世以后,便与它们的先行者并驾齐驱,并且根据各自领域的特点,又抽象出新的概念,创造新的理论和方法,产生新的内容。另一方面,它们毕竟是孪生学科,有共同的渊源,在前进过程中能彼此借鉴和相互补充。它们所共有的那些原理、理论和方法,作为广义控制论的基本内容,又促进了另一门更广泛的学科──系统工程的诞生。

  工程控制论进入社会科学领域是当代重大科学技术成就之一。由于信息科学和信息技术的巨大进步,“工程”一词的含义在不断扩展。继早期的纯技术工程(机械、电力、化工、水利、航空、航天等)之后,传统上属于社会科学范畴的问题已能用工程方法去处理,而且比纯行政管理方法能作出更好的决策,对社会事务的具体部门进行状态分析、政策评价、态势预测和决策优化时,常常得到意想不到的新发现,导致巨大的经济效益和社会效益。在社会工程中应用工程控制论所依靠的技术手段与在纯技术工程中完全不同。信息的采集要靠统计方法,状态分析依靠以计算机为中心的数据通信网络。社会事务的定量模型被存储在计算机的数据库中,成为所要研究或管理的那些社会领域的动态映像。在社会领域中进行新的政策性试验要费很长时间,还常伴有一定的风险,故数学仿真在这里起着非常重要的作用。状态分析、模型提取、系统设计和政策优化等都能在试验室内于极短的时间内完成。政策变量的设置和实施只能用政令法令的形式和通过有关政府或事业管理机构来推行,而不能像在纯技术工程中那样用机械的或其他物理信号去驱动。状态反馈也要在人的参预下经过信息网络实现。所以,以计算机为中心的信息系统是社会工程的技术基础,也是工程控制论之所以能用到社会范畴的先决条件。此外,在模型抽象和政策优化分析中,还要经常用到运筹学、对策论、规划论、排队论、库存论等历史上独立于工程控制论之外并行发展起来的数学理论,以及有关的经济学和社会学理论。由于自然科学家和社会科学家的密切合作,正在形成一门新的学科──决策科学。



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