控制

为了改善系统的性能或达到系统的目的,通过信息采集和加工而选出的施加在系统上的作用,又称控制作用。在物质世界中系统分为两类:一类是无法进行人工控制的,称为不可控系统;一类是可以进行人工控制的,称为可控系统。可控系统由控制部分和受控对象组成。控制部分与受控对象往往形成双向信息流联系。控制部分的核心是控制器,用来加工信息产生控制信号。控制部分还有传感器和执行器。传感器用来采集信息,并把它变换成合适的形式,送到控制器;执行器则对控制器产生的控制信号进行放大和变换,产生控制作用,施加到受控对象上。在社会经济系统中决策者就起着控制器的作用,在这类可控系统中各级决策者往往构成递阶控制的结构。通常把进入可控系统的信息加工成控制信息的法则称为控制算法。设计和实现控制算法是控制理论中最重要的研究课题。可控系统中能加工信息产生控制信号的部件称为控制器。设计和研制各种控制器则是控制工程最重要的任务。

控制都是有目的性的。为了进行有效的控制,使可控系统达到预定的目的,作出预期的行为或具有规定的性能,必须依靠反馈信息。反馈控制是一种最基本的控制方式,它是依据系统的实际输出与预期输出的偏差来进行控制,并逐步缩小这一偏差(不管产生偏差的原因),所以反馈控制能改善系统的性能。有简单的反馈控制,也有各种复杂的反馈控制。反馈控制在生命有机体中早已普遍存在,在受控工程系统和社会经济系统中也已得到广泛应用。生命有机体在生长和进化的过程中通过变异对变化着的环境具有高度适应性。如果把生命有机体及其生存环境看作一个整体,则自然选择就是一种控制作用。为了使生命有机体适应环境的变化而作出有效的反应动作,必须向它提供关于动作效果的信息,作为它继续动作所需信息的组成部分。生命有机体这种适应环境的能力主要是依靠反馈控制。人具有学习能力,能通过学习积累经验,用过去的经验来调节未来行为的策略。人通过学习来适应环境和改造世界的能力,本质上也是一种反馈控制。反馈控制大多指负反馈控制。反馈控制能在扰动相当大且事先不知道扰动对受控量的影响的情况下实现必要的控制。但反馈控制不能保证在任何情况下受控系统的稳定性。由于控制信号和反馈信号在系统中传输需要一定的时间和一定的信道容量,当反馈中断、反馈延迟、反馈过度或反馈不足时,有可能造成失控现象。反馈控制的控制信号通道和反馈信号通道构成一个闭合回路,所以反馈控制又称闭环控制。受控系统的性质在很大程度上取决于控制器产生控制信号所依据的信息的来源。反馈控制是在扰动对受控系统产生影响后才作出相应的控制。前馈控制则是另一种控制方式。它基于扰动补偿原理,能在扰动还来不及对受控系统发生影响以前就作出相应的控制。即预测输出随扰动变化的规律,根据扰动对受控量影响的有关信息进行加工而产生控制信号。它要尽量获得足够的时间来提取预测信息,使系统在偏差即将发生之前就注意纠正偏差。关键是掌握系统输入与输出的因果关系。但要注意因果的多变性和多样性。在一般情况下前馈控制往往跟反馈控制相结合构成复合控制,使系统具有良好的性能。复合系统要求同时提取关于扰动的信息和关于受控量的信息来产生控制信号。在化工自动控制中广泛应用前馈控制。在社会经济系统中经济循环学说是前馈控制的具体应用,预测和决策也要部分应用前馈控制。

由于可控系统本身的特点、系统所处的具体环境条件以及控制的目的各不相同,就出现各种各样的控制方式。如果控制的目的是为了使系统保持稳定,即要求可控系统的状态在受到扰动时仍能保持在给定值附近或基本上不变,这样的控制方式就称为镇定控制。如果控制的目的是使可控系统的状态按预先给定的方式随时间而变化,就可以把控制算法编成控制程序的形式预先存储在控制器内,自动生成控制信号的时间序列,这样的控制方式称为程序控制。如果控制的目的是使可控系统的状态按预先不知道的外来信号的变化规律而变化,这样的控制方式称为随动控制。采用随动控制时在实施控制以前不知道控制程序所需要的全部信息,但可以在控制系统运行期间获得这些必要的信息。如果控制的目的是使受控系统在满足一组约束条件下目标函数值取极大值或极小值,即使受控系统的某一参数达到最优值,这样的控制方式称为最优控制。如果控制的目的是为了选择可控系统最有利的运行状态,使系统适应内外环境的变化,这样的控制方式称为适应控制。适应控制往往需要一个学习和记忆的机构,通常采用搜索法来选择受控系统最有利的运行状态。在军事、经济、生态等系统中存在着竞争现象。这时出现两个受控系统的交互作用。在实施控制时要考虑对方的反作用。因而控制策略由两部分组成:

(1)要对竞争中出现的情况迅速作出反应。

(2)采用最优策略使可控系统在对方施加最不利的影响时也能处于尽可能好的地位。这样的控制策略涉及微分对策。因为信息可以远距离传输,所以可以通过信息联系把空间和时间上分散的受控对象和控制器连接起来。对于这种大系统往往采用递阶控制与分散控制相结合、直接控制与间接控制相结合的控制方式。为了保证控制的质量,必须正确估计可能的控制范围,即确定控制边界。控制器只有在控制边界的范围内才能发挥作用,可控系统也只有在一定的范围内改变自己的状态。这就是说,可控系统总是存在着一定数目可供选择的状态。控制的实际可能性还受到其他一些因素的限制,如正向通道和反馈通道信息传输速度的限制,由于非线性作用而出现的分岔现象等。关于控制作用实际可能性的限制条件尚无一般解法。

为了保证一个系统正常运转需要进行控制。为了促使一个系统向所要求的方向发展也需要进行控制。一个受精卵细胞发育成一个有机体依靠细胞内脱氧核糖核酸(DNA)所携带的遗传信息的控制作用。为了实现国民经济发展计划,必须实行宏观经济控制。

参考书目
  1. N.维纳著,郝季仁译:《控制论》,科学出版社,北京,1963.(N. Wiener, Cybernetics,or Control and Communication in the Animal and the Machine, MIT Press, Cambridge, MA.,1948.)
  2. W.R.Ashby, An Introduction to Cybernetics, Methen, London, 1968.

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