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工程控制论

来源:中文百科专业版 VIEW: 发布时间:2020-06-29

工程控制论拼音:gōng chéng kòng zhì lùn;英文:engineering cybernetics),关于受控工程系统的分析、设计和运行的一门科学控制论的一个分支学科。工程控制论的目的是把工程实践中经常运用的设计原则和试验方法加以总结,并取其共性而提高成科学理论,使科学技术人员能用系统的方法观察控制技术问题,指导千差万别的控制工程实践。

20世纪30年代末,美国日本苏联的科学家先后创立了仅用两种工作状态的继电器组成的逻辑自动机理论,并被应用于生产实践。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,实现了对某些机械和电气系统的自动化操纵。1954年中国科学家钱学森所著《工程控制论》英文版问世,把能直接应用于工程设计和实验的关于受控工程系统的理论、概念和方法的研究称为工程控制论。随着此书被翻译为俄文版(1956)、德文版(1957)、中文版(1958)而迅速传播,书中对这一学科赋予的科学含义和研究范围很快为国际科学技术界接受。

理论范畴

工程控制论的研究对象和理论范畴在不断扩大,其所包含的理论和方法主要有6个方面。

1.系统辨识和信息处理 工程控制论中的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上的。定量描述受控系统的行为和结构对实现工程系统的控制具有决定性意义。系统辨识的任务是找出能完全描述系统状态的全体变量,区分为输入量、受控量和控制量等类别,并确定各变量在不同条件下的变化规律。信息处理理论和方法的范畴,包括用滤波、预测、相关处理、逼近等方法从受噪声污染的信号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。随着信息技术领域中模式识别的发展,其理论和方法还能对已经提取出来的信号进行更精细的分析,能用机器手段理解它的含义,用文字图形显示它的结果,为管理和操作人提供准确直观的信息。

2.模型抽象 要精细地描述受控系统的静态和动态特性有赖于建立系统的数学模型。成功的数学模型能简洁和准确地定量反映受控系统的本质特征。数学模型的作用是向工程设计者提供控制变量与系统状态之间的定量关系,提供改变控制变量使系统达到预期状态并保持稳定运行的可能性和途径,指明抑制外部干扰的影响所应采取的措施。根据受控系统的具体特点,常可采用代数方程、微分方程、差分方程、积分方程、逻辑代数、概率论和模糊数学等建立数学模型。复杂受控工程系统常要用几种数学工具结合来建立混合模型以对其完全描述。基于数学工具抽象的受控工程对象本质特征的原理和方法称为建模理论。

3.最优控制 正确选择控制方式可使受控工程系统按希望方式运行和完成预定任务。对几乎所有受控工程系统,使达到同一目标的控制策略不是唯一的,且不同控制策略对应的代价(如能量消耗、费时长短、材料人力资金消耗等)也不同。研究以最小代价达到控制目的的原理和方法称为最优控制理论。设计最优控制的方法包括线性规划、动态规划、极大值原理、最优化理论等。为了解决最优控制的工程实现问题,科学家们还建立了很多适用于计算机程序的算法,称为最优化技术。

4.自我进化 工程系统的工作环境和任务目标常会发生变化。科学家创立了一系列原理和方法,赋予受控工程系统以自我进化的能力,可根据变化了的环境条件或工作任务自动地改变结构、参数和获得新的功能。自稳定系统是最早的这类工程控制系统,能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变结构,无需操作人员干预而始终保持稳定的工作状态。基于自适应控制理论(见适应控制系统)设计的工程控制系统能辨识外界条件的变化,相应地改变结构参数,保持优良性能和精度。将具有信息存储能力的计算机引入工程系统可组成自学习系统,系统能准确地自动再现学到的操作过程来完成指定任务。如果存储容量足够大,一个自学习系统可同时记忆若干种操作过程,可组成多功能自学习系统。把专家在某一专门领域的知识和经验存储到工程系统中,可使其获得处理复杂问题的能力,这种系统称为专家系统。自组织系统则是为完成不同任务而能自动重组结构的系统。工程控制论的研究一直受到仿生学新成果的影响,通过引进新概念并提出新理论,能使工程系统部分地模仿生物的技能。此外,能辨识人的声音和语言,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得到采用。

5.容错系统 提高系统工作可靠性一直是工程控制论的研究课题。冗余技术是一项提出最早至今仍在采用的容错技术,基本思想是用设置备份来提高可靠性。自诊断理论是关于自我功能检查发现故障的理论,按其设计的工程系统能自动地定期诊断或连续诊断全系统和组成部分的功能,及时发现故障并确定故障位置,自动切换备份设备或器件,恢复系统正常功能。利用纠错编码理论可自动地发现工程系统在信息传输过程中可能发生的差错并自动纠错以保证系统功能不受损害,而在不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。

6.仿真技术 对某些不能直接进行实验的工程系统,可行又经济的办法是采用仿真技术,即用简单的装置和不同的物理过程模拟真实系统的受控运行过程。早期以物理仿真为主,即用不同性质但易于实现、易于观察的物理过程模拟真实过程。模拟计算机是专用于系统模拟的仿真工具,利用电信号在电路中的变化过程去模拟物理系统的运动过程。数字计算机随着运算速度和存储容量的提高,也已成为仿真技术的主要手段,优点是只要编制相应软件就可模拟各种不同性质的物理过程。仿真技术是在工程控制论领域中发展起来的强有力的实验技术,用极短时间和很小代价就能在实验室环境中进行任何庞大工程系统的实验。

起源与演变

工程控制论起源于纯技术领域。早期工业应用限于转速、温度、压力、流量等机械变量和物理变量的自动调节,自动调节原理是对这一时期控制技术的理论概括。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更广泛应用,并将自动调节原理提升到自动控制理论。在电子数字计算机出现的推动下,技术界开始研制具有数学运算能力和逻辑分析功能的自动机,使自动控制系统获得智能控制的功能。此后,工程控制论的概念、理论和方法开始进入众多非技术领域,派生出经济控制论、社会控制论、生物控制论、军事控制论、人口控制论等新学科,促进了系统工程这门更为广泛的学科的诞生。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。用于状态分析、政策评价、态势预测和决策优化等,提供更好的决策和得到更好的经济与社会效益。以计算机为中心的信息系统是社会工程的技术基础,也是工程控制论能用到社会范畴的先决条件。在社会问题的模型抽象和政策优化分析中,经常要用到运筹学、对策论、规划论、排队论、库存论等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。

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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