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控制论与自动化——学生百科全书
 
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控制论与自动化

控制论思想

控制论击毁驱逐舰

1982 年 4 月,英国和阿根廷在南大西洋的马尔维纳斯(福克兰)群岛附

近,展开了第二次世界大战以来规模最大的海空战,也是世界上第一场动用

核潜艇和空对舰导弹以及复杂电子系统的大战。这次海战,双方共出动了数

十艘战舰和几百架飞机,尤其是使用了几十种现代化导弹,在水面、水下、

空中和岛岸进行了封锁与反封锁、空袭与反空袭、登陆与反登陆的殊死较量。

5 月 2 日,英“征服者”号核潜艇在水下发射两枚配有先进制导系统的“虎

鱼”式鱼雷,击沉了阿根廷唯一的一艘 3 千多吨的巡洋舰。5 月 4 日,阿根

廷使用法国制造的“超级军旗式”战斗机,在距英舰央 48 公里左右处,发射

一枚“飞鱼 AM39”型空对舰导弹,一举击沉了英国现代化程度很高、价值约

2 亿美元的“谢菲尔德”号导弹驱逐舰。5 月 25 日,阿方再次使用“超级军

旗式”飞机发射两枚“飞鱼式”导弹,又击沉了一艘排水量为 1.8 万吨的英

国“大西洋运送者”号运兵船。

阿方空军用一枚价值 20 万美元的“飞鱼”导弹,击沉了英国一艘价值 2

亿美元的导弹驱逐舰,使世界各国军事人员目瞪口呆,惊呼导弹在未来的海

战中将起到“关键作用”。战斗结果表明,配有精密制导系统的武器彻底改

变了传统海战方式,双方用不着面对面地舰炮对射,在几十公里乃至几百公

里外就可用导弹发动攻击了。

我们介绍这一战例的目的在于说明这样一个事实:现代导弹装配的精密

制导系统正是自动控制技术在军事上的一个重要应用。

控制论是什么?

控制论研究的对象是包括人在内的生物系统和各种非生物系统(如工程

系统、化工系统、通讯系统、经济系统等)。所谓系统,是由相互制约的各

个部件组成的具有一定功能的整体。

恒温箱就是一个简单的系统。如图所示,构成系统的基本部件是:电源、

开关、加热电阻丝、箱体和执行动作的人。因为我们的目标是要保持恒温箱

内的温度不变,所以这就是

一个控制系统,受控对象是箱内温度,控制方式是接通或断开电源开关。

如果我们希望箱内的温度保持在 20℃(假定环境温度低于 20℃),那么

当操作员观察到温度计的数值低于 20℃时,就合上开关,接通电源加热,使

箱内的温度升高。等升到 20℃,操作员又将开关断开了一段时间后,箱内温

度就会因为散热而下降,这时操作员又得合上开关为箱子加热。重复上述过

程,操作员眼睛观察温度计,手控制电源开关,就能基本上保证箱内的温度

维持在 20℃。

如果我们采用自动控制技术来代替人的劳动,就成为自动恒温系统。它

与人工恒温系统不同的是减少了操作员,但增加了一根弹簧、一个继电器和

有关线路。温度计底部及 20℃处,各有一根导线连到电源上,这些增加部件

的功能就是代替人工操作。当继电器回路的电源接通时,就会产生吸力,将

开关拉开(断开),因此加热电阻不工作(停止加热)。如果继电器回路中

电源断开,继电器不产生吸力,那么开关受弹簧拉力的作用而闭合,接通加

热器回路的电源,加热器开始加热。

这个系统是怎样实现自动控制的呢?原理很简单。因为温度计内的水银

是可以导电的,所以当箱内温度低于规定值 20℃时,继电器回路是断开的,

不产生吸力,弹簧把开关拉紧(闭合),加热器回路有电,电阻丝发热,箱

内温度持续升高。一旦温度升到 20℃时,水银使继电器回路接通,因为继电

器产生的吸力大于弹簧的拉力,所以将开关断开,加热器停止工作。由此可

见,在自动恒温系统中,弹簧与继电器接替了操作员双手的工作——合上或

断开开关;而温度计上的接线相当于人双眼的观察,它能依据箱内是否达到

规定值而使继电器动作,从而实现了自动恒温的目的。

从上面这个简单例子可以归纳出自动控制系统的一个突出特点,即系统

自动控制过程就是信息传递和变换的过程。但是一旦系统中信息传递受阻,

又会发生什么情况呢?我们再以一个美国独立战争时期发生的一件事来说

明。

当时,英国殖民主义者为了巩固它在美国的殖民统治地位和有效镇压美

国人民的起义,曾组织了一次重要的战役。英军指挥者设想一支军队从加拿

大出发,同另一支从纽约出发的军队,在一个名叫萨拉托加的地方汇合,对

那里的起义队伍形成两面夹击的进攻阵势,企图一举消灭起义军队。但是战

役的结果却并不像英军指挥者设想的那样。当其中一支部队到达指定地点

时,却始终不见另一支英军前来汇合,结果形成了孤军奋战的被动局面,惨

遭失败。事后才查明,原因是由于疏忽,行动命令只发给了一支部队,另一

支部队根本就没有接到命令。

显而易见,英军失败的主要原因是信息受阻。其下属根本没有收到上级

的任何指示,因为英军的信息传递只有自上而下(命令),而没有自下往上

的信息反馈。所谓反馈(Feed-back),是指当指挥者控制系统发出的指令信

息(也叫系统输入)输入后,通过系统内部变换后又将信息作用的结果(也

叫系统输出)返回到系统输出端,并根据系统输出与系统输入(规定值)是

否吻合,再对系统施加作用的过程。这也正是控制论创始人维纳所提出的“双

向通讯”的慨念,既有从系统输入到系统输出的正向信息传递和变换,也有

从系统输出端返回输入端的反馈信息。从控制论的观点来看,系统的自动控

制过程正是通过“双向通讯”的信息反馈联系而实现的。信息在系统中的这

种循环往返过程中,不断变换形式,最终实现控制目标。这就是控制论所揭

示的自动控制系统的反馈机制,它是自动控制系统的第二个特点。

反馈机制

在山村野地,一群小鸡在嘁嘁喳喳地寻找食物,时而翻动草屑,时而啄

食幼虫,怡然自得。一只饿鹰从远处飞来,发现了猎物,急速俯冲下来,吓

得小鸡四处逃窜,于是演出了一幕“追踪—逃逸”的活戏剧。在这个 “追踪

—逃逸”系统中,对老鹰来说,目标是小鸡,控制机构是鹰脑 (发出指令),

执行动作的机构是鹰翅、鹰爪和嘴。在整个追踪过程中,鹰借助眼睛不断地

获得反馈信息(即小鸡的位置、速度和方向变化),据此及时调整自己的动

作,直到抓住目标。

从这场“鹰鸡殊死之战”的过程中,我们可以看出信息反馈和反馈控制

的重要性。

其实反馈作为一种技术手段自动控制目标,早在古代就开始了,只不过

那时人们尚未从理论上加以升华。相传早在 2 千多年前,我国和古希腊都曾

发明过水钟(“铜壶滴漏”)。这种简单的装置中就包含了深奥的反馈控制

原理。水钟的基本要求是控制水流的速度恒定以达到准确记时的目的。控制

方式如图所示。

反馈控制早期应用的另一个实例是离心式调速器如图所示。大家都知

道,1768 年,英国工人瓦特(J.Watt,1736~1819 年)发明了蒸汽机,从而

导致了西方国家的第 1 次产业革命。据说瓦特小时候家里很穷,没有上过学,

可是他十分爱学习,特别爱动脑子。一天,小瓦特在厨房里看奶奶做饭,正

巧炉子上的一壶水开了,壶盖“啪啪”地直响,还不断的跳动。小瓦特看了

半天,感到很奇怪,就问奶奶:“什么东西使壶盖跳动不停呀?”奶奶说:

“水开了,壶盖就动呗!”瓦特进一步问道:“为什么水烧开了,壶盖就会

动呢?是不是有什么东西在里面推动它呢?”奶奶看瓦特老是问个不停,就

说:“我不知道,你自己去看吧!”为了弄清壶盖为什么会跳动,瓦特常常

坐在炉旁边仔细观察和思索,后来,他终于搞清楚了,原来,水烧开后,会

产生一股“气”(即水蒸汽),是“气”的力量在推动壶盖上下跳动。瓦特

长大后,正是利用这个道理发明了蒸汽机。

为了进一步解决蒸汽机所推动的机械装置的速度控制问题,1788 年瓦特

在系统中采用了离心式自动调速器。据估计,在 19 世纪中,仅英国就有 7.5

万台装有瓦特调速器的蒸汽机装置。我们又一次看到了反馈控制的神奇魅

力。

有趣的是,我们人体本身几乎处处都具有高速复杂控制能力的反馈控制

系统。不知大家注意过没有,人体在正常状态下,无论春夏秋冬环境如何变

化,都能保持体温、血压、血糖浓度、呼吸和心跳率基本恒定。大多数动物

也具备这种功能。但是大家是否知道人类和动物如何实现这种自我调功能的

机理呢?说白了,关键还是反馈控制的功劳。人体内显然没有像继电器、温

度计和调速器这一类东西,而是依靠更为复杂的生物化学或生物物理过程来

“检测”各种生理变化的。例如,血液中葡萄糖浓度若偏离标准值,人体检

测到这条信息后就会由大脑中枢神经发出控制胰岛素分泌的命令(信息),

由胰岛素分泌量的变化来调整血糖浓度使之恢复到正常值。同样的,人体内

各种分泌和神经系统,每时每刻(即使当你睡着的时候)都在参与各种自我

调节活动,以保持人体内部状态和心理状态基本稳定。这些自我调节过程和

我们前面介绍的自动恒温、离心调速器的原理基本上是一致的。

反馈控制的概念还可以应用到更为广泛的领域,如教师讲课时,在认真

讲授书中内容的同时,还密切观察同学们的反应,并随时提问,课后批改作

业。这后面的三种方式就是为了获取反馈信息,以检查同学们掌握教学内容

的程度,并根据这些信息调整讲授方法和进度,确保教学质量。

反馈机制对于人们的各种社会实践活动也具有十分重要的意义。就拿企

业管理来说吧,管理也是一种深奥的控制活动,必须紧紧抓住信息反馈这个

关键环节。管理没有信息反馈,只有上情下达,而无下情上达,就必然会脱

离实际而出乱子,企业也会弄得一塌糊涂。同样,对经营决策者来说,市场

信息的反馈也是至关重要的,不注意市场需求变化而关起门来盲目生产的决

策者,必然会导致企业亏损,甚至倒闭。

从上面的讨论可以看出,信息概念和反馈思想是控制论的两个基本出发

点。

陀螺与航行自动控制

大家小时候可能都玩过陀螺,当你掌握了正确方法用鞭子抽打它几下以

后,它就会尖顶朝下竖起来,并绕其轴线旋转而不倾倒。

可别小看陀螺这小玩意儿,人们正是根据其自旋不倒的原理而设计制造

出了五花八门的精密陀螺仪,为各种飞行器(如飞机)、导弹、人造卫星等)

的飞行自动控制奠定了基础。尽管陀螺仪的外表看起来与常见的陀螺不大一

样,其大小也不尽相同(如用在飞行仪器上的陀螺仪最轻者只有几十克重,

而一个稳定核潜艇的陀螺仪却重达 55 吨),但是基本原理却并无二致。

陀螺仪对于现代飞行控制系统来说可谓举足轻重。它不仅对整个系统的

工作起着决定性作用,而且它的精度高低、可靠性程度和使用寿命长短等指

标,对飞行器的稳定性和精确性都有着至关重要的影响。

陀螺仪的最早应用领域是航海事业。19 世纪人们广泛利用陀螺仪标定航

向,在漫长的航海史上写下了新的一页。从 20 世纪 40 年代开始,陀螺仪便

在导弹武器及航空航天事业上得到广泛应用,其稳定性和工作精度也随着科

学技术的进步和工艺水平的提高而迅速提高。目前陀螺仪已有滚珠轴承、气

浮、液浮、挠性、激光等类型。

陀螺仪在高速旋转时,能够抗拒任何外力和干扰的影响,保持其自转轴

相对于惯性空间方向上稳定不变。当飞行器的飞行姿态偏离了预定正确方

向,陀螺仪在转轴与飞行方向之间的夹角便发生了变化,飞行器上的检测元

件立刻就可测量出来,并同时发出控制信号,通过执行机构的作用使飞行器

的状态恢复正常。因此,这种自动控制系统也叫做“姿态稳定系统”。

陀螺自转轴方向不变的原理除应用于导弹的制导和飞机姿态控制以外,

在宇航技术中也同样得到广泛运用。例如陀螺仪用在人造卫星上,可以保证

人造卫星不受外界干扰而稳定运行在预定轨道上。不论人造卫星绕地球转到

哪个位置或受其他什么外界干扰,卫星上的陀螺仪始终是指向空间某一预定

方向。

小小的玩具陀螺和精度日益提高的陀螺仪竟具有完全相同的原理,初看

起来似乎觉得有点不可思议,其实这正是大千世界中存在的客观规律。许多

表面上看来非常简单的东西,却蕴藏着深奥的科学道理,关键在于我们要认

清其本质规律,从而推动社会向前发展。

英国科学巨人牛顿从苹果落地而不是飞向空中这样一个司空见惯的现象

中,发现了苹果从树上落到地上与其他行星绕太阳运行都遵循着同样的法则

——万有引力定律,并且计算出了太阳系中各行星绕太阳旋转的轨道和周

期,一下子把几百年来争论不休的是“日心学说”正确还是“地心学说”正

确的问题解释得一清二楚。科技发展史表明,科学上许多原理和理论,常常

是经过一段模糊时期后突然为人们所认识。细心的读者是否会从中得到什么

启迪呢?

自动控制与电子战争

现代科学技术的发展,使电子技术在军事上的应用日益普及。现代化的

武器装备,如大炮、坦克、飞机、军舰、导弹等,都配有相应的雷达、通讯

设备及红外线或激光装置。然而历史的发展规律总是“有矛就有盾”。有了

电子技术的应用,就会有电子技术上的斗争,这样现代战争中就出现了一个

崭新的竞争领域——电子对抗和电子干扰,或叫做电子战。

所谓电子对抗,是指敌对双方利用电子设备和能够反射、吸收电磁波的

器材的电子斗争。电子对抗的历史可以追溯到本世纪初。当无线电刚开始在

军事通信中应用时,以截获和破译敌方情报为特征的简单的无线电通信对抗

就萌芽了,并揭开了电子对抗的序幕。二次大战以来,炮瞄雷达、导弹制导

雷达和飞机截击雷达相继问世,大大提高了武器命中率。与此同时,围绕着

兵器控制与反控制展开了更激烈的电子对抗。

我们知道,雷达和无线电通信是现代社会当之无愧的“千里眼”和“顺

风耳”。而电子干扰却能把敌人的“眼睛”和“耳朵”封住,使它们成为“瞎

子”和“聋子”,或者巧施妙计,使敌人上当受骗。比如,利用雷达干扰发

射机作为干扰源,可以发射或转发某种电磁波来压制敌方的电子设备,使它

们无法正常工作。我们平时收看电视都有体会,如果附近有电子干扰(如汽

车发动机或电焊机等工作时所产生的干扰),电视屏幕的画面就会发生畸变,

干扰越强,画面畸变越厉害。同样,当飞机或舰艇上的雷达接收机受到干扰

压制后,在雷达距离显示器屏幕上会出现参差不齐的“茅草”。干扰电波的

能量越大,“茅草”长得越高,把本应能够发现的目标信号给掩盖住了,因

为此时目标信号完全淹没在干扰信号中了。而且,无线电通信设备受到强烈

的电磁干扰后,耳机中充满了杂乱刺耳的噪声,也无法进行正常的通信联络。

另外一种电子对抗手段是欺骗性干扰。其原理是用干扰发射机或无线电

台巧妙地模仿敌方信号使敌人上当受骗。对雷达的欺骗性干扰,可使雷达在

测定目标、方位、速度时产生错误,破坏雷达跟踪或制导,使敌方火炮、导

弹击不中目标。无线电通信欺骗干扰还可以冒充敌台通报、通话,搅乱敌方

通信,达到以假乱真的目的。

电子干扰技术在第二次世界大战中为盟军 1944 年 6 月在法国诺曼底登

陆,并最终消灭德国法西斯军队立下了汗马功劳。当时盟军的具体作法是:

(1)将计就计,实施欺骗。纳粹德军统帅部曾武断地认为联军将在加莱

地区登陆。英美联军将计就计,在多佛尔设置了一个假司令部电台群,不断

发出内容适当的电报,故意泄密,造成联军将在加莱登陆的假象,使希特勒

陷入圈套。

(2)严密侦察,挖睛扫障。英美联军对德军部署在法国沿海一带的雷达

站、干扰站、警报台和电台进行严密侦察,并做到了如指掌。在登陆前夕,

又派出轰炸机和战斗机进行大规模袭击,摧毁了德军所有的干扰台和 80%以

上的雷达站,挖掉了德军的“眼睛”,并保证了联军雷达和电台的正常工作。

(3)巧布疑阵,声东击西。登陆前夜,英美联军用一群群小船装着角反

射器,拖着涂铝汽球等用于干扰的物体驶向加莱地区,使残存无几的德军雷

达误将小船队视为大批飞机掩护下的大型进攻舰队,牵制住了加莱地区的大

量德军,减少了联军在诺曼底登陆战中的阻力。

(4)施放干扰,出奇制胜。登陆开始时,英美联军出动 320 架干扰飞机

迷惑德军残存的雷达,掩护了飞向战区的大批战机。庞大的突击舰队始终隐

蔽前进,只是在距登陆地点 10 海里时,因发动机响声才被德军发现,然而联

军 5 个师 20 万人的突击部队的登陆已是势不可挡了。

60 年代以来,还出现了一种反雷达导弹,是专门用来对付敌方雷达的导

弹。其原理是利用敌方雷达发射的电磁波作引导,跟踪其信号直捣老巢,最

后摧毁敌方雷达站。反雷达导弹第一次出现在战争舞台上是 1965 年,当时美

国利用“百舌鸟”反雷达导弹,攻击越南的高炮阵地。装备“百舌鸟”导弹

的飞机,一般先在地面防空高炮火力有效射程外盘旋,引诱敌方雷达开机搜

索,然后捕捉其信号,再发射导弹予以摧毁。这种武器曾严重破坏了越南北

方地面雷达系统。其后,在中东战争、英阿马岛战争、两伊战争中,反雷达

导弹都显示了巨大的威力。

“最优化”思想

在日常生活中,我们都有这样的经验,无论干什么事都希望以最小的代

价获得最大的成功。例如上街购买东西时,我们总是挑那些质量好、外形最

美观、价格也便宜的商品;在学习上,我们喜欢掌握最好的学习方法,以便

在最短的时间内取得最好的学习成绩;在工作时,我们更愿意用最轻松愉快

的方式来取得最满意的工作效果。这些看似平常的日常现象,其中包含了现

代控制理论中的“最优化”思想。将上述这种“最优化”的观点应用于工程

实践,便产生了在社会生活各个方面得到广泛应用的最优控制技术。

最优控制理论的发展是伴随着“最优化”概念的提出而开始的。在第二

次大战期间及以后的一段时间内,应战争和军事防御上的需要,以提高大炮

发射命中率为主要目标的自动控制系统(通常叫做伺服系统)的技术日臻完

善。但是,随着社会的发展,简单的反馈控制已经难以满足工程实践的要求,

传统的系统设计方法也无法实现日渐增高的性能指标。在这种情况下,科学

家们通过大量的研究,于 50 年代初提出了最优化的概念,并试图对控制对象

施加最优控制。但由于理论上尚不完善故未能真正实现。直到 1960 年前后,

由于在控制理论中引入一系列新的研究方法和数学成果,推出了最优控制所

必须满足的必要的充分条件后,才使最优控制的应用逐渐普及,并成为 60

年代自动控制领域的热门课题。特别是空间技术的迅猛发展,更进一步推动

了最优控制理论向前迈进。举个例子来说,为了使宇宙飞船登月舱能以最小

的燃料在月球表面准确、平稳地实现“软着陆”,即落到月球表面时的速度

恰好为零,以避免与月球表面发生碰撞而损坏舱内设备,必然选择合适的控

制方式来改变火箭发动机的推力。这就是所谓的“月球软着陆”问题,也叫

做“燃料最省控制问题。”

再举一个例子:坐电梯。开关一按,哧溜一下就到了几十层的大楼顶上。

电梯省时省力,是现代科学和文明的产物。不过,应当怎样来控制电梯的运

动,使它能以最短的时间到达顶楼(或从楼上下到地面)地面呢?也许有人

会说,这还不简单,让电梯始终以最快的速度直上(或直下)不就行了么!

其实仔细想一下就会发现这种控制方式是不行的。因为当电梯以最大的速度

冲向楼顶(或地面)时,必然会发生剧烈的碰撞而造成设置损坏甚至人员伤

亡。因此必须运用科学分析的方法,制定合理可行的控制方案,既要保证电

梯上升(或下降)的时间最短,又要让它到达楼顶或地面时速度恰好为零。

这也是一个最优控制问题,我们称之为“时间最优控制问题”。

为了解决各种各样的最优控制问题,人们找到了许多方法,其中有两种

最有成效。一种是美国学者贝尔曼于 1953~1957 年间研究提出的“动态规

划”;另一种是前苏联学者庞特里亚金于 1956~1958 年间创立的“极大值原

理”。

变色蜥蜴的启示

“变色龙”,也叫“变色蜥蜴”,它能够自动适应周围环境的变化,随

时把皮肤颜色变成与它所附着的物体相同的颜色(俗称保护色)。变色龙这

种难能可贵的变色本领具有极好的伪装效果,通常不会为凶猛野兽识别,从

而达到保护自己免受其天敌袭击或吞食的目的。

我们人体本身也同样具有适应外界环境变化的巨大能力。如人的体温,

无论酷暑严寒,总能保持在一个相对恒定的水平上。

人们从生物体具有自动适应外界环境变化的能力这种自然现象中受到了

很大的启发。如果人们设计的自动控制系统也能够在外界条件发生变化时,

仍然保持最优运行,岂不是美事一桩吗?正是在这种思想支配下,人们提出

了自适应控制(Adaptive Control)的概念。

前面我们已经介绍了,反馈控制的基本思想是利用系统输入(受控量)

与希望值之间的偏差来控制系统的行为,使误差趋近于零。但实际上,由于

多数受控制对象的特性很难准确掌握,内部参数也随环境而变化(如电阻会

随温度变化),外界条件会随时波动(如电压波动),而且这些变化通常是

无法预测的,所以,人们在对原系统进行控制的过程中,该系统的特性实际

上已经发生了不同程度的变化。事先确定的最优控制在内部参数和外部环境

变化后,可能已不再是最优方案了,因此只有设计一种随内部参数和外部环

境变化而自动调整系统特性的控制方式,才能保证控制系统始终处于或接近

最优运行状态,这种系统就是自适应控制系统,具有自适应能力的控制器叫

做自适应控制器。

自适应控制的设想,最先是由考德威尔(W.1.Caldwell)于 1950 年提出

来的。1958 年美国麻省理工学院的怀特克(H.P.Whitaker)教授首先应用自

适应控制方法设计了飞机自适应自动驾驶仪。

自适应控制系统的两个基本功能是:①能够自动检测和分析受控对象的

特性以及系统所处环境的变化;②能够根据从环境和系统内部检测到的信息

得出决策,适当改变系统的结构或参数以及控制策略,以保护系统在任何情

况下都能稳定和最优运行。要实现这两种功能,显然必须进行大量的复杂计

算和推断,所以自适应控制系统离不开现代社会的“天之骄子”——电子计

算机的帮助。可以说,没有电子计算机的参与,要实现系统的自适应控制是

不可能的,正如“巧妇难为无米之炊”。

如前所述,飞行器的控制是较早应用自适应控制技术的。大家知道,飞

行器飞行的高度和速度会随着高空中云层、气流等环境的改变而发生剧烈变

化,飞行器的动力学参数也会产生较大波动,依靠常规的反馈控制往往难以

获得令人满意的控制精度。现在,采用带电脑的自适应控制系统可以实现良

好的飞行。此外,大型船舶的自动驾驶仪是自适应控制技术成功应用的典型

范例。

海上航行,环境复杂,气候多变,随时会出现一些意想不到的情况,如

海浪、海潮、台风等。采用船舶自适应驾驶仪后,则可以克服风、流、浪、

水域深度、船舶装载重量及其他不可预见的因素对船舶操纵性能的影响,确

保船舶在各种环境条件下能量消耗最小,并安全准确地航行。目前,瑞典、

日本和英美等国已生产出许多性能良好的产品投放市场。由于采用这种自适

应驾驶仪后,航速可提高 1%,估计每条远洋轮船可节省燃油 3%,因此具有

明显的经济效益和社会效益。

在医院,当有重病患者需急诊抢救时,往往要对患者进行长时间的输液

治疗,这对医护人员是一个很重的负担。日夜值班守护,一时疏忽就可能酿

成重大事故。但如果采用自适应监护系统,就可以日夜不间断地监测病人的

脉搏和心电图,及时获得病情信息,并根据病人病情变化自动调整输液量。

这样不但减轻医护人员的工作负担,还可明显提高治疗效果。

此外,自适应控制技术还广泛应用于工业、农业、石油勘探与开发、资

源分配、宏观经济调控等各个部门。

自适应控制系统的进一步发展,将走向所谓“自学习”、“自组织”和

“智能控制”系统。这些系统除具备一般自适应功能外,还能够自动记忆本

系统过去的经验和教训,回忆过去曾经发生的情况,并基于这些信息改进系

统的自适应功能。或许在不远的将来,通过读者朋友们的辛勤劳动和创造,

在自动控制领域内将产生更加惊人的突破。

“黑箱”问题

今天,人们在许多科学研究领域,都可以碰到“黑箱”这一概念,但它

并不是指一只真正的黑色箱子,而是控制论中的一个重要概念。作为一种近

代科学方法,黑箱方法已越来越受到人们重视,并且与现代科学技术手段联

系在一起,广泛应用于社会生活实践中。

1945 年,控制论的创始人维纳在一篇文章中写道:“所有的科学问题都

是作为‘闭盒’问题开始的”,“若干可供选择的结构被密封在‘闭盒’中,

研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出。”维纳所说的闭盒,也就是

我们今天所说的黑箱。

到底什么是“黑箱”呢?粗略地说,所谓黑箱是指它的内部构造和机理

还不清楚,但可以通过外部观测和试验来认识它的功能和特征。在现实生活

中,许多客观事物,当人们还不可能,或客观条件不允许深入解剖其内部细

节(因而无法详细了解其内部结构和特征),都可以把它看做是黑箱。为了

让读者对黑箱概念有个形象化的认识,我们先从“大脑之谜”说起。

“大脑之谜”,也叫做“身心问题”,在科学研究史上是一个长期以来

没有得到圆满解答的难题,无数科学家和哲学家倾注了毕生的心血进行过深

入探讨和研究,提出了种种假设和理论。思维究竟是怎样从物质中产生出来

的?大脑功能的具体活动机制又是什么?要解答这一系列问题可不是一件容

易的事。人们可以用物理上的分割法,研究物质的结构和属性;也可以用化

学分解和合成的方法来了解不同物质的成分。但这些方法,对研究大脑的思

维功能却是鞭长莫及的,因为即使按这些方法的要求,将大脑打开,解剖分

析,也只能是对失去思维功能的大脑物质的认识。这样,在科学研究面前,

大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现,而无法深入其内在了解其机制

的难题。它就像一个不能打开的箱子一样,里面的一切对于我们来说都是黑

乎乎的,一无所知。

在高能物理中,就有如下一个事实:当物质被高度分割后,就会出现不

能再分割的微粒,这时人们只能借助科学仪器来观察其行为,而无法再通过

分割来了解其内部结构。对于这类问题,必须开辟新的研究途径。幸好控制

论中提出的黑箱研究方法,为我们研究这类问题提供了可能。

所谓黑箱方法,指的是当一个系统内部结构不清楚时,利用外部观察和

试验方法,获得系统(即黑箱)的输入——输出特性;再根据这种信息,在

不打开“黑箱”的情况下,研究其功能和属性,探索其构造和机理的一种科

学方法。人们常说“知人知面不知心”。如果说人相当于一个黑箱的话,那

么我们可以通过“听其言,观其行”而“知其心”,这是一种行为分析的方

法。

黑箱方法的道理并不神秘,在我们的日常生活中,人们都在自觉或不自

觉地运用这种方法。比如说看电视,如果说看电视必须要懂得电视内部结构

和工作原理才行,那恐怕能看电视的人就不会很多了。然而,人们虽然不懂

得电视机内部构造和机理,却知道按哪个开关打开它,调整哪些开关可以得

到清晰稳定的画面效果,什么情况是出了故障,等等。这些都是我们运用黑

箱方法的具体体现。不过黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病,主

要是通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断,开方抓药。有时遇到疑

难杂症没有把握时,可以先投以试探性的药物,观察病人的反应,并随时增

减药物,观其疗效,一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征

入手,实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。上面所举的例子,

主要是让读者对黑箱方法有个基本的认识,但是控制论的黑箱方法,作为一

种科学研究方法,具有自己的特点和独特表达方式。随着科学技术不断发展,

对系统进行动态观测的黑箱方法,已发展成为现代控制理论的一个重要分支

——系统辨识。辨识,指的是通过外部观测系统得到系统的输入 -输出数据,

然后用数学方法确定系统的结构和参数,求得定量描述系统动态特性的数学

模型,并在此基础上,实现对系统的最优控制。

“人狮搏斗”中的控制论思想

意大利古罗马斗兽场内,座无虚席、人声鼎沸,一场残酷的人狮角逐正

在这里进行。只见“兽中之王”大吼一声,猛地一扑,向角斗士直扑过来,

而那位健壮刚强的小伙子却敏捷的闪开了??奴隶主们注视着这一惊险纷呈

的场面,不由得大声叫喊起来,或者得意忘形,或者懊丧至极。原来,他们

正在进行一场奇导的赌博,而且下了一笔可观的赌注呢!

在这场雄狮与奴隶的生死搏斗中,狮子总想尽早扑住对手美餐一顿,而

人则要设法躲避求得安宁。这是一场惊心动魄、扣人心弦的角斗。但是,谁

又能料到,在这场事件背后竟然蕴含着深奥的对策论的朴素思想呢?

拿活生生的人去与残忍的雄狮角斗取乐,这在世界文明的今天是不可思

议的,然面在古罗马的奴隶制社会却是司空见惯。假如您读过小说《斯巴达

克思》的话,您就会不以为怪了。

对抗的双方都要运用自己的聪明才智,充分发挥自身的优势,尽量利用

对方的弱点,选择最优策略,最终战胜对方。对策论就是一门利用数学的观

点和方法研究竞争或斗争现象中,是否存在一方战胜另一方的最优策略以及

如何制定最优策略的科学。由于我国古代把下棋玩牌这类活动叫做博奕,所

以对策论又叫博奕论。

对策论的相互思想还可以追溯到公元前若干世纪。其中我国古代田忌赛

马的故事已成为脍炙人口的对策问题的范例。这个故事给我们这样一个启

发:只要策略得当,实力并不是取胜的唯一因素。这也深刻地反映了对策的

极端重要性。

对策论虽然渊源久远,但它真正成为一门独立的学科,还是 1944 年数学

家冯·诺依曼和经济学家摩根斯坦合著的 《对策论与经济行为》一书出版以

后的事。而该书则被认为是对策论发展的一块里程碑。冯·诺依曼不仅创立

了对策论,他还是电子计算机的奠基人。1946 年以后,由于电子计算机的发

明和应用,大大简化了对策论中的复杂计算,才使对策论不再仅仅是纸上谈

兵了。进人 60 年代,对策论与最优控制相互渗透,使对策论得到了长足的发

展。

在对策论发展的基础上,美国的依萨克斯博士通过对军事上追逃问题的

深入研究,开创了微分对策的研究工作,提出在追逃问题中,追逃双方都能

自由决策的新的对策,即微分对策理论。

形形色色的对策现象,一般都具有三个最基本的要素:(1)局中人。具

有决策权的参与对策的各方叫做局中人。局中人既可以理解成个人(如狮子

与奴隶、齐王与田忌等),也可以理解成集体(如参加比赛的球队)。从人

类与大自然进行斗争的角度理解,也可以把大自然作为局中人,同时把那些

得失一致的参加者看作是一个局中人。(2)策略集。对策过程中每个局中人

可以采取的方案称为该局中人的策略。一个局中人可能采取的所有策略则称

为他的策略集。(3)得失函数。一局对策结束之后,每个局中人都有自己的

得与失,它与各局中人所采取的策略有关,故称为得失函数。

只有两个局中人的对策叫二人对策,三人以上叫多人对策。在二人对策

中,如果胜者之所得就是负者之所失,双方得失之和为零,则称此种对策为

二人零和对策。实际生活中许多问题都可以归结为二人零和对策问题,如人

狮之斗、田忌赛马及各种追踪问题。如果对策各方得失之和大于零,即是互

相协助、合作的,则称这种对策为合作对策。

对策论的应用很广,尤其是作为新一代更复杂的微分对策理论,由于与

控制理论特别是最优控制理论紧密相联,已经能够解决许多实际问题,在军

事部署、自动控制、海洋捕捞、农业抗灾、贸易竞争、外交谈判、疾病医治

以及各种体育比赛中被广泛应用。进入 70 年代后,对策论更加向纵深发展。

如模糊数学是新近发展起来的一个数学分支,在对策论中也得到了应用。借

助模糊数学,可开辟对策论研究的新领域,用以探讨如周围环境、对策策略、

合作关系等在模糊情况下的对策问题。

毋庸讳言,对策论,尤其是微分对策理论,毕竟还只是一门年轻的科学,

其理论和应用不论在广度或是深度方面都有许多问题,等待着广大有识之士

去开垦、去发掘、去探讨。相信在不远的将来,在对策论这片土地上,会绽

开更多、更美的花朵。

控制论的发展

控制论在科学史上的位置

在人们认识世界、改造世界的漫漫长夜中,不时闪烁着智慧的火花;在

广阔的科学处女地上,遍布着开拓者们的足迹。环顾仰视,我们不难发现一

座座人类科技史上的丰碑。

这里是牛顿等著名科学家建造的一座宏伟殿堂——经典物理学,它庄

严、博大、精湛。那浑然一体的坚强柱石,那硕大的穹隆,无不令人肃然起

敬。它不愧是一代科学之宫,领导了 200 多年的世界科学潮流,造成了以机

器、轮船、铁路、电力、汽车和飞机等为代表的工业革命。

然而,较之本世纪初比肩崛起的另两座巍巍丰碑-量子力学和相对论来

说,经典物理学之宫却显得低矮陈旧了一点。站在这两座丰碑之巅,人类的

视野更加开阔,科学技术开始冲破传统范围,导致了本世纪整个自然科学在

纵深方向的一场革命,形成了探测微观世界和洞察宏观宇宙的两个前沿阵

地。

不过人们也注意到,量子力学、相对论领导的这场自然科学革命,尽管

它的理论高度大大超过了经典物理学体系,却没有像经典物理学那样引起生

产与社会文明的爆发性飞跃。

正当物理学家们步履艰难地迈着沉重步伐攀登之时,人们惊奇而又欣喜

地发现:一个前所未有的科学技术与生产突飞猛进的新时代,就诞生在第二

次世界大战的废墟之上。它并不直接来源于自然科学纵深方向的发展,而是

来源于科学技术的横向突破。新时代的科学技术革命几乎深入到人类活动的

所有领域,汇成了波澜壮阔的强大浪潮,并迅速构筑了那一片高耸入云的摩

天大厦,而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和控制论,简称为三

论。

无论是系统论、信息论,还是控制论,都与以往的任何学科不一样的,

它们不是以客观世界的某种物质结构、属性和运动形式作为研究对象,而是

一类别开生面的“横断科学”,就控制论而言,是似各种物质结构及其内部

运动规律的共同特点——信息传递和变换为研究对象,即研究各种现实系统

共同的控制规律。它既不限于自然科学,也不属于社会科学,而是横跨各个

学科,超出了其他学科的局限性,为各门学科找到了共同的内涵。控制论揭

示了机器与生物系统信息控制的共同规律,把反馈控制的原理扩展到生物、

经济和社会系统,为后来控制理论在非工程系统中的应用提供了理论基础。

究其本质而言,控制论是一门方法论学科,它是集当代哲学、社会科学、自

然科学和数学之大成而产生出来的多学科综合体,即具有形成结构上的多学

科性,研究方法上的综合性等显著特点。因此,控制论享有“交叉科学”、

“边缘科学”和“横断科学”的美称。

我们可以看到,当今众多的学者和科技人员,都在他们自己的领域,如

政治学、经济学、社会学、工程学、生物学、医学、教育学等方面,探讨和

运用以控制论方法为主的现代科学方法。控制论与每门学科的具体方法有机

地结合以后,又产生了一个又一个的边缘学科。

控制论的诞生

美国科学家维纳是世界公认的控制论的奠基人。他于 1048 年出版发行的

《挖掘论》一书被认为是控制论学科诞生的重要标志。

说起维纳创立控制论学科的过程,还有一段传奇般的故事呢!

那是在本世纪 30 年代末期,美国马萨诸塞州府波士顿市附近的剑桥,一

家装修并不豪华的小酒店里,每月都可看到一群年轻人在这里围着了一张大

圆桌饮酒、交谈。有的衣冠楚楚、西装革履,有的衣衫不整、不修边幅,让

人猜不透这群人的真实身份。他们偶尔轻言细语偶尔又争论不休。交谈和争

论的话题也是海阔天空、相当广泛,涉及数学、物理、生物、医学、工程、

机械、社会、经济等。他们的思想和观点,在当时是非常新颖而略显出格的,

但听了使人耳目一新。

别以为这是一群年轻人在发酒疯、过酒瘾,其实是哈佛医学院的神经生

理学家阿托罗·罗森勃吕特博士领导的关于科学方法论的午餐讨论会。讨论

会的成员包括许多学科的年轻科学家,大都在本专业和其他科学领域有着广

博的知识,思想异常活跃,具有独特的科学见解。该讨论会的一些积极成员,

后来都成为名闻遐迩的大科学家,如诺伯特·维纳 (创立控制论)、冯·诺

依曼(V· Neuman)(计算机科学之父)、C.E.申农(Shannon)(信息论的

奠基人)等。

正是因为积极参与这个讨论会,维纳的思想受到极大的影响。首先,维

纳认识到,在科学发展上可以得到最大收获的领域,是已经建立起来的各门

学科之间容易被人忽视的科学边缘(维纳称之为“科学处女地”)。控制论

的创立正是他在这块“科学处女地”上辛勤耕耘的结果。其次,讨论会集中

了大批的各种学科的杰出人材,讨论中往往是从不同科学领域的不同角度去

谈论问题,同时也从本学科的角度去理解别人提出的问题。这使维纳极大地

开阔了眼界,增长了见识,活跃了思想,融汇贯通了他自己过去在许多领域

中的独特见解。再加上他本人渊博的知识,以及与几位合作者(如罗森勃吕

特、别格罗以及当时在麻省理工学院任教的中国学者李郁荣博士等)的共同

研究,最后才形成了控制论的基本思想。

诺伯特·维纳不仅勤奋好学,还十分聪慧。正如他自己在自传 《昔日神

童》中写的:“我曾经是个名副其实的神童。因为我不到十二岁就进入大学,

不到十五岁就获得学士学位,不到十九岁就成了哈佛大学的哲学博士。”他

又是一位数学家,曾经在赫赫有名的英国数学家罗素教授的影响下专攻数

学,在纯数学理论上取得了很大进展。但是他成长为一个著名的数学家却相

当缓慢。他从小无书不读,家庭教育过分苛刻,使他成为一个性格奇特的人。

他对数学、物理学、博物学等许多学科都有着浓厚的兴趣,加上他严谨的科

学态度、孜孜不倦的探索精神和敢于创新的意识,使他成为一个对社会、对

人类大有贡献的杰出人物。

钱学森与控制论

与控制论其他分支比较起来,工程控制论是最早形成的一门学科,其研

究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法,

在各自领域内开展研究。工程控制论,也就是人们通常说的控制理论,是我

国著名科学家钱学森创立的。他于 1954 年出版的专著《程控制论》,标志着

这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理

作了全面总结和探讨,奠定了工程控制论的基础,指出了工程控制论的发展

方向,推动了自动化技术在工程中的广泛应用,是世所公认的工程控制论经

典著作。

纵观控制理论几十年的发展过程,人们习惯上把它分为经典控制理论、

现代控制理论和大系统理论 3 个阶段,下面我们就分别加以叙述。

1.经典控制理论(40~50 年代末)

本世纪 40 年代,为了改善工业自动调节系统,特别是第二次世界大战中

为解决军事装备自动控制系统的性能,逐渐形成了以分析和设计单变量(即

一个物理量)控制系统的经典控制理论和方法。这期间,着重研究的是单机

自动化或局部自动化。例如,用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电

压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准、飞机、舰艇的

自动导航和舵位控制系统等。经典控制理论应用于工程实践,最成功的例子

是美国的陆军于 1944 年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜

索和跟踪目标(敌机),同时控制高炮自动对准飞行中的敌机,自动计算出

炮弹发射方向,自动装入定时起爆引信,炮弹自动上膛和发射,直到击落敌

机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程,居然能够全部自动化,而且

比人操作更灵巧,命中率也高得多,在当时看来,的确是个奇迹。

2.现代控制理论(60 年代初~现在)

50 年代以来,控制理论在航空航天部门的应用进展很快,许多更复杂、

更精密的自动控制系统相继出现,如自寻目标导弹、人造卫星、登月飞行、

火星着陆、载人飞船等。与此同时,随着电子计算机技术的发展和普及,许

多重要的工业生产部门也逐渐由局部自动走向综合自动化,因为这样可以最

大限度地提高劳动生产率和产品质量,节约原材料和能源,从而实现现代化

生产的最优化。

随着自动化水平的不断提高,控制系统本身也日渐复杂,系统中的控制

变量数也随之增多,对控制性能的要求也逐步提高,很多情况都要求系统的

性能是最优的,如时间最短,误差最小、燃料最省、产量最高、成本最低、

效益最大等,而且要求对环境的变化有较强的适应能力,但现在所依据的稳

定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了适应航空航

天事业和生产综合自动化的需要,1960 年出现了以状态空间描述为基础,以

最优控制理论为核心的现代控制理论。现代控制理论这一概念,最早是在

1960 年由美国著名科学家、控制理论界权威人士卡尔曼(R.E.Kalman)(时

年仅 27 岁)提出的。其主要标志是卡尔曼提出的能控性和能观测性的新概

念,还有贝尔曼的动态规划和庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼滤波器。

3.大系统理论(70 年代初~现在)

70 年代以来,控制理论向深度和广度进一步发展,进入了所谓的“大系

统理论”阶段。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和

最优控制等问题,所以在国际上受到了日益广泛的重视。一方面,许多国家

的研究机构、大学、军事部门,都在积极进行各种大系统的研究、分析、设

计等工作;另一方面,国际上相继成立了跨国的大研究机构,如 1972 年在维

也纳成立的国际应用系统分析研究所(ⅡASA),旨在专门研究涉及全世界范

围的大系统问题,如地球资源问题、能源问题、人口问题、世界模型等。

但是,什么是大系统呢?因为它尚处于不断发展和完善之中,很难给它

下一个确切的定义。通常所说的大系统,指的是包括工程技术、社会经济、

生物、生态等各个领域的复杂系统。如各类文献中提到的大型钢铁厂、化工

厂的多级计算机控制与管理系统;区域性火力电网的动态稳定、自动保护与

最佳运营系统;水源供应系统、农田水力灌溉网、输油、输气管道系统;铁

路、航空、城市交通管理与控制系统等等。

现代经济控制论

对于一个家庭而言,每个月的经济总收入是有限的,而要消费和支出的

项目又很多,如衣、食、住、行,购买书籍、文具和其他娱乐消费等。如何

合理安排和控制各项开支,做到既满足生活要求,又能略有节余以应不时之

急需,乃是家政管理的一大学问。

对一个家庭是如此,对一个企业、一个地区乃至一个国家,更是如此。

国民经济发展水平,是衡量一个国家综合国力的重要依据。而对国民经济的

宏观遥控和微观搞活,就正如一个善于理财、精打细算的好管家对于一个家

庭一样,是国民经济适度增长的必要保证。

经济学,作为一门完整的学科,已有数百年的历史。发展到今天,就像

是一棵大树,深植在社会经济活动的土壤中,其粗壮的主干上分枝丛生,花

繁叶茂,色彩缤纷。近几十年来人们尝试用控制论的思想和方法给这棵古老

的参天大树嫁接上一枚并不显眼的新芽。在斗艳争芳的盛况中,在绿叶浓荫

的掩映下,这枚嫩芽默默地成长着。通过母体发达的根系吸收土壤中的养分,

以自己强大的生命力,迅速成长壮大起来。短短时间里,崭露头角,成了经

济学这棵大树上独树一帜的新分支——经济控制论。特别是近十几年来,这

一新的分支更是奇葩竞放,硕果累累,令人刮目相看。

我们说,控制论与经济学的结合产生了新的边缘学科经济控制论。但这

并不意味着是先有控制论,而后才有经济控制论。事实上,早在控制论诞生

之前,从古典经济学起,就有大量的经济学者在研究经济系统的调节、反馈、

控制及稳定性问题,只是他们还没有上到控制论的高度来分析罢了。很明显,

无论是古典政治经济学家还是现代经济学家,都在一定程度上认识到价值规

律对经济发展起着重要的“调节器”作用,任何一种社会经济过程中都存在

着某种自动调节与控制现象,用控制论的术语来说,就是“负反馈调节”。

经济控制论的最终形成是建立在现代自然科学和社会科学基础上的。

1952 年在法国巴黎召开的世界控制论大会上,与会学者首先提出了“经济控

制论”一词。1951~1953 年间,美国加利福尼亚大学史密斯教授运用电子模

拟装置模拟资本主义经济体系,分析体系的稳定性和各种干扰影响的反应,

指出了资本主义危机的必然性与周期性。1953 年,英国电子工程学教授 A.

图斯丁(A· Tustin)发表了《经济系统的机制》,把二次世界大战中发展起

来的经典控制理论应用于进行控制的问题上,1954 年和 1957 年,美国数学

家 A.菲利甫斯(A.Phillips)在《封闭经济中的稳定政策》和《稳定政策与

滞后反应的时间形式》等文中,开始用二次常微分方程来描述宏观经济系统,

讨论了它的开环控制与闭环控制问题,并提出了一种新的控制方案来改进经

济政策的稳定性。

随后,运筹学、系统工程、现代控制理论、大系统理论、微分对策理论

等新的现代科学理论被陆续引用到经济学的研究领域,极大地推动了经济控

制论进一步向前发展。

现代经济控制论的一个主要内容,是将控制论与数量经济学、管理学、

经济系统学、运筹学等学科相结合,对具体的经济过程实现控制与管理。这

类经济控制论问题把人和物及各种参数均视为被动的受控对象。典型的应用

包括:宏观经济的最优控制、建立最优经济增长模型、最佳消费投资比例、

最佳广告费用、有价证券选择、金融市场最优控制、基本建设投资优化问题

等等。

现代经济控制论的另一方面是由对策论发展起来的。在这里,经济控制

论把人视为其内在的动力因素,人与人之间的关系是既协作又竞争的,这种

关系形成社会经济的唯一主动结构,从而形成了经济系统的控制功能,简单

地说,这类经济控制论问题研究的是人的积极性、主动性,涉及到物质刺激、

责任问题、竞争的控制功能等等。所谓“小智善于治事,大智善于治人,睿

智善于立法”,就可喻指为控制的几个不同层次。

现代经济控制论作为一种管理过程的科学的基本工具,在社会主义经济

中有着巨大的潜力。经济控制论的重要性表现在两个方面:一是它提供了一

种关于使经济管理有效、准确和可靠的精确分析工具;二是它发展了一种处

理和解决问题的合适的思想方法,我们称之为“控制论思想”。其实,经济

控制论的原理和方法并非高深莫测,全部思想方法也都是辩证唯物的。大家

都来学点经济控制论知识,对我们的国家、对我们的企业、对我们的人民,

都将是有百利而无一害的。

生物控制论

我们知道,工程自动控制系统可以无需人的直接干预而完成各种生产任

务,这是由于其内部有完善的通讯和反馈控制机制。同样,大千世界中存在

数百万种生物,在长期的进化过程中,沿着从无序到有序、从低级到高级的

发展途径,在其体内形成了复杂精巧的自动调节系统,使得生物能在千变万

化的竞争环境中生存和发展。自然界中每一种生物都能按照自己的方法,适

应各自所处的环境,就像一部部最灵巧的自动机器。正是由于自动机器和生

物都具有反馈控制的共性,人们创立了生物控制论这一崭新的边缘学科,其

基本思想就是根据控制论的思想和方法,研究生物体各部分以及生物体内与

周围环境之间的信息传递、加工和自动调节规律,以及有关生物医学的信息

加工和控制问题。

生物体的结构是多层次的,由亚细胞、细胞到器官和整体,每一层次都

有其特殊的调节和控制方式。而且,地球上现存的数百万种生物,它们的控

制和处理形式又千差万别。因此,生物控制论研究的范围是极其广泛的,它

既为生物医学服务,也为工程技术的发展作出贡献。一方面,利用控制论的

理论与方法可解决生物学中的问题,为深入了解生物医学的原理以及解决生

物医学中的实际问题提供新的方法与工具;另一方面,通过对光怪陆离的生

物世界中各种生物控制和信息处理原理的研究,反过来又为新的工程技术设

计提供新的思路。人们在这两方面都已做了大量的工作。

在生物医学领域,很需要控制论这样的跨学科的理论和研究方法。由于

生物系统十分复杂,大部分还处于疑谜阶段。比如动物和人的脑系统,它是

当前生物科学的重大研究课题。研究感觉信息加工的机理,探索学习和记忆

的奥秘,都要研究这个系统。脑与感觉器官都具有巨大的信息处理能力和灵

活性,它们不断接受、传递、加工和储存信息,并对身体各部分发出相应的

动作指令。据估计,人的大脑皮层约有 100~1000 亿个神经细胞,这些细胞

通常被称为神经元,神经元是脑内信息处理的基本单元。每一个神经元通过

称为“突触”的树枝状通道,从数以千计的其他神经元接受输入信号,又对

其他许多神经元提供输出,因而神经元之间的联系网呈犬牙交错的立体分

布。神经元通常有两种基本状态:兴奋与抑制,决定于神经元从突触接受到

的神经脉冲。神经元所传递的信号是在千分之一秒的时间内完成的局部电位

变化。当大脑皮层中的神经元兴奋而载有外界有关信息时,通过神经元内部

与外部的化学物质的作用,信号从一个神经元传递到另一个神经元,最后由

大脑中有关神经细胞进行综合处理,将它们变成所需要的决策,并对外界的

各种刺激作出反应。大脑真不愧为自然界中最高级的、最复杂的信息加工与

调节控制系统之一。

除了对人脑研究以外,应用控制论解决生理学问题也取得了重要进展。

记得前些年有一家外国报纸报道说用遗传工程的方法育成了“牛肉西红

柿’,这种新型西红柿体较硬,而且有牛肉的味道。该报道立刻引起强烈反

响,各国报纸纷纷转载,事后才知道这是在“愚人节”登出的玩笑的新闻。

如果在 20 年前有人杜撰这样一条消息,恐怕谁也不相信,而今天居然连科学

家都跟着“上当”了。这的确说明遗传工程的发展为实现人们对生物生长的

控制和调节,获得各种优良运行和植物的愿望,带来了新的曙光。尤其是遗

传工程近年来的一系列惊人成果更是引起了世人的极大关注和广泛兴趣。

1982 年,美国科学家把大白鼠的生长激素的基因植入小白鼠的受精卵

中,结果培育出来的小白鼠长得非常大,它的照片被各杂志竞相刊登,使这

只“超级小鼠”成了轰动一时的动物名星。很自然地人们立刻联想到,如果

将此项技术成功地用于渔业和畜牧业,我们不就可以获得个体大、生长快、

价格便宜的“超级鱼”、“超级鸡”、“超级鸭”、“超级猪、牛、羊”了

吗!

同样,如果用类似的技术把豆类的固氮基因转移到水稻、小麦等农作物

的细胞中,那么每一棵植物都成了小的“天然化肥厂”,不用再施化肥而获

高产;如果把抗病虫害的基因移植到农作物体内,则不需要喷洒农药而获丰

收。到那时,我们的环境必将更优美,身体会更加健康。

人口控制论

由于人口爆炸性的激增,已给全世界带来了直接或间接的社会经济问

题。目前,贫穷、疾病、灾害、愚昧、暴力、犯罪依然严重威胁着世界上大

多数国家。全世界有 70%的粮食生产要受到天灾的捉弄,人类的生存问题在

很大程度都受到自然界的摆布。

定量分析人口系统的状态并预测其变化规律,研究在各国不同人口情况

下如何调节和控制妇女生育率,改变人口结构和发展趋势,以使人口系统的

繁衍过程朝着最优化方向发展,达到人类自己掌握自己的命运这一宏伟目

标,就是人口控制论所要研究的基础内容。控制论、系统工程和电子计算机

等现代高新技术,为研究人口控制问题提供了有效的理论基础和技术手段。

人口控制论的创立和发展,进一步突破了过去那种认为不能用自然科学

方法研究社会问题的思想束缚,证明了定量研究方法对社会科学同样具有重

要的作用。

人口控制论的研究范围一般包括:

①人口系统建模:用数学模型描述人口发展变化过程;

②人口系统预测:根据系统模型预报未来人口变化规律;

③人口系统稳定性分析:用控制理论方法分析系统的稳定性;

④人口系统能控性和能观测性:分析系统是否具有能控性和能观测性;

⑤人口目标,希望达到的人口控制目标,如在本世纪末把我国人口稳定

在 12 亿左右;

③人口系统最优控制:研究为实现人口目标而应采取的控制手段,如晚

婚晚育(推迟结婚和生育年龄),一对夫妇只生一个等。

英国人口学家马尔萨斯(R.Multhus,1776~1835)是世界上公认的人类

历史上第一个提出定量研究人口发展过程的人。他于 1789 年提出了最早的描

述人口增长的数学模型。但是马尔萨斯的理论和方法,本质上是错误的,也

没有什么实用价值,在历史上曾受到多次批判。

在我国,50 年代马寅初先生就曾提出过控制人口增长的建议,但由于

“左”的思想干扰,这项建议不但没被采纳,反而将马老先生打成右派,结

果是“错批一人,误增四亿”。这不能不说是一个深刻的教训。不过近年来,

我国的控制论学者与社会科学家通力合作,在人口理论方面做出了巨大的成

绩,为我国计划生育和国民经济发展提供了有效的决策依据。

用控制论方法进行人口预测,预报未来人口变化规律,是人口理论发展

的必然结果。深入开展这方面的研究工作,对于我们这样一个世界第一人口

大国来说,无疑是十分必要的。

教育控制论

教育控制论是既属于教育学又属于控制论的一门新兴边缘学科,至今约

有 20 年的历史。

我们说,人是生物成员之一,又是社会大家庭中的一分子。人的先天特

征服从生物属性。例如遗传,通过载有遗传信息的染色体把父体和母体的生

物特征传给后代。人的后天特征又具有社会属性,只有通过社会活动才能体

现人的存在。其中最典型、最重要的社会活动就是教育。人从获得生命的那

一天起就在接受来自社会四面八方的教育,这个过程一直要延续到寿终正寝

之时。不过,除人类外,其他高级动物也都有接受教育的特征,如刚出蛋壳

的小鸡寻食捉虫,就受教于母鸡,母狮训练幼狮捕食猎物等。可见社会性、

受教性并非人所独有的本质,但“教育的优化”,即教育的目标性,也即使

受教育者“正于社会”而不“负于社会”的一面,却是人类教育异于动物“教

育”的本质特征。

如前所述,控制论是一种模型化、数学化的理论,是研究信息传递、加

工和处理的科学,而教育学正是广泛与信息打交道的学科。但是传统的教育

学虽已形成了比较完整的学科体系,总的来说仍属于经验科学,对于教育过

程中的信息处理以及各种社会因素产生的影响只能做定性的分析和描述,而

且一般说来,它不能对教育过程做可靠的预测。在现代科学技术的飞速发展

过程中应运而生的教育控制论,广泛吸取了控制论、信息论和系统论思想的

丰富营养,试图通过建立系统模型的方法来模拟教育过程,把教育过程中涉

及到的各种因素的影响看成信息传递和存储,应用反馈控制的思想,探讨最

佳控制方案,并对教育过程进行有目的的预测。教育控制论的实质在于应用

控制论的方法、手段和成果来解决教育科学(如教育心理学、教学方法论和

定向教育)所提出的问题,使传统教育学从定性研究的描述性科学过渡到定

量研究的精确科学。

然而,我们应该看到,教育过程是相当复杂的。从深度来说,如何培养

和造就高、精、尖、开拓性人才,是现代社会中最突出的问题之一;从广度

来说,除小学、中学、大学、研究生院的德、智、体、美、劳教育以外,胎

儿教育、婴儿教育、幼儿教育、成年教育、老年教育以及终身教育也已深入

普及到社会各个层次。按控制论的观点,教育系统的控制和优化必须是对广

义教育的控制和优化,而把狭义教育(即学校正规教育)作为其中最重要的

一个环节。从这个意义上讲,教育系统的最优控制问题很自然地构成了一个

多阶段性决策过程。按照我们在第一章中介绍过的贝尔曼最优性原则(即动

态规划法),整个广义教育须认真研究严肃对待。任何一个环节上的失误,

不论是对个人,还是对社会都将造成难以挽回的损失。

环境控制论

1952 年 12 月 5 日,英国伦敦上空突然浓烟滚滚,黑雾弥漫,天昏地暗。

许多居民感到胸闷气急、喉痛咳嗽,呕吐不止,在几天之内就有 4000 余人死

亡。紧接着,整个英国大雾笼罩,气温逆转,又造成了数千人死亡。人们恐

怖地称之为“杀人的烟雾”。这是怎么回事呢?

1961 年 1 月,美国得克萨斯州科罗里达河下游,突然出现了大量的死鱼,

10 千米,50 千米,一直扩散到 300 多千米的河面上。据统计,当地所有的

27 种鱼类全部死亡,连重达 30 多千克的蓝猫鱼也未能幸免。是谁杀死了这

么多的河鱼呢?

1953 年开始,日本九洲的水俣县出现了一种奇怪的病人,耳聋眼瞎,四

肢麻木,精神亢奋,一会儿酣睡如泥,一会儿又兴奋异常,身体渐渐弯曲,

最后惨痛呼叫而死。到 1972 年,全镇有 180 多人患了这种“水俣病”。这究

竟是什么原因呢?

现代社会中发生的诸如此类的致命灾害,引起了世界各国人民和科学家

的密切关注。美国海洋生物学家卡逊女士经过详细调查研究,于 1962 年写成

了近代环境污染对生态的严重影响,唤起了人们对古老生态学的兴趣,被人

们誉为开创了一个新的“生态学时代”。卡逊在书中通过大量骇人听闻的材

料表明,人类如果破坏了赖以生存的生态环境系统,必然会遭到自然界的严

重报复。她的呼吁,立刻得到了各国科学家的热烈响应。通过对生态和环境

污染的系统研究,许多谜团被解开了。比如上面提到的英国伦敦烟雾事件,

原来是英国大多数居民家的取暖烧煤排气中,含有三氧化二铁成分,能促进

空气中的二氧化硫氧化,生成液态酸沫,附着在烟尘上或凝聚在雾核中,进

入人的呼吸系统,使人突然发病,并加速慢性病患者的死亡。美国科罗里达

河的死鱼事件,则是一家生产农药的工厂长期排放污水的恶果。日本的水俣

病,也是因为该河流上游有个工厂排放含汞废水而酿成的灾难。

大量事实说明,人作用于环境,环境也反作用于人。随着现代工农业生

产的发展,生态环境的污染程度日益加剧,严重影响着人类社会的发展速度、

动植物的正常生存,这不仅关系到当代人们的身体健康,而且关系到子孙后

代的繁衍昌盛。污染控制和环境保护无疑已成为世界各国政府刻不容缓的重

要任务,“保护环境,造福人类,功在当代,利有千秋”的思想,已为世人

普遍接受,环境控制论正是在这一浪高过一浪的呼声中诞生了。

顾名思义,环境控制论是专门研究生态环境的质量变化、污染控制与处

理、环境保护与优化的科学原理及技术措施的一门科学,其范围涉及到地球

生物圈(包括大气、海洋、湖泊、河流、土壤等)和人类生产活动的各个领

域。它以生态学和地球化学为基础,以控制论、现代控制理论和大系统理论

的思想方法为工具,并利用化学、生物学、物理学、医学和工程技术知识研

究环境综合治理和优化,是一门多学科交叉和综合的边缘性学科。环境控制

论的出现,人类自觉运用科学手段来研究和保护环境,是社会文明的一大进

步,是现代科学向深度和广度进军的一个重要标志。

环境控制论首先面临的是环境污染问题。所谓环境污染,是指由于人为

的或自然的因素,使环境中原来的组成元素或状态发生了变化,扰乱并破坏

了生态系统与人们的正常生活条件,致使人类生存的环境恶化;或者污染物

质进入生态系统,沿着食物链(比如说“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃

稀泥”(藻类))转移、循环和聚集,最后进入人体,危害人体的身体键康。

现代社会中环境污染的主要来源如下图所示。

面对如此众多和复杂的污染源,要做到环境综合治理和优化,首先应利

用控制论的黑箱方法(即系统辩识方法),建立环境系统的动态数学模型,

并在此基础上提出环境保护的有效措施。由于电子计算机技术的发展,要做

到这一点并非难事,特别是计算机的仿真技术,更为我们分析和模拟环境系

统提供了有效手段。

利用系统分析方法研究环境自净能力,是环境控制论的另一项重要内

容。我们知道,自然环境对污染物质都有一定的净化能力。比如,污染物质

进入河流,会慢慢稀释,然后在光合和微生物的作用下氧化、分解、还原、

沉淀,水质会逐渐恢复常态。进入土壤的污染物质,同样会在土壤中微生物

的作用下分解、还原。这些都是自然界生态系统内部反馈控制作用的结果,

当然这种反馈控制实现系统动态平衡的作用是有限的。因此我们应认真摸索

自然界对不同污染物质的不同净化能力,掌握它们的规律,据此制定污染控

制和环境保护的有效措施。

随着现代经济向纵深发展,环境科学的重要性也日益显著。可以预见,

在未来的历史长河中,环境问题仍将伴随着我们,困扰着我们,使我们不得

不在发展生产与保护环境二者之间不断的进行平衡和调整,以使脆弱的生态

系统不至于受到严重破坏。为了保证人类社会和经济的健康发展,我们就必

须从根本上摸清地球上各种生态、环境系统的内部变化规律,掌握其发展趋

势,提出合理开发和保护生态环境系统的最优方案。诚然,环境控制论还只

是一门尚未完善的学科,仍有许多领域是一片未知的海洋,需要我们用全部

的智慧去探索和研究。

军事控制

众所周知,军事系统是一个规模庞大、结构复杂、因素众多、功能综合、

信息分散的大系统。军事控制论正是要运用大系统理论、系统理论、数学和

计算机技术,研究军事系统的建模、信息传递和处理以及控制自动化的问题。

控制论应用于军事,就是为了在各种因素的制约下(如敌我力量对比、气象、

环境等条件),对军事大系统进行科学的规划、设计、制造和使用,使其达

到信息、能量和物质的综合平衡,取得整体控制的最佳效果。这对于指挥员,

尤其是高级指挥员来说,是不可缺少的指挥控制艺术。

现代战争是总体战,战场已从传统的海、陆、空范围向外层空间和海底

两极扩展,规模空间增大。在此情况下,只有全面统一地实施进攻和防御,

才能获取战争的全面胜利。把大系统理论用于军事决策,能帮助指挥员把握

全局,制定出最佳战略、战役行动方案,真正做到“运筹于帷幄之中,决胜

于千里之外”。运用计算机仿真技术,将敌多双方力量以及各种外界环境因

素输入电子计算机,可以在“兵不血刃”的情况下,分析研究战争的发展趋

势,从而寻找出最佳作战方案。

在战争舞台的长宽高都在无限延伸、军事斗争日趋大型化的当今时代,

要在浩瀚广阔的战场上得心应手地指挥千军万马,指挥员必须具备高瞻远

瞩、统帅全盘的系统思想,军事控制论则为实现这一目标开辟了新的有效途

径。

社会控制论

人类社会进入本世纪 50 年代,特别是 60 年代以后,已越来越受到世界

性的 5 大社会问题的困扰,即人口激增、能源短缺、资源破坏、粮食不足和

环境污染的严重威胁。如何利用现代科学知识,合理解决这些问题,使社会

正常发展,明显改善人类生存环境,是全世界人民所面临的一个挑战性任务。

幸运的是,社会控制论的出现,拓广了人们的视野,使我们在迷罔困惑之中

看到了希望的曙光。

社会控制论的基本内容是把控制论中取得的丰硕成果推广应用于社会的

生产管理、交通运输、能源管理、资源开发、环境保护、城乡建设,以至人

类社会的各个方面。控制论研究者认为,人类社会是一个充满活力和生机勃

勃的自适应、自组织系统,存在着内涵丰富的信息交流和反馈机制。社会控

制论不仅从整体上研究社会发展的内在规律,而且运用控制论的基本原理分

析各类复杂的社会现象,比如说国家领导体制的改革,社会精神文明的建设、

社会犯罪问题的综合治理等。人类社会的存在和发展,既需要社会变革,也

需要社会的稳定和正常的社会秩序。安居才能乐业,这是人所共知的真理。

无论是哪个朝代,哪个社会,都试图建立一个稳定的社会秩序,使人民生活

安定,生产迅速发展。从控制论的观点来看,社会秩序、社会稳定都是与社

会控制紧密相连的。离开有效的社会控制,就不会有安定团结的社会局面。

因此,社会控制论的研究还与社会政治、法纪法制、伦理道德等诸多因素有

关。所以我们说,在应用控制论研究复杂社会现象时,绝不能摆脱辩证唯物

主义和历史唯物主义的科学分析法,否则也很难得出正确的结论。

应当承认,社会控制论的研究还处于刚刚起步的初始阶段,但控制论及

其在社会各个领域的应用已经或正在成为人们认识世界和改造世界的强有力

工具。随着社会控制论这一边缘学科的进一步深入研究,它在社会发展过程

中必将发挥愈来愈显著的作用。

计算机时代的控制论

计算机控制

计算机控制是指利用计算机来实现自动控制的功能。由此构成的自动控

制系统,叫做计算机控制系统。计算机控制的应用范围很广。控制对象从小

到大,从简单到复杂,都可以由计算机参与控制。电子计算机可以控制单台

机或一个简单生产过程(如炉温、轧钢机等),也可以控制和管理某个车间,

甚至整个工厂都可交由大型计算机控制而成为所谓的“无人工厂”。计算机

控制可以是简单的反馈控制,也可以是复杂的多变量控制、最优控制、自适

应控制乃至具有人类智慧的“智能控制’。

计算机控制系统的基本组成一般包括控制对象、硬件和软件三大部分。

计算机控制系统的发展,是和电子计算机本身的发展密切相关的。电子

计算机自 1946 年问世以来,发展极为迅速,大致是十年左右更新换代一次。

特别是大规模集成电路技术的突破,使计算机的性能价格比显著提高,极大

地推动了电子计算机在各行各业中的应用。

然而,与科学计算、气象预报和数据处理等应用相比,计算机在控制领

域的应用起步相对较晚,早期应用进展也比较慢。造成这种现象的主要原因,

不是因为计算机不适合控制应用,也不是由于理论方面准备不足,而是因为

早期计算机的可靠性不高等原因。显然,计算机用于生产过程控制,对可靠

性的要求是比较严格的。

本世纪 50 年代中期,计算机开始用于工业控制。但总的来说,这阶段为

数不多的计算机控制系统,控制规律比较简单,如对原有人工控制系统提供

操作指导,或对原有系统提高最佳设置(系统输入)。计算机大量的时间主

要用于其他非控制作业,如制订生产规划,打印生产报表等。另外,由于早

期的计算机价格昂贵,为了充分利用,总是将各种不同的任务罗织在一起,

这就在原本可靠性不高的基础上,又增加了因组织复杂造成的新的可靠性问

题。由于这诸多原因,所以早期计算机控制技术进展缓慢。

尽管如此,也有一些比较成功的例子。如 1959 年美国的波特阿瑟(Port

Arther)炼油厂就采用了计算机控制系统,总共控制 26 个流量、72 个温度

值、3 个压力和 3 种化学成分。控制系统的基本功能是使反应器的压力最小,

确定 5 个反应器供料的最优分配、最佳的热流量循环。计算机除主要用于寻

找系统最佳运行条件外,还要完成原料调度、生产计划、报告产量和能源消

耗等任务。这个系统的成功,使计算机找到了新的应用领域,使工业界看到

了一种提高自动化的新工具。

计算机直接参与生产过程的另一个成功实例发生在英国。1962 年,英国

帝国化学工业公司(ICI)用一台名为费伦蒂.阿格斯(Ferrenti Argus)的

计算机直接测量 224 个控制量和控制 129 个阀门,在保持原有功能的条件下

取代了原系统中所有的模拟仪表装置,这就是我们说的直接数字控制(DDC)

系统。DDC 系统显示出的巨大优越性,使它在 1963~1965 年间获得了长足进

步。

1972 年以后,由于微型计算机的出现和发展,计算机价格大幅度下降,

计算机控制技术真正得到了迅速发展。计算机控制不仅在过程控制中的应用

日渐成熟,而且在机电控制、机械加工、航天技术和各种军事装备中也得到

广泛应用,例如通讯卫星的姿态控制、卫星跟踪天线的方位角控制、飞机自

动驾驶仪、计算机数控机床、电气传动装置的计算机控制等。在许多精度要

求极高的领域,如工业机器人、现代导弹制导、航空航天等,计算机控制已

成为必不可少的重要环节。

数值控制

数值控制(Numerical Control),简称数控,(NC),是以数字形式实

现控制的技术。比如说数控机床加工,首先将待加工的工件形状数值化(即

用数字形式表示工件形状),然后在输入纸带上用组合穿孔的方式表示出来,

由此控制加工刀具的走刀轨迹进行自动加工。常见的数控机床、数控火焰切

割机、灵敏遥控绘图机、数控冲剪机等都是属于数控范围的自动化设备。

数控技术的关键是计算机,其发展也是与电子计算机的发展分不开的。

早在 1947 年,美国的帕森斯(PARSONS)公司,为了制作检查飞机螺旋桨的

样板,首先在坐标镗床上采用了数控技术,制作出精确的样板。以后美国空

军系统为了改进导弹和飞机性能,在美国麻省理工学院(MIT)成立了伺服系

统研究所,开始了对数控机床的系统研究。1952 年,该研究所根据第一代电

子计算机原理,研制成功了世界上第一台数控机床,也叫做 MIT 数控机床。

在加工精度和效率方面比普通机床大有提高。但是由于这种数控机床用的都

是真空电子管元件,因而数控装置体积较大,运算速度较慢,可靠性也不高,

因而限制了它的广泛使用。

我国早在 1958 年就制成了数控铣床,之后沈阳第一机床厂和北京第一机

床厂也制成了不同类型的数控机床,1970 年还研制成功加工中心。从 1976

年到 1984 年,我国共生产数控机床 8,584 台。现在我国除生产数控机床外,

还试制生产了一些盘类和箱体类零件的卧式和立式加工中心,并有少量数控

机床出口。1984 年以来,在推广南京和常州生产的微型控制车床后,数控机

床的研制和使用在我国迅速推广,并且取得了可喜成果。

柔性制造系统

80 年代以来,工业技术比较发达的国家为了进一步提高劳动生产率,降

低生产成本,缩短产品研制或生产周期,增强产品更新换代和产品市场竞争

能力,开始把计算机作为中枢,组成由各类数控机床、监测设备和其他机器

构成的自动化生产系统、自动仓库系统、自动输送系统和计算机生产管理系

统。目前,人们把这些具有高度自动化的各类系统统称为柔性生产系统,各

个生产环节的设计人员只要把生产任务编写成相应的程序,输入到计算机控

制中心,由人通过电子监控装置观察机器的运转情况就行了。

机械制造自动化迄今已有几十年历史。早期由于技术水平的局限性,只

能在大规模生产领域内引入生产自动化。30 年代到 50 年代间,人们主要建

立了由机械式或液压式的自动车床、组合机床或专用机床组成的单品种生产

自动线。这种自动生产线有其固定的生产节奏,要改变加工品种是非常困难,

且费用极高,故称之为“刚性自动化生产线”。到了 60 年代,人们意识到大

批量生产只是机械制造业的小部分,约占 15%~25%,而中、小批量生产要

占到 75%~85%。比如在日本,多品种、中小批量生产企业的产量是大批量

生产企业的两倍,但是雇员却是大批量生产企业的 4 倍。由此可见,在国民

经济生产部门中比重占绝对优势的多品种、中小批量生产企业的劳动生产率

大大落后于大批量生产企业,这就迫使人们寻找新的生产方式来改变这种落

后局面。

美国森斯特兰德公司在 1967 年建成了世界上最早的柔性制造系统

(FMS)。在随后的 10 年中,又继续开发了几十套 FMS。在此期间,FMS 的技

术先进性得到充分证明,其经济效益也十分显著。在此基础上,FMS 数目激

增 3 倍,用户的兴趣和社会需求也持续高涨。此后,每年 FMS 的平均增长率

均在 30%~40%。

近年来,我国走国外引进和自行开发并举的道路,在 FMS 的研制和应用

方面获得了长足进步,并取得了比较明显的社会和经济效益。如北京机床研

究所为掌握当代机械制造新技术,与日本发那科公司合作,在 1985 年建立了

我国第一套柔性系统 JCS— FMS— 1。该系统包括 5 台 CNC 机床、一台工业监

控计算机以及包括中央管理的计算机控制系统。

机电一体化

机电一体化,作为新型智能产品设计的原则,作为传统产品更新换代的

方向,作为生产、办公、家庭、医疗等领域自动化的基础,正日益为企业所

重视,新产品、新系统不断涌现,呈现出一片生机勃勃的美好景象。

机电一体化的概念是在现代微电子技术向传统机械工业渗透的过程中逐

步形成起来的,是机械、微电子、自动控制和计算机技术相互融合的产物,

是一门具有交叉性、边缘性、多学科性的综合技术。机电一体化的目标是使

产品向多功能化、高效率化、高智能化、省料节能化方向发展,并力求使产

品结构具有轻、薄、细、巧的特征,以便满足社会生产自动化和人民生活多

样化的要求。

目前机电一体化主要有如下两种方式。第一种是机械产品电子化,即在

原有机械产品上采用新的微电子技术,使产品在质量、性能、功能、效率和

节能诸方面都有较大幅度提高,甚至能使产品结构发生质的飞跃。

比如汽车电子化,对于节省燃料、减少环境污染和提高行驶安全性来说,

是至关重要的。用微处理器(即微电脑)控制汽车发动机的点火、燃油喷射

量、空气燃油比和废气再循环,可以促使燃烧完成,节约能源和减少大气污

染。统计资料表明,采用微机控制燃油喷射量可以节油 10%~20%。再加上

微机控制汽车速度,使汽车在不同情况下都处于最经济合理运转状态,可节

油 5%~6%。此外,电子小汽车上还采用了微电子技术控制排气,可以使排

出的废气中有毒气体(如碳氢类气体、一氧化氮和一氧化碳等)含量最低。

还有汽车高速行驶防撞车控制系统,汽车行驶闭环控制系统等,为提高汽车

行驶安全、防止交通事故提供了保障。

机电一体化的第二种方式是机械技术与电子技术有机结合,开辟了两者

单独使用时都不能达到的效果。

机电一体化技术革命的发展时间虽然不长,但已成为机械和电子工业发

展的巨大推动力。因此,世界工业发达国家,甚至许多中等发达国家都对开

发技术密集型的机电一体化产品,提高各种机械电子设备的自动化和智能化

极端关注。在机电一体化技术和应用方面,日本和美国走在世界的前列。

相对来说,我国的数控机床、工业机器人等机电一体化技术,起步并不

算晚,但发展速度不快。为此国家提出了振兴我国机电工业的中长远目标,

即在今后 10 到 15 年内,使我国主要机电产品达到工业发达国家 70 年代末和

80 年代初的水平,部分产品争取接近国际水平。

全面自动化

电子计算机的产生、发展及其在工业生产中的广泛应用,使得以机械工

业为代表的离散型生产方式孕育了一场新的技术革命——从局部自动化走向

全面自动化,即由原来局限于产品制造过程的自动化扩展到脑力劳动领域的

产品设计和经营管理自动化,促进机械工业,进而带动整个工业企业实现运

营综合自动化,这就是计算机集成制造系统(Computer In-tegrated

Manufacturing Systems,简称 CIMS)的基本思想。1974 年美国的约瑟夫.

哈林顿(JOsePh Harrington)博士在《计算机集成制造》一书中,率先提出

了这一具有划时代意义的新概念。根据他的设想,CIMS 在功能上应包含一个

工厂的全部生产经营活动,即从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理

到售后服务的全部活动。因为这些活动是一个不可分割的整体,必须统一考

虑。所以 CIMS 比传统的工厂自动化的范围广得多,是一个复杂的大系统。另

外一点要注意的是,CIMS 涉及的综合自动,不是工厂各个生产环节自动化和

计算机化的简单迭加,而是这些环节的有机集成。这里所说的集成,不仅是

物质和设备的集成,更主要的是体现在以信息集成为特征的技术集成。

综合上述两点看法,我们可以给 CIMS 下一定义:CIMS 是在自动化技术、

信息技术和制造技术的基础上,通过计算机硬件和软件,将制造工厂全部生

产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来,是适合于多品种、中

小批量生产的、具有总体高效益、高柔性的智能制造系统。

从学科看,CIMS 是系统科学、控制论、计算机科学与制造技术相互渗透

产生的集成方法和技术。通过将这些技术应用到实际的生产制造过程中,反

过来又促进了这些学科的发展。

目前,我国的 CIMS 单元技术十分薄弱,系统集成技术也刚刚起步,因此

必须根据实际经济和技术力量,确定一个符合中国国情的有限目标和一条行

之有效的发展我国 CIMS 的途径。所以国家根据世界高技术的发展趋势和制造

业未来技术改造的需要,在把 CIMS 选择为中国高技术发展计划的主题项目的

同时,还明确规定了 2000 年 863/CIMS 的战略目标,即跟踪国际上 CIMS 高技

术的发展,掌握 CIMS 的关键技术,同时在制造业中建立能获得综合经济效

益、并能带动整个行业的 CIMS 示范点。

应当指出,虽然世界各国都十分重视 CIMS 的开发和研制,并投以大量人

力和物力,但总的来说,目前仍处于初级阶段。比如现在美国正在实施 CIMS

的近 10 万家企业,其中大约 3/4 的企业尚处于刚刚开始阶段,他们用计算机

完全辅助管理、设计和生产等工作,多为单机自动化,离 CIMS 的目标还相距

甚远。真正实施 CIMS 的企业大约只有 100 多家。即使在这些公司中,所建成

的 CIMS 大多是在一个工段、一个车间或者一个分厂范围内实现计算机集成化

的。比如美国通用电气公司的 CIMSM,把销售、经营、产品设计、工艺设计、

数控加工等 8 个子系统集成在一起,虽是美国规模较大的 CIMS,但也只限于

在蒸汽涡轮发电机的小零件生产车间。通用汽车公司的 CIMS 虽然规模稍大

些,但也只限于生产汽车前轮驱动轴部件的工厂。

自动控制的应用

工厂自动化

工厂自动化是指用自动装置或系统控制来管理生产设备及生产过程,它

集计算机技术、自动化技术、激光技术和机器人技术之大成,是本世纪 80

年代到 90 年代工业生产中主攻技术方向之一。

一般认为,工厂自动化是指利用计算机充分掌握从接受订货开始,到产

品发货结束之间所有生产活动的复杂信息流,并对生产系统整体进行高度管

理和控制的自动化过程。其目的主要是:①省力;②提高设备运转率和利用

率;③实现高效生产管理,即减少零件、材料、半成品和成品的库存量、减

少资金积压,加快资金周转,创造大的经济效益;①缩短从产品规划、设计、

研制到产品出厂之间的生产周期;⑤满足用户对产品的多样化、多功能化和

智能化需求。

工厂自动化,按其性质又可分为连续生产自动化和断续生产自动化两

种。

连续生产自动化又叫过程自动化,主要是指石油、化工、冶金、电力等

工业部门中连续生产过程的自动化。即通过采用各种检测仪表、调节仪表、

控制装置、电子计算机等自动化技术工具,对整个生产过程进行自动检测、

监督和控制,以达到实现各种最优的技术经济指标,提高经济效益和劳动生

产率,节约能源、改善劳动条件、保护生态环境等目标。

由于连续生产自动化处理的对象是流体或粉体,传输与控制比较容易,

所以进展很快。本世纪 40 年代开始,人们开始使用分散式测量仪表和控制装

置,进行单参数自动调节,取代了传统的手工操作。

到了 50 年代,人们开始把检测与控制仪表集中在中央控制室,实行车间

集中控制,一些工厂企业初步实现了检测仪表化和局部自动化。这一阶段,

过程控制系统结构绝大多数还是单输入单输出系统,受控变量主要是温度、

压力、流量和液位四种参数,控制的目的是保持这些参数的稳定,消除或减

少对生产过程的干扰影响。而过程控制系统采用的方法是经典控制理论中的

频率法和轨迹法,主要解决了单输入单输出系统的常值控制和系统综合控制

问题。

60 年代,工业生产的不断发展,对过程控制提出了新的要求(如高效率、

高质量、高可靠性等),电子技术的飞速发展也为生产过程自动化提供了功

能较完善的工具和手段。在自动化仪表方面,开始大量采用单元组合仪表。

为了满足定型、灵活、多功能等要求,还出现了组装仪表,以适应比较复杂

的模拟和逻辑规律相结合的控制系统需要。与此同时,开始采用电子计算机

对大型设备,如大型蒸馏塔、大型轧钢机等,进行最优控制,实现了直接数

字控制(DDC)及设定值控制(SPC)。在系统方面,为了提高控制性能和实

现某些特殊控制要求,出现了包括反馈和前馈的复合控制系统。在过程控制

理论方面,除了仍采用经典控制理论解决实际生产过程中的问题外,现代控

制理论也开始得到应用,控制系统由单变量系统转向复杂的多变量系统。在

此期间,工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。

70 年代以来,现代工业生产的迅猛发展,自动化仪表与硬件的开发,微

计算机的问世,使生产过程自动化进入了新的高水平阶段。对整个工厂或整

个工艺流程的集中控制,应用计算机系统进行多参数综合控制,或者用多台

计算机对生产过程进行分级综合控制和参与经营管理,是这一阶段的主要特

征。在新型自动化技术工具方面,开始采用微机控制的智能单元组合仪表,

显示和调节仪表,以适应各种复杂控制系统的需要。现代控制理论中的状态

反馈、最优控制和自适应控制等设计方法和特殊控制规律,在过程控制中得

到了广泛应用,自动化技术呈现出一派欣欣向荣的新景象。

自动化技术一问世就显示出了强大的生命力,应用自动生产线,大大提

高了劳动生产率。不到 3 年时间,使汽车生产成本下降近 3 倍,只用 8 年就

使汽车销售价格下跌到原价的 9%,使汽车迅速进入千万普通人家。汽车工

业自动化的发展,使钢铁和石油的产量和质量都有大幅度提高。而且电子计

算机在机械制造生产中的应用,使传统的机械制造业焕发了青春。计算机与

机床结合,出现了数控机床和计算机数控机床;应用 CAD/CAM、工业机器人

等技术的柔性制造系统,可减少劳力 20~80%,提高生产率 10 倍以上;CIMS

更为工厂全面自动化,实现无人工厂铺平了道路。正如邓小平同志在全国科

学大会开幕词中所指出的:“电子计算机、控制论和自动化技术的发展,正

在迅速提高生产自动化的程度,同样数量的劳动力,在同样的劳动时间里,

可以生产出比过去多几十倍几百倍的产品。”

农业自动化

提起农村,想必有些人的脑海中会涌现出一排低矮的茅舍,男耕女织,

日出而作,日落而息。可是这些都已成为历史了。今天的农村,稻(麦)浪

滚滚,一排排新房拔地而起,到处都散发着现代生活气息。科学技术的进步

已经或正在使农业劳动者摆脱落后的手工耕作方式,沿着农业自动化的道路

大踏步前进。

农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化和计算机控制化,而不仅

仅是机械化(如拖拉机、收割机、插秧机等)和电气化(农村小水电站、电

力灌溉等)。农村自动化的目的在于减轻或消除靠天吃饭,部分地摆脱对气

候条件和地域条件的依赖性,提高农林牧副渔的品种、产量和数量。不过由

于农业领域中许多复杂和不确定性因素,农业自动化比起工业自动化来说要

困难得多。尽管如此,随着现代科学技术在农业中的迅速推广和应用,农业

自动化仍然取得了巨大的进步。下面我们仅从几个方面加以叙述。

(1)环境控制与自动化

农业设施的环境控制,指的是家禽家畜的饲养环境控制和植物生产环境

的控制,可以实现提高生产率和节能的双重目的。

(2)果实筛选自动化

农作物产品的外形和质量通常有较大差异,因此有必要进行分等分类筛

选。过去单靠人的视觉和触觉进行筛选,很多情况下难以保证质量,而且劳

动生产率极低。采用自动化技术后,可以根据果实的重量、大小、颜色、光

学特性、电磁特性等特征信息而实现自动分拣分类。如日本农林水产有四国

农业试验场开发研制出的番茄自动分选计算机控制系统,可以在不损伤番茄

的条件下,按重量及成熟程度自动分选。

(3)喷灌自动化

喷灌就是喷水灌溉,即利用水泵和管道系统,在一定的压力下把水喷到

空中,散为细小水滴,像下雨一样灌溉农作物。由于喷灌具有较显著的省水

增产效益,因而近 30 年来发展很快。尤其是采用自动化技术后,经济效益更

是显著提高。

(4)水库灌区管理自动化

水库灌区管理自动化包括如下 3 个方面的内容:

①灌区土壤水分的自动监测;

②灌区地下水位的自动监测;

③渠系闸门的自动开启和关闭。

具体来说,就是在灌区内,布点设置土壤水分监测仪器(如湿度传感器),

选点布设地下水位检测传感器,改善渠系闸门控制装置,建立计算机监控管

理系统。这样就可以利用电子通信设备,将各选点处传感器收集到的土壤水

分、地下水位深度以及气象的数据信息传送到中央控制室,经电脑分析处理

后,给出优化方案,决定灌区内各片土地灌与不灌、先灌和后灌,并且利用

微机控制渠系内各闸门的启闭,适时适量科学引入灌溉,既能保证农作物丰

产增收,同时还能满足城乡的工业生产和居民生活用水,其经济效益和社会

效益是显而易见的。

总起来说,农业(包括林业、渔业、牧业和副业)是自动化技术应用的

广阔天地,特别是随着现代生物工程技术和生物控制论在农业生产领域的推

广应用,必将为人类解决诸如粮食短缺、资源枯渴、环境污染等迫在眉睫的

重大问题提供完美的措施和方案。

办公室自动化

随着现代社会信息化的逐步深入,办公室工作人员的信息处理工作量急

剧增加,从而迫使人们从提高工作效率着眼,从办公室的计算机化入手,从

70 年代后期开始,展开了一场声势浩大的办公室自动化运动。这场运动在经

济发达的国家已随着花样不断翻新的各种音响、图象、数据处理、计算机图

形终端、通信、编辑排版系统、印刷设备的涌现而正在引向深化。

简单地说,办公室自动化的本质就是利用现代科学技术(如计算机技术、

控制技术、通信技术等)和各种自动化机器设备来有效地处理和运用汇集于

办公室的各类信息,提高办公室效率。

众所周积,作为一个行政或事务机构,无论机关团体、学校或工矿企事

业单位,都必须设置办公室,它是管理决策者、专业人员和文秘工作者从事

各类信息处理的场所,是管理人员和决策者的天地,无数的信息在这里汇总,

千万条决策从这里发出,它维系着各项工作的成败和千百万人的命运。如同

我们在本章第 1 节中介绍过的,工厂自动化的对象是工厂,输入的是原材料

和动力,经过机械加工和装配,输出的是工业产品。而办公室自动化的对象

是办公室,输入的是来自四面八方的数据和信息,经办公人员在各种现代办

公设备上分析整理后,输出的是经营管理决策或供上一级分析、判断、决策

的依据。

为了完成办公室所必须承担的作业事务(包括文件的草拟和编制、文件

的保管和检索、数据统计、人员联络、会议组织等)和功能事务(包括信息

加工和生成、机关管理、计划实施管理和检查等)两项最基本的工作,办公

室自动化设备应包括文字处理机、口授打印机、传真机、复印机、缩微存储

设备、电子会议系统、电子邮政、文件自动阅读机和计算机翻译系统等组成

部分。

我国的办公室自动化起步较晚,但潜在的发展势头已绰约可见。国家计

委、卫生部、铁道部、经贸部、民航局等有关部门和首都钢铁公司等大型企

业都先后建成了一批计算机管理系统,推进了我国办公室自动化系统的发

展。尤其是近几年,各种办公室自动化设备已逐步得到开发和普及,如复印

机、各种中英文电脑打字机、桌面印刷系统等。相信在不久的将来,随着计

算机的日益普及,我国的办公室自动化水平会有一个大的飞跃发展。

然而,必须注意,办公室自动化并不是用这些设备来完全代替人的工作,

而是用这些设备来协助办公人员的工作。办公人员借助于办公室自动化设备

能够更好地集中精力与时间,以施展他们的才智来创造高效率和高质量。办

公室自动化设备加快了信息的采集、加工处理以及传递和交换的过程,这样

办公人员有可能更快地全面地掌握情况,以便比较各种方案的优劣,作出正

确的决策,争取到尽可能大的综合效益。所以美国专家戴维.巴库姆说:“办

公室自动化本身并不存在什么高明的魔法,真正的魔法恰恰是在有效地使用

办公室自动化的人们当中。

家庭自动化

提起自动化,很多人想当然地认为是高深莫测的理论和尖端技术,自己

无缘与之“攀亲”,殊不知,自动化早已悄然出现在我们身边和我们的家庭,

日夜伴随着我们,比如家庭中的电表、水表、煤气表无需人的参与,自动为

你记录家庭耗能量和自来水用量;再如全自动洗衣机、洗碗机、消毒柜、遥

控电视机、空调机??,简直是数不胜数。这些仪表和自动装置,每天都在

默默地为我们服务,使我们从日常繁琐的家务劳动中解放出来,为我们创造

了良好舒适的生活环境。

清晨,当你从睡梦中一觉醒来,随手打开身边的收音机,你可以听到中

央人民广播电台播音员熟悉而动听的声音,向你报导国际国内新闻;录音机

可以给你带来美妙的音乐或伴你读外语;更先进的钟控收音机还可以在你预

定的任何时间自动打开,唤醒你开始新的一天的工作与学习。

在炎热的夏天,太阳火红火红,照得大地仿佛要燃烧。勤劳的人们,仍

在为社会主义祖国的建设事业冒酷暑,战高温,兢兢业业地学习、工作着。

此时此刻,一杯冷水、几根冷饮、几根冰激凌,可以给人们带来一份凉爽,

其作用是难以简单估量的。生产冷饮、冰激凌的冷柜、冰箱就是一种自动机

器,它可以通过调节温控器旋钮而保证柜内、箱内的温度自动维持在设定的

温度上。除此之外,人们更希望能够创造一个冬暖夏凉的生活和工作环境,

空调器或称空调机,就能为人们带来“四季如春”的享受。空调器属于制冷

调节自动化,加速室内空气循环并对室内空气进行过滤使室内保持适宜的温

度和湿度。

近年来,电视机在我国的普及率已大大提高。城市居民拥有彩色电视机

者居多,在广大农村,由于电能源的迅速普及,电视机也已成为人们争相购

置的消费品。早期的电视机多以卧式和手动为特点。随着自动控制技术的不

断发展,对电视机实现遥控已为大家所熟知。

除此之外,音响(从早期的单波段收音机到目前的激光唱机、多功能收

音机、录音机、卡拉 OK 混响器、环绕立体声、镭射影碟、红外线遥控等融合

在一起的大功率组合)、热水器、自动点火灶、电饭煲、电烤箱、微波炉、

消毒柜、洗碗机等,都是一些常见的家用自动机器。

家庭自动化的进一步发展,是利用微计算机、传感器及各种电子电气设

备实现家庭环境、生活、信息、医疗保健、家庭财务、文化娱乐等活动的全

面自动控制。例如以防灾和防盗为目的的家庭安全自动化控制系统,能够控

制电源、煤气和水阀。一旦家里出现火情、管道漏水或煤气泄漏,自动报警

装置会发出信号,同时打开灭火装置、切断电源、气源或水源。如果有“梁

上君子”入室行窃,就会拍下了“不速之客”的照片,并自动打电话报警。

如东京芝蒲电气公司 1979 年研制出的家庭控制系统,只要你打开使用开关,

由计算机控制的家用机器人就会出现在你面前。你说“拉开卧室的窗帘”,

机器人回答是:“是!知道了。”窗帘便立即被拉开。你说“请开电灯”,

机器人又马上为你开灯。总之,门窗的启闭、电灯的开关以及煤气、水阀的

控制等家务都已自动化了,小小的机器人成了名副其实的忠实佣人。

随着电子技术和计算机技术的普及,各种“教育和游戏机”开始大量上

市,从幼儿到小学、中学和大学用的各种家庭学习用软件如雨后春笋般涌现

出来。一些公司正在研究利用新的通信手段,开发“教师在家授课、学生在

家学习”的家庭教育系统。坐在家里按一下存储有百科知识和生活信息的家

庭计算机,“电子百科辞典”就立即显示在电视机荧光屏上。如果你想购买

东西,打开联络各大商场的家用电脑终端,所有商品信息一览无余。通过电

脑终端订货后,再输入自己的银行存款户头号码,电脑系统会自动把货款转

入对方号下,所定的货物很快就会送到自己的家门口。这是一幅多么美妙的

情景啊!

军事指挥自动化

现代和未来的战争都是立体战、总体战、多兵种协同作战。战幕一拉开,

很可能会出现如下景象:空中导弹横飞、飞机穿梭;地面战车驰骋、万炮齐

发;海上战舰游弋、鱼雷轰鸣。指定员要纵观战争全局,掌握瞬息万变的战

况,及时指挥千军万马协调一致,如果只靠自己大脑的智慧和思维,那么注

定是要失败的。

正因为人体本身机能的多重限制,无法适应现代军事的需要,因此随着

科学技术的进步以及在军事领域的推广应用,军队指挥系统也经历了一系列

重大变革,已形成了以电子计算机为主体的军事指挥自动化系统(也叫做自

动化系统)。目前,许多文献中提到的 C3I 系统就是一种典型的军事指挥自

动化系统,它是一个具有指挥、控制、通信和信息综合四方面功能的,以电

子计算机为核心,以通信网络为基础的多层次综合自动化系统。现代军事 C3I

系统,通常包括似下几方面的内容:

①运用各种预警、遥测、遥感等电子化设备和手段获取陆地、海洋、空

中和外层空间的军事情报;

②对收集到的军事情报进行快速处理(包括分析、判断、综合等)。以

图形或文字形式在计算机终端屏幕上及时显示出来,同时将各种不同信息分

类归档存储起来,以备随时检索查阅;

③利用电子计算机预测战役、战斗的进程,比较各种作战方案的优劣,

为指挥者提供可靠的决策依据;

④借助于四通八达的计算机通信网络,准确及时的向下级传达最高统帅

和上级指挥员的命令,以保证全军各兵种步调一致、协同作战,最终取得战

争的胜利;

⑤及时收集各部队、各战场传来的反馈信息,并迅速进行综合处理,将

战场态势用图形显示出来,使指挥中心的决策者能及时了解战争的全貌。

目前,世界上各主要军事强国都非常重视军事指挥自动化的研究,并称

之为继核武器、洲际导弹之后“军事上的第三次革命”。比如美国,为奠定

其西方霸主的地位,从 1950 年开始,每年投入大量的人力、物力,耗资几十

亿美元,建立军事指挥自动化系统。该研究计划分为 3 个阶段:第一阶段,

在一部分指挥机构中分别建立自动化指挥系统;第二阶段,在各军种中建立

统一目的的自动指挥系统;第三阶段,使各军种的自动化指挥系统联成一体,

实现全军统一的自动化指挥系统。目前美国已基本完成了第二阶段的工作,

已能有效地指挥其国内的三军和分布世界各地的数百处军事基地的几十万美

军士兵,而且美国已逐渐向全军自动化指挥系统过渡。如设在美国五角大楼

内,供总统、国防部长和参谋长联席会议指挥全球美国部队的“全球指挥控

制系统”、其中装有大型电子计算机,各种通信设备把分布在世界各地的计

算机指挥系统联成一体(计算机通信网络),能够迅速收集、处理、查阅和

更新全球各区域的政治和军事情报。

自动化武器控制系统实际上也是自动指挥系统的一个重要组成部分。它

不仅能控制许多单个的战略武器,而且能控制包括警戒设备、引导设备和杀

伤破坏性武器在内的整套武器系统,使指挥控制的各个阶段——从了解情

况、做出决策到判明打击效果——都实现自动化,并且能在极短的时间内完

成。即使像火炮这样的常规武器,由于现代声、光、电等新技术的应用,也

增添了许多“耳目”,如激光测距机、夜视瞄准器、弹道计算机,不仅命中

精度大大提高,而且提高了快速反应能力。装有各种侦察器材的高空侦察机、

无人驾驶机等装备,能对敌纵深几十到几百千米内进行侦察、测量和定位,

给火炮指示准确的打击目标。此外,炮弹本身也长了“眼睛”。如美制 155

毫米榴弹炮发射的“铜斑蛇”激光制导炮弹,实际上是一种火炮发射的导弹,

可在 29 千米的射程上,准确摧毁目标。炮弹命中精度为 0.4~1.0 米,比普

通炮弹的精度提高了十几倍。

不过最后我们必须指出,军事指挥自动化系统尽管有许多无可比拟的优

越性,但是毕竟不能完全取代指挥员的大脑。因为计算机并没有思维能力,

它只能在指挥员预先设想的方案范围内发挥作用。因此我们说,军事自动化

不是要削弱或限制人的作用,而是对指挥员提出了更高的要求。未来的军事

指挥员,不仅要具备敏锐的头脑和良好的军事素养,而且还应有丰富的现代

科学知识,特别是军事管理、电子计算机和自动化方面的知识。只有这样,

方称得上是一名合格的指挥员。

纷繁多样的自动化

人类活动的每一个领域,都形成了纷争上游的喜人局面。诸如商业自动

化、交通自动化、图书馆自动化、实验室自动化、设计自动化、教育自动化、

科研自动化、电影自动化、环境监测保护自动化等等。涉及各行各业的自动

化技术名词,充斥于中外文献资料,丰富着人们的阔论闲谈。

①商业自动化

商业自动化(Business Automation,简称为 BA),有两重涵义:商业

流通与服务(进货、收货、储运、销售等)管理自动化和销售商品自动化。

②图书馆自动化

图书馆自动化(Library Automation)指的是将自动化技术应用于现代

图书馆,其中起核心作用的仍然是计算机。

③交通运输自动化

交通运输系统是一个复杂的大系统,是国民经济的大动脉。交通运输自

动化是交通运输系统电子化和计算机的综合概念。具体来说,它包含两方面

的内容。一是侧重交通运输系统管理的自动化,直接叫“交通运输自动化”,

如车速监测、自动着陆、导航、车辆等。另一个方面是侧重交通运输工具本

身的自动控制,叫“运载工具自动化”(VehicleAutomation),如汽车燃烧

控制、高速列车自动控制、飞机自动驾驶、船舶航向自动校正、危险作业区

机器人的自动化作业等。

①实验室自动化

实验室自动化(Laroratory Automation),主要指在计算机支持下,以

传感为基础的各种现代实验室的自动化,到现在为止,已提出 20 多年了。

实验室包括各种物理实验室(如高能物理实验室、原子能实验室)、分

析测试实验室、医疗诊断实验室、生物技术实验室、工厂测试检验中心等。

实现实验室自动化的关键之一是分析测试仪表的电脑或智能化。

⑤自动化与就业问题

通过我们前面的介绍,想必大家对自动化技术已有一个比较全面的认

识。自动化技术发展到今天,已不仅仅是一个单纯提高劳动生产率的问题,

而是决定一个企业甚至一个国家未来前途的长远战略问题。美国麦道制造和

工程系统公司总裁克莱西曾一针见血地指出:“现代企业面临两种选择:要

么自动化,要么破产。”

自动化时代生机勃勃,到处充满机会,也到处充满挑战。让我们共同努

力奋斗,把握机会,迎接挑战,为实现我国四个现代化的宏伟目标而贡献自

己的力量吧!

控制自动化的前景

21 世纪的“无人化工厂”

在科学技术高速发展的今天,我们正在接近一个全新的时代:人类彻底

摆脱枯燥乏味的繁琐的劳动,自由自在地去发展人类特有的各种潜能,并全

身心地去探索那些人类目前无法达到的未知王国。这个时代就是机器人时

代。到那时,形式多样的“无人化”工厂将展现在人们眼前。

所谓“无人化工厂”,是工厂自动化的最高形式,但并不是真的无人,

只是与传统的工厂中布满工人的情况相比而言,“无人”工厂中绝大部分现

场工人将退出生产领域,仅有少数的工作人员从事监督和维护工作。

其实,随着工厂自动化的程度日渐提高,各种无人化生产线和自动生产

系统(如 FMS,CWIS 待)早已进入我们的现代化工厂。如美国底特律某汽车

制造厂在 1986 年投入使用的一条自动生产线。一排银色汽车底盘沿着生产线

流动到某个位置时便停了下来。底盘两侧的 6 个“焊工”立即投入工作,在

一个金属框架的周围迅速移动,把需要联接在一起的各种焊头飞快地焊接起

来。唰、唰、唰,23 秒钟便焊好了 250 个接头,技术当属一流。这些“焊工”

从不休息、偷懒,也不喝咖啡、聊天,更不会把吃剩的东西或果皮纸屑、烟

蒂酒瓶之类的杂物乱丢一气,不会把一个干净整洁的车间搞得一团糟。他们

不是一般的普通电焊工,而是机器人。

日本发那科公司,在向“无人”工厂进军方面更是走在前面。早在 1980

年末该公司就在日本富士山旁建成了一座有名的“无人”自动机械加工厂。

走进这家工厂的车间一看,其景象与通常的工厂大不一样。在各个生产岗位

上,电脑控制的机器人大显身手,一切井然有序。车间里听不到刺耳的噪声,

只有自动搬运车沿指定路线往返穿梭。车间内少数几名工人的主要任务是负

责巡视和维护运输设备。

基于“无人化工厂”同样的设想,科学家们还打算把未来工厂的仓库也

变成不用人管理的“无人”仓库。因为生产的飞速发展,产品种类的不断增

多,使得产品入库和出库作业日益复杂化,所以研制开发由电子计算机管理

的“无人”仓库(也叫信息仓库)是自动化技术发展的必然方向。比如日本

东京国际机场的仓库,送货和提货都已采用计算机自动控制。该仓库由地面

到顶棚都是用钢架搭起的,是一个空间得到充分利用的立体化仓库。在架子

中间,留有便于吊车自由通行的通道。这种吊车叫做滑吊,它有能把货物运

到架子上的钢臂(叉臂)。在搬运货物时,吊车就根据计算机的指令随时升

降,并把叉臂伸到所需要的任何地方去。比方说现在进货了,现场的计算机

操作员立即将产品的代码、数量和日期等数据输入计算机,计算机会根据现

有仓位情况,找出距离最近的空架,并向滑吊发出空架位置和入库的指令。

待滑吊工作结束,计算机自动把刚入库的货物信息存储下来,打字机同时把

这份数据打印出来。

从库里提取货物也遵循同样的操作原理,只要把产品代码和数量信息输

进计算机,整个过程就会自动完成,并在货物提走后,自动清除这部分信息,

同时在空余仓位增加新的数据。

不需要为各种货物预留存放位置,所有空架都可以得到充分利用。至于

什么货物存入在什么地方,计算机会记得一清二楚,完全用不着工作人员操

心。这样,仓库的利用率显著提高。

不过应该指出的是,虽然反映人类智力和现代科学技术水平的“无人化

工厂”和“无人化”等新鲜事物早已问世,但是它们目前尚不能成为影响社

会发展的普遍经济因素,还只能作为科学技术实验的开端。根据专家们预计,

只有到 21 世纪“无人化工厂”才有可能用于实际社会生产。

模糊控制论的进一步研究

无论是采用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统,设计者

必须事先知道受控对象的准确描述(数学模型),然后根据所建立的数学模

型以及预定的性能指标,选择恰当的控制规律,进行控制系统设计和调制。

然而,在许多情况下,由于受控对象过于复杂,很难用一般的物理、化学等

已有的规律来描述;些情况,则是没有适当的测量手段,或者测量仪器无法

进入需要测量的区域,以致无法建立受控对象的精确模型。

与此相反,对于某些难以采取自动控制的生产过程,有经验的操作人员

采用手动控制,却能收到令人满意的效果。在许多类似的事实面前,人们又

重新探讨人的控制行为的内在特征。模糊数学的创始人,著名的控制论专家

扎德(L.A.Zadeh)教授曾举过一个停车问题的例子,颇具启发性。

问题的提法是要将一辆车停在拥挤的停车场上两辆车之间的一个预留空

隙中。这个问题要用严格的控制理论方法来解决是非常困难的,即使用一大

型计算机也难以胜任。从实用角度看,它没有精确的解法。但对于一个熟练

的汽车司机来说,这只不过是最起码的看家本领。他只要大致观察估计一下

位置和距离,执行一些看似不很精确的操作就能把车准确的停在预定位置

上。在这里,精确控制不但不可行,而且也无多大必要。相反,人可以根据

观察,利用一些带有模糊性质的概念(如“向右偏一点’、“再往后倒一点”

等术语),而达到准确停车的目的。这就是模糊控制的基本思想。

在现实生活中,虽然有很多事情是清晰而精确的,但大量的事情恰恰是

模糊的。如明天的天气会怎么样啊,近来身体可好哇,他看上去很年轻呀,

等等,这些都是很模糊的概念。

表达这类模糊信息最有效的工具是模糊数学,它是 1956 年由英国学者扎

德创立的。

将模糊数学的思想方法引入自动控制领域,则形成了所谓的“模糊控

制”。模糊控制本质上是属于计算机数字控制的一种形式,模糊控制系统的

组成也与一般的数字控制系统类似。

模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略。手动控制的作用虽然与自

动控制系统中控制器的作用基本相同,但手动控制策略是人们通过学习、试

验以及长期经验积累而逐渐形成的,而控制器的控制决策是基于某种控制算

法(如最优控制算法,自适应控制算法、分解与协调算法等)。因此,设计

模糊控制的关键在于用计算机可以理解的“语言”归纳手动控制策略。

模糊控制主要应用于工业生产过程控制,已有不少成功的例子,其结果

也很有吸引力。早在 1973 年,扎德就给出了模糊逻辑控制器的定义和定理。

世界上第一个模糊控制器是在 1974 年由英国的曼姆达尼(E.H.Mamdani)研

制出来的,并成功地用于传统控制方式难以奏效的锅炉和蒸汽发动机的控

制,获得了满意的控制效果。这一开拓性工作,标志着模糊控制论的诞生。

模糊控制的另一个十分有趣的研究领域是机器人的模糊控制。由于模糊

控制作用具有模拟人脑思维和控制的特点,而智能机器人正需要具备这种功

能,因此在机器人中采用模糊控制是很合适的。

如上所述,近年来国内外学者在模糊控制的理论和应用方面做了许多工

作,但是也应该看到还有不少问题有待于进一步研究解决。不过,有一点可

以肯定,随着科学技术进一步发展,模糊控制这枝控制领域中的奇葩,必将

更加光彩照人。

智能控制

“人为万物之灵”,人类发明了望远镜、无线电、雷达、激光、电话、

电视等,有了神奇的“千里眼”和“顺风耳”,人们还可以驾驭航天飞机去

“大闹天宫”。以微型计算机和人工智能为主要标志的新技术革命,是对人

类智力劳动的替代与扩展,将使人类除拥有自身的智能以外,获得体外的第

2 智能——人工智能。

一般来说,智能是指人类所特有的智慧和才能。智慧是指辩明事理、分

析判断和发明创造的能力;才能是指知识和能力。按照人工智能创始人温斯

顿(P.H.Winston)的定义,人工智能就是研究如何使计算机去做那些过去只

有人才能完成的智能性工作,这是一门新兴的边缘交叉性学科。

在自动化的初期阶段,系统比较简单,控制规律也不复杂,采用我们前

面介绍的常规控制方法就能完成任务。然而,随着社会和科学技术的不断进

步,各种生产过程的自动化、现代军事装备的控制以及航海、航空、航天事

业的迅速发展,都对控制系统的快速性和准确性提出了愈来愈高的要求。对

于各种规摸庞大、结构复杂的大系统,仅仅采用常规的控制措施是无法完成

综合自动化的。不过人们发现,如果把人的智能和自动化技术结合起来,却

能收到令人满意的效果。

关于智能控制,目前尚无统一的定义。有一种观点认为智能控制是自动

控制、运筹学和人工智能三个主要学科相互结合和渗透的产物,这种观点包

含了两层含义,一方面它指出了智能控制产生的背景和条件,即人工智能理

论和技术的发展及其向控制领域的渗透,以及运筹学中的定量优化方法逐渐

和系统控制理论相结合,这样就在理论和实践两方面开辟了新的发展途径,

提供了新的思想和方法,为智能控制的发展奠定了坚实的基础。

这种观点的另一层含义是说明了智能控制的内涵,即智能控制就是应用

人工智能理论和技术以及运筹学方法,与控制理论相结合,在变化的环境下,

仿效人类智能,实现对系统的有效控制。这里所说的环境指的是广义的受控

对象或生产过程及其外界条件。

智能控制是当前正在迅速发展的一个领域,各种形式的智能控制系统、

智能控制器相继开发问世。

由于历史的原因,我国在前几次技术革命时期落伍了,造成了我国在近

代史上的被动挨打局面,其恶果至今尚未完全根除。现在,人类正处在信息

革命和智能革命的攻坚时代,世界各国人工智能科学技术尚未形成质的飞

跃,这正是我国科学事业赶超世界先进水平的大好时机。因此,我们一定要

密切注意主宰未来的智能革命的进展,把握时代的脉搏,跟上世界科学前进

的步伐。愿我国能有更多的有志之士积极投身到这场史无前例的智能革命中

去,跟上时代、跟上世界,振兴中华,自强不息!

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