信息化时代的控制(1)- 从控制现象到控制概念

在信息化时代，控制和自动化技术的应用新机遇将不 断涌现，同时也面临着巨大的挑战。作为新生研讨课，本 课程将以来自生活、科技、军事等领域典型的系统为案例 基础，由简到复杂地针对其中存在的大量控制话题（如系 统建模、决策与人的作用、系统的可靠性等）进行开放式 讨论、研究型教学，让新生对控制在信息化时代不同领域 的应用及涉及到的基本理论和技术问题有初步的认识。以 激发大家能在交叉学科领域发现并提出与控制相关的问题， 进而能自觉地将控制论思维与研究方法与所学的专业知识 进行关联和融合进行进一步研究和探索的兴趣。
思考：你能从该描述性定义中发现哪些未明确的陈述？ 思考：你能从该描述性定义中发现哪些未明确的陈述？
二、对控制概念的进一步解释 2、 “控制”的本质
并不深究一个对象“是什么东西”，而是研究该 对象“是做什么的（或能帮我做什么？）” 。
认识与理解： 认识与理解：
一个可调光台灯； 一台电子计算机； 一部雷达； 一套管理规章制度！……
科技领域（1）
它是什么？ 它有哪些功能？ 它有哪些部件？ 这些部件各起什么作用？ 这些部件的设计与制造需要哪些领域的知识和技术？ 为什么要形成这样的结构？主要性能指标是什么？ 是什么使得这些部件能协调一致地完成功能要求的？
一、常见的控制现象
科技领域（2）
他在干什么？
他是怎样将光标定位到指定区域的？
常见的控制现象 对控制概念的进一步解释
一、常见的控制现象
自然界的猎杀
你从中看到和想到了什么？ 从中看到和想到了什么？
人的行为——取物
你又发现了什么？
一、常见的控制现象
基本的生活需求
你从整个过程感觉到了什么？想对它进一步改进吗？
一、常见的控制现象
金融领域
为什么是曲线变 化的?
一、常见的控制现象
课后思考题一
1、请查阅资料，从你的专业角度再举出1个可能的“控制对 象”，并详细描述该系统的六个特征； 2、请尝试用本讲小结图示的形式给“和谐社会” 建一个控 制系统模型； 3、当一个系统具有复杂对象（Complex Plant）、复杂任务 （Complex Task）、复杂环境（Complex Environment） 这三个特征时，则称该系统为复杂系统，或称为3C系统。 请查阅资料，对一个指挥控制（C2）系统的3C特征进行描 述。
二、对控制概念的进一步解释 3、 “控制”的基本原理（续）
（1） 负反馈
如反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差愈来愈小，则称 为负反馈。 举例： 手取物
思考: 负反馈的优点与缺点？
二、对控制概念的进一步解释 3、 “控制”的基本原理（续）
（2） 正反馈
如反馈的信号是 与输入信号相加，使 产生的偏差愈来愈大， 则称为正反馈。
一、常见的控制现象
科技领域（4）—— 热点关注之二
该工程的任务有哪些？ 月球车发挥作用的主要技术是什么？
一、常见的控制现象
娱乐领域
一、常见的控制现象
工业领域
一、常见的控制现象
军事领域（1）
NMD是由5大部分 组成的，即预警卫 星、改进的预警雷 达、地基雷达、地 基拦截弹和作战管 理指挥控制通信系 统。
课程计划
从控制现象到控制概念（2+2学时 学时）； 第一讲 从控制现象到控制概念（2+2学时）； 控制理论与技术的发展 2+4学时 的发展（ 学时）； 第二讲 控制理论与技术的发展（2+4学时）； 控制面临的机遇与挑战（2+2学时 学时）； 第三讲 控制面临的机遇与挑战（2+2学时）； 控制的新话题（2+4学时 学时）； 第四讲 控制的新话题（2+4学时）； 实验与演示 总结汇报 小时）； （2小时）； 小时）。 （2小时）。
uf
二、对控制概念的进一步解释 6、 “控制器”与“控制算法”
控制器的作用（Function of Controller） 控制器的作用（ Controller） 加工信息、产生控制信号。 是控制系统的核心！ 控制算法（ Algorithm） 控制算法（Control Algorithm） 控制信号（信息）随误差信息变化的规则。 是控制理论研究的核心！。
由此给你带来哪些联想？有什么创新的冲动？
一、常见的控制现象
科技领域（3）
神七的任务有哪些？ 该航天工程有哪些分系统？ 飞船从发射到返回舱着陆经过了哪些过程？ 是什么保证这些活动及过程能协调一致地完成设定的任务的？
一、常见的控制现象
科技领域（4）—— 热点关注之一
该工程的任务有哪些？ 神八后续系列如何实现与天宫一号的对接？
思考: 前面介绍的各类示例是否都具有这些特性？ 问题: 这些不同示例中的特性该如何描述和表达？
原理图 二、对控制概念的进一步解释
5、“控制”与“自动控制” 对一个炉温控制系统的较详细解释！
被控对象
方框图
ug
给定温度
控 uε 制 器 uk
放 大 环 节
执
ua
行 环 节
θm
Baidu Nhomakorabea
电 位 器 uc
炉
T
( 温 )
二、对控制概念的进一步解释 8、 （反馈）控制的作用
在许多应用领域中，反馈是一种使能技术(enabling technology)，并在不同领域中，被多次赋予新的形式。
空间飞行器的导航和控制系统，控制系统提供了稳定性，并且当存在大 的环境变化和系统不确定性时系统具有良好的跟踪性能。 制造业中的控制系统，由计算机控制的机械设备提供了精确定位和生产 高质量元器件和产品所需的装配线。 工业过程控制系统，通过监控成千上万个传感信号和对成百上千个阀门、 加热器、泵和其他执行器进行调节，以保证产品质量。 通讯系统的控制，控制系统调节发送器和转发器的信号功率，管理网络 路由设备中的缓冲区，并提供对传输线路变化的自适应噪声抵消。 电子系统的控制，其中利用反馈来补偿元件或参数变化，以保证可靠的、 可重复的特性； 信息和决策系统的控制，其中根据对未来需求的估计完成有限资源的动 态分配 。
要求：每人任选一题，做出ppt , 主讲5-8分钟。
无固定教材
主要参考资料：
维 纳著，控制论，北京大学出版社， 纳著，控制论，北京大学出版社，2007
理查德等，信息爆炸时代的控制，科学出版社，2004 理查德等，信息爆炸时代的控制，科学出版社， 彭永东著，控制论的发生与传播研究，山西教育出版社，2008 彭永东著，控制论的发生与传播研究，山西教育出版社， 周献中等 自动化导论，科学出版社， 周献中等，自动化导论，科学出版社，2009 其他有关论文与科技资料
新生研讨课
信息化时代的控制
第一讲—从控制现象到控制概念
控制与系统工程系 周献中
zhouxz@nju.edu.cn
课 程简 介
授课思路 课程学习目的与要求 课程计划 基本参考资料
授 课 思 路
沿着“四个前提，四个过程”的思路展开研讨教学： 前提①有所体会不一定是认知的，强调对存在于不同领域的 “控制”和“反馈”现象的感知（即现象认知）； 前提②有所发现不一定是理性的，强调对 “Cybernetics” （控制论）、“System”（系统）、“Communication” （通信）等有关概念提出的背景和方法方式的了解（即 概念提炼）； 前提③有概念创新不一定是共识的，强调学术界对“控制论”、 “系统论”和“信息论”自出现起就存在的各种学术讨 论的理解（即学术纷争）； 前提④有知识体系不一定是完善的，强调对应用控制思想和方 法于信息化时代各领域时出现的新现象和面临的挑战的 认识（即机遇与发展）。
思考: 正反馈的优点与缺点？
二、对控制概念的进一步解释 4、 “控制”研究的对象
凡具有以下特征的系统，均是控制研究的对象
（1）系统具有一定（或明确）的目标； 系统具有一定（或明确）的目标； 系统沿一条“轨迹”向目标进发； （2）系统沿一条“轨迹”向目标进发； 环境或系统自身的因素干扰了轨迹； （3）环境或系统自身的因素干扰了轨迹； 现状信息返回系统（中的某一环节）； （4）现状信息返回系统（中的某一环节）； 测量” 或评估）现状与目标之间的偏差； （5）“测量”（或评估）现状与目标之间的偏差； 系统采取一系列动作（或作用）纠正行动及轨迹。 （6）系统采取一系列动作（或作用）纠正行动及轨迹。
二、对控制概念的进一步解释 7、 “控制”与管理和决策
管理是指为了充分利用各种资源来达到一定的目的, 而对社会或其组成部分施加的一种控制。 决策是指为了获得最优方案,对若干准备方案进行选 择; 先进控制=控制+管理和决策+计算机; 控制算法和控制策略的选择是一个决策问题！ 控制算法和控制策略的选择是一个决策问题！
一、常见的控制现象
军事领域（2）
一、常见的控制现象
分析与讨论
诸例中，主体为达到某种目的（或目标），使用 的基本手段（或作用）是什么？
控制 信息 反馈 （控制） 系统
控制的基础是什么？
为使控制对象能在（未知）扰动的情形下能达到 希望的运行效果，是什么在影响控制力的大小和 方向？ 是什么将控制、信息、反馈结合在一起共同作 用以达到预定的目标的？
一、常见的控制现象
小结
控制系统
主 体 目 标 信息 信息 被 控 对 象 信息 实 际 效 果
控制
信息
反馈
信息
二、对控制概念的进一步解释 1、对“控制”的描述性定义
指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过 信息的采集和加工而施加到系统的作用。
关键词： 关键词：
改善性能（控制的目的）， 改善性能（控制的目的）， 信息采集与加工 控制的依据）， 加工（ 信息采集与加工（控制的依据）， 施加作用（控制的任务）。 施加作用（控制的任务）。
二、对控制概念的进一步解释 3、 “控制”的基本原理
把系统的输出量（信号/信息）的部分或全部取出并回送到 输入端，与输入信号相比较产生偏差信号，再通过对该偏差处理 后作用到被控对象，进而对系统以后的输出产生影响的过程。
反馈原理
（By “closing the loop”, effect is connected with cause, so cause— that the cause—effect relationship is now one of interdependence. ）