第十五章 控制论方法

四、功能模拟方法
1、什么是功能模拟方法 、
· 生物机体与控制系统都具有相似的功能 如人眼与雷达都有搜索， （如人眼与雷达都有搜索，跟踪目标的功 能）； · 它们都按预定目的动作（合乎目的性）； 它们都按预定目的动作（合乎目的性）； · 最终效果都以一定的操作或行为来达到打 击目标物。这种功能或行为的相似性， 击目标物。这种功能或行为的相似性，在 生物和机器以至社会生活中都是普遍存在 的，我们把这种以功能和行为的相似为基 础，用模型模仿原型的功能和行为的方法 称之为功能模拟方法。 称之为功能模拟方法。
· 功能模拟方法开辟了向生物界寻求科 学技术设计思想的新途径。 学技术设计思想的新途径。 （1）控制论突破了机器与生物的界限， ）控制论突破了机器与生物的界限， 把目的和行为赋予机器， 把目的和行为赋予机器，为机器与生 物之间进行功能模拟提供了理论根据。 物之间进行功能模拟提供了理论根据。 （2）为用精确的物理技术科学的方法和 ） 工具来研究、 工具来研究、模拟生物界现象的仿生 奠定了真正的科学基础， 学，奠定了真正的科学基础，开辟了 发展现代科学技术的新途径。 发展现代科学技术的新途径。
· 反馈效果 （1）正反馈： ）正反馈： 系统的给定信息与真实信息的差异倾 向于加剧系统正在进行的偏离目标的运动， 向于加剧系统正在进行的偏离目标的运动， 使系统趋于不稳定状态， 使系统趋于不稳定状态，乃致破坏稳定状 态。 （2）负反馈： ）负反馈： 系统的给定信息与真实信息的差异倾 向于反抗系统正在偏离目标的运动， 向于反抗系统正在偏离目标的运动，那么 它就使系统趋向于稳定状态。 它就使系统趋向于稳定状态。
（3）控制系统运行原理： ）控制系统运行原理： · 新的信息不断输入到施控系统，感受机构接到 新的信息不断输入到施控系统， 信息后，传给中枢机构进行加工处理， 信息后，传给中枢机构进行加工处理，通过 执行机构输出控制信号到被控系统。 执行机构输出控制信号到被控系统。 · 被控系统引起反应又继续发出新的信号，返传 被控系统引起反应又继续发出新的信号， 给施控系统，如此循环往返， 给施控系统，如此循环往返，但每次循环都 不是简单的重复，而是有新的信息内容， 不是简单的重复，而是有新的信息内容，使 得控制作用更加向预定目标逼进。（ 。（如图所 得控制作用更加向预定目标逼进。（如图所 示） · 可见控制系统能行使控制作用；取决于信息的 可见控制系统能行使控制作用； 运动 · “功能模拟”是控制论的出发点，解决机器模仿 功能模拟” 功能模拟 是控制论的出发点， 生物体运动功能。（机器人、 。（机器人 生物体运动功能。（机器人、电脑是控制方 法成功例证） 法成功例证）
1、功能模拟方法的特点 、 （1）它只以功能和行为相似为基础， ）它只以功能和行为相似为基础， 所模拟的是一切具有控制和通讯功能系统 的合乎目的性的行为。 的合乎目的性的行为。
（2）它可用“黑箱”理论，从功 ）它可用“黑箱”理论， 能上描述和模仿系统对环境影响的反 应方式， 应方式，一般无需分析系统的内部的 机制和个别要素， 机制和个别要素，不追求模型的结构 与原型相同。 与原型相同。
运算器
输入
存贮器
输出
控制器
电子计算机简图
（1）、 耳等）来接受外来信息。 鼻、耳等）来接受外来信息。 （2）用存贮器模拟人脑的记忆功能，将外 ）用存贮器模拟人脑的记忆功能， 来信息存下来，并可供随时提取。 来信息存下来，并可供随时提取。 （3）用运算器模拟人脑的判断、选择、计 ）用运算器模拟人脑的判断、选择、 算功能。 算功能。 （4）用控制器模拟人脑在整个思维运动过 ） 程中有条不紊地指挥各部件协调一致地工作。 程中有条不紊地指挥各部件协调一致地工作。 （5）用输出设备来模拟人对外界环境的反 ） 应，可以输出计算结果或外部设备联结指挥别 的机器动作。 的机器动作。
（3）在传统模拟中，模拟只是一种认 ）在传统模拟中， 识原型的手段，而在功能的模拟中， 识原型的手段，而在功能的模拟中，模型 则是具有生物目的性行为的机器， 则是具有生物目的性行为的机器，它本身 就是研究的目的。 就是研究的目的。
2、功能模拟方法的作用 、 · 功能模拟使电脑（电子计算机）代替 功能模拟使电脑（电子计算机） 人脑的部分思维功能成为可能， 人脑的部分思维功能成为可能，为人工智 能的研究提供了有效方法。 能的研究提供了有效方法。
· 功能模拟方法还可以模拟复杂的社会过程 中的某些现象 （1）扩大了模拟的对象，可以模拟以往所 ）扩大了模拟的对象， 不能模拟的复杂的动态系统及其与环境之 间的最佳化联系。 间的最佳化联系。 （2）扩大了作为模拟的客观相似基础，可以 ）扩大了作为模拟的客观相似基础， 模拟以前无法模拟的系统的合乎目的性的 行为和功能。 行为和功能。 （3）功能模拟方法的应用开辟了模拟生物过 ） 心理过程和社会过程的新途径。 程，心理过程和社会过程的新途径。
二、反馈方法
1、反馈与反馈方法 、
输入 被控对象 输出
反馈信息
· 反馈：一般人们把系统输送出去的 反馈： 信息（给定信息） 信息（给定信息）作用于被控对象后产 生的结果（真实信息）再输送回来， 生的结果（真实信息）再输送回来，并 对信息的再输出发生影响的过程。 对信息的再输出发生影响的过程。
· 反馈方法： 反馈方法： 运用反馈概念去分析和处理问题的 方法， 方法，是一种用系统活动的结果来调整 系统活动的方法。 系统活动的方法。
a 可以检查计划执行情况和计划是否制定得当
环境 市场） （市场） 计划 管理 生产
库存
反馈控制示意图
b 可以检查政策的制定和执行是否符合实际
环境 目的 制定方案 政策分析 执行
分析结果 执行结果
政策反馈示意图
三、黑箱辨识方法
· 黑箱概念是相对的 · 黑箱：是指其内部结构尚不能够或 黑箱： 不便于直接观察到的， 不便于直接观察到的，只能从外部 去考察和认识的系统。 去考察和认识的系统。 · 白箱：内部结构可以直接观察到的 白箱： 系统 · 灰箱：内部结构可部分直接观察到 灰箱： 的系统
· 控制过程： 控制过程： 实际上就是信息处理和信息变换的 能动过程， 能动过程，深刻体现了系统的联系的观 动态的观点、 点、动态的观点、有机整体的观点和定 量的观点以及确定性与随机性的辩证统 一的观点。 一的观点。
· 控制方法： 控制方法： 运用较多的反馈方法、黑箱辩证方 运用较多的反馈方法、 法和功能模拟方法。 法和功能模拟方法。
2、黑箱辨识方法的作用 、 · 黑箱辨识方法的最大优点，在于无须 黑箱辨识方法的最大优点， 直接考察所研究对象的内部结构， 直接考察所研究对象的内部结构，而 只是就功能行为方面对事物作以整体 性研究， 性研究，因而在科学研究中有着某种 特殊的作用。 特殊的作用。
（1）黑箱辨识方法是研究生命系统的 ） 重要工具。 重要工具。 · 本世纪 年代末，斯塔克运用黑箱 本世纪50年代末 年代末， 辨识方法对瞳孔控制系统进行研究。 辨识方法对瞳孔控制系统进行研究。 · 运用黑箱辨识方法对人体血压控制系 呼吸系统， 统，呼吸系统，体温调节系统进行研 究。
（2）黑箱辨识方法研究高度复杂的巨 ） 系统提供了有效的工具。 系统提供了有效的工具。 · 应用黑箱辨识方法，从系统的输入、 应用黑箱辨识方法，从系统的输入 输出特性对系统的整体功能进 行研究 是行之有效的途径。 是行之有效的途径。 · 应用黑箱辨识方法研究人口系统。 应用黑箱辨识方法研究人口系统。
· 控制的普遍性： 控制的普遍性： 生物系统，思维系统，社会系统工 生物系统，思维系统， 程技术系统军事系统等
2、控制技术 、 · 是现代工程技术的重要组成部分
· 人工控制： 人工控制： 是一切控制技术的先导和基础， 是一切控制技术的先导和基础，在 这个阶段，控制过程的信息获取、 这个阶段，控制过程的信息获取、加工 处理、信息输出、 处理、信息输出、执行指令都是由人直 接承担。 接承担。
第十五章
控制论方法
维纳的控制论方法： 维纳的控制论方法：
· 突破了以抽象分析为核心的传统方法 · 通过能动的把握信息的传输对自然事物 进行整体的综合的动态研究 · 从20世纪六十年代以后，控制论的研究 世纪六十年代以后， 世纪六十年代以后 逐步与系统工程、 逐步与系统工程、系统科学的研究相互 渗透 · 控制论普遍存在于自然、社会与思维各 控制论普遍存在于自然、 个领域， 个领域，成为普遍运用的方法
1、黑箱辨识方法的基本步骤 、
输入 黑 箱 考察黑箱 否 可供选择的黑箱 模 型 是 确立黑箱模型 应用 输出
· 第一步：把研究对象从环境中相对地 第一步： 分离”出来，以确认黑箱。 “分离”出来，以确认黑箱。 · 第二步：考察黑箱的输入，输出及其 第二步：考察黑箱的输入， 动态过程。 动态过程。 · 第三步：建立模型，阐明黑箱。 第三步：建立模型，阐明黑箱。
· 控制是一个动态过程： 控制是一个动态过程： 判断过程、组织过程、联系和调节 判断过程、组织过程、 过程。 过程。
· 控制过程基本矛盾： 控制过程基本矛盾： 控制与被控制、施控与被控。 控制与被控制、施控与被控。
· 控制作用： 控制作用： 为了使系统能稳定地保持成达到所 需的状态，必须对系统施加一定的作用， 需的状态，必须对系统施加一定的作用， 同系统的组织性降低的自然趋势（ 同系统的组织性降低的自然趋势（即熵 增加的趋势）进行“斗争”，以克服系 增加的趋势）进行“斗争” 统的基础不稳定性。 统的基础不稳定性。
一、控制论方法的基本特点
1、什么是控制 、 · 控制是一个有组织的系统： 控制是一个有组织的系统： 根据内部外部的各种变化而进行调 不断克服系统的不确定性， 整，不断克服系统的不确定性，使 系统保持某种特定的状态。 系统保持某种特定的状态。
· 控制是一种联系和调节： 控制是一种联系和调节： 使事物之间、系统之间、 使事物之间、系统之间、部门之间 相互作用、相互制约，克服随机因素， 相互作用、相互制约，克服随机因素， 达到预期的目的。 达到预期的目的。
2、控制论方法的基本特点 、
扰动 输入 被控系统 输出
执行机构
感受机构
中枢控制机构
施控系统
（1）控制方法： ）控制方法： · 通过信息处理的能动过程，解决控制 通过信息处理的能动过程， 与被控制的矛盾， 与被控制的矛盾，使系统运行处于最佳 状态或保持系统的稳定性， 状态或保持系统的稳定性，借以实现人 们事先对系统所规定的目标。 们事先对系统所规定的目标。
· 反馈方法就是利用这两种状态的 差异来解决系统中确定性与不确定 性这对矛盾而使系统达到稳定的有 效方法。 效方法。
2、反馈方法的作用 、 · 反馈方法在现代科学技术中广泛应 取得成效如蒸汽机。 用，取得成效如蒸汽机。 · 反馈方法在生物学、医学、神经生理 反馈方法在生物学、医学、 学也显著地起作用。 学也显著地起作用。 · 在经济管理和社会管理方面，反馈方 在经济管理和社会管理方面， 法的作用： 法的作用：
· 自动控制： 自动控制： 特点是非人工控制，即在没有人直 特点是非人工控制， 接参加的情况下，利用控制装置， 接参加的情况下，利用控制装置，使被 控制对象按预先要求实现控制。 控制对象按预先要求实现控制。
· 现代控制： 现代控制： 突出特点是多变量控制， 突出特点是多变量控制，是以电子 计算机为手段，解决大系统的最优化， 计算机为手段，解决大系统的最优化， 是控制技术的较高阶段。 是控制技术的较高阶段。
（2）控制论方法的特点： ）控制论方法的特点： · 就是把人的行为、目的以及生理基 就是把人的行为、 即大脑与神经活动同电子、 础、即大脑与神经活动同电子、机械运 动联系起来； 动联系起来； · 突破了无机界与有机界域，揭示生 突破了无机界与有机界域， 物有机体、 物有机体、机器和社会等不同物质运动 形态的信息联系。它是从整体、 形态的信息联系。它是从整体、相互联 运动变迁的角度来观察问题的方法。 系、运动变迁的角度来观察问题的方法。