控制理论 Control Theory
控制理论(Control Theory)
自我控制理论：恰当的训练使人获得抑制天然 冲动的能力而守法
未经历上述改变者就发展为犯罪人 这类理论又被称为“社会结合失败理论” (Failing to Bond)
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1
控制理论的基本观点
• 犯罪的意志与能力是人之天性，无需解释 • 罪犯不过是那些维持其自然状态的个体 • 守法的意志与能力就是对人之天性的控制意志与能力 • 守法者不论在内因与外因方面都发生了关键性改变，这些
这类理论又被称为“问题性社会结合理论” （Problematic Bonding）
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《金刚》：原初状态的人类犹如金刚，欲求强烈， 百无禁忌，自我中心，不加以约束的话极具破坏
力 5
性恶论与守法行为归因
这一理论倾向相信人性本恶
人类天性的主要成分为“恶魔”：自私，贪婪， 暴力，缺乏自我控制
• 在现实中，低程度的自我控制和对犯罪行为的倾向很可能 就是同一个东西。换句话说此理论有同义反复和循环论证 的逻辑谬误 (Akers，1991)。
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控制理论的心理学解读
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低自我控制的实质是什么？
6个:
(1) 冲动性 (impulsivity)：倾向于对当前环境做出直接反应而不追求延迟的 满足，不擅考虑行为之长期后果（认知能力要素）
• 具体运算阶段(7-12岁)：儿童已经有了成人逻辑思维能 力的萌芽；逻辑思维涉及实际的物体而非抽象的观念。 有了“去中心化” 的能力，儿童的道德判断变得二维 和主观了。
• 形式运算阶段(12岁至成人)：认知成熟，能进行抽象和 逆向的思考。
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Lawrence Kohlberg的道德发展理论
德勒兹 控制论
德勒兹控制论
德勒兹控制论（Deleuze's Control Theory）是法国哲学家吉尔·德勒兹（Gilles Deleuze）提出的一种社会政治理论。
该理论于1990年代初开始发展，是对传统的权力和社会控制理论的批判和重构。
德勒兹控制论认为，传统的社会控制理论主要基于禁止、纪律和监管的方式，通过建立规则和制度来统治和管理社会。
然而，在当代社会，信息科技、全球化和新媒体的出现，导致了权力的变异和社会关系的复杂性。
德勒兹控制论认为，传统的禁止式的控制已经变得不再有效，社会中的控制机制已发生转变。
德勒兹控制论提出了几个关键概念：
1. 控制社会（Societies of Control）：德勒兹认为，当代社会不再是固定的禁止和纪律的社会，而是通过控制和操控来达到统治的目的。
这种控制是更加隐蔽、持续而流动的，并且通过全面的监视、管制和技术手段来实现。
2. 阀值（Threshold）：阀值是指个体或群体进入特定状态的点，它可以是信息系统中的某个节点，也可以是个人在社会中所处的位置。
通过触发阀值，控制力量可以实施更加精确和个性化的控制。
3. 可塑性（Plasticity）：控制论强调了个体的可塑性，即个体受到控制力量的影响，不断被塑造和改变。
个体在控制论中不再是单一和固定的，而是可变化和多样化的。
德勒兹控制论对社会政治的理论和实践提出了一种新的观点，强调了控制力量的变异性和复杂性。
它对于理解当代社会中的权力运行和社会关系具有重要的意义。
最优控制理论
最优控制理论最优控制理论（optimal control theory），是现代控制理论的一个主要分支，着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。
最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最优解的一门学科。
它是现代控制理论的重要组成部分。
简介这方面的开创性工作主要是由贝尔曼（R.E.Bellman）提出的动态规划和庞特里亚金等人提出的最大值原理。
这方面的先期工作应该追溯到维纳（N.Wiener）等人奠基的控制论（Cybernetics）。
1948年维纳发表了题为《控制论—关于动物和机器中控制与通讯的科学》的论文，第一次科学的提出了信息、反馈和控制的概念，为最优控制理论的诞生和发展奠定了基础。
研究内容最优控制理论所研究的问题可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。
这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。
例如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少，选择一个温度的调节规律和相应的原料配比使化工反应过程的产量最多，制定一项最合理的人口政策使人口发展过程中老化指数、抚养指数和劳动力指数等为最优等，都是一些典型的最优控制问题。
最优控制理论是50年代中期在空间技术的推动下开始形成和发展起来的。
苏联学者Л.С.庞特里亚金1958年提出的极大值原理和美国学者R.贝尔曼1956年提出的动态规划，对最优控制理论的形成和发展起了重要的作用。
线性系统在二次型性能指标下的最优控制问题则是R.E.卡尔曼在60年代初提出和解决的。
主要方法为了解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程，给出控制变量的允许取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态，并且规定一个评价运动过程品质优劣的性能指标。
通常，性能指标的好坏取决于所选择的控制函数和相应的运动状态。
Classical control theory 经典控制理论 精美英文PPT
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By group six
In1932, American physicist Nyquist (H. Nyquist)
proposed the frequency response method. (频率 响应法)
By group six
The development of classical control theory
By group six
The root locus method
Definition
The root locus is the path of the roots of the
characteristic equation traced out in the s-plane as a system parameter (参数)is changed. Explanation The root locus is a curve of the location of the poles of a transfer function as some parameter (generally the gain K) is varied. The number of zeros does not exceed the number of poles.
By group six
The root locus procedure
• Step 1:Write the characteristic equation as： • Step 2:Factor(分解) P(s),write the polynomial （多项式） in the form of poles and zeros.
最优控制理论
对于越来越多的复杂控制对象，一方面，人们所要求的控制性能不再单纯的局限于一两个指标；另一方面，上述各种优化方法，都是基于优化问题具有精确的数学模型基础之上的。但是许多实际工程问题是很难或不可能得到其精确的数学模型的。这就限制了上述经典优化方法的实际应用。随着模糊理论、神经网络等智能技术和计算机技术的发展。 近年来，智能式的优化方法得到了重视和发展。 (1)神经网络优化方法 人工神经网络的研究起源于1943年和Mc Culloch和Pitts的工作。在优化方面，1982年Hopfield首先引入Lyapuov能量函数用于判断网络的稳定性，提出了Hopfield单层离散模型；Hopfield和Tank又发展了Hopfield单层连续模型。1986年，Hopfield和Tank将电子电路与Hopfield模型直接对应，实现了硬件模拟；Kennedy和Chua基于非线性电路理论提出了模拟电路模型，并使用系统微分方程的Lyapuov函数研究了电子电路的稳定性。这些工作都有力地促进了对神经网络优化方法的研究。 根据神经网络理论，神经网络能量函数的极小点对应于系统的稳定平衡点，这样能量函数极小点的求解就转换为求解系统的稳定平衡点。随着时间的演化，网络的运动轨道在空间中总是朝着能量函数减小的方向运动，最终到达系统的平衡点——即能量函数的极小点。因此如果把神经网络动力系统的稳定吸引子考虑为适当的能量函数（或增广能量函数）的极小点，优化计算就从一初始点随着系统流到达某一极小点。如果将全局优化的概念用于控制系统，则控制系统的目标函数最终将达到希望的最小点。这就是神经优化计算的基本原理。 与一般的数学规划一样，神经网络方法也存在着重分析次数较多的弱点，如何与结构的近似重分析等结构优化技术结合，减少迭代次数是今后进一步研究的方向之一。 由于Hopfield模型能同时适用于离散问题和连续问题，因此可望有效地解决控制工程中普遍存在的混合离散变量非线性优化问题。 (2)遗传算法 遗传算法和遗传规划是一种新兴的搜索寻优技术。它仿效生物的进化和遗传，根据“优胜劣汰”原则，使所要求解决的问题从初始解逐步地逼近最优解。在许多情况下，遗传算法明显优于传统的优化方法。该算法允许所求解的问题是非线性的和不连续的，并能从整个可行解空间寻找全局最优解和次优解，避免只得到局部最优解。这样可以为我们提供更多有用的参考信息，以便更好地进行系统控制。同时其搜索最优解的过程是有指导性的，避免了一般优化算法的维数灾难问题。遗传算法的这些优点随着计算机技术的发展，在控制领域中将发挥越来越大的作用。 目前的研究表明，遗传算法是一种具有很大潜力的结构优化方法。它用于解决非线性结构优化、动力结构优化、形状优化、拓扑优化等复杂优化问题，具有较大的优势。 (3)模糊优化方法 最优化问题一直是模糊理论应用最为广泛的领域之一。 自从Bellman和Zadeh在 70年代初期对这一研究作出开创性工作以来，其主要研究集中在一般意义下的理论研究、模糊线性规划、多目标模糊规划、以及模糊规划理论在随机规划及许多实际问题中的应用。主要的研究方法是利用模糊集的a截集或确定模糊集的隶属函数将模糊规划问题转化为经典的规划问题来解决。 模糊优化方法与普通优化方法的要求相同，仍然是寻求一个控制方案（即一组设计变量），满足给定的约束条件，并使目标函数为最优值，区别仅在于其中包含有模糊因素。普通优化可以归结为求解一个普通数学规划问题，模糊规划则可归结为求解一个模糊数学规划(fuzzymathematicalprogramming)问题。包含控制变量、目标函数和约束条件，但其中控制变量、目标函数和约束条件可能都是模糊的，也可能某一方面是模糊的而其它方面是清晰的。例如模糊约束的优化设计问题中模糊因素是包含在约束条件（如几何约束、性能约束和人文约束等）中的。求解模糊数学规划问题的基本思想是把模糊优化转化为非模糊优化即普通优化问题。方法可分为两类：一类是给出模糊解（fuzzysolution）；另一类是给出一个特定的清晰解（crispsolution）。必须指出，上述解法都是对于模糊线性规划（fuzzylinearprogramming）提出的。然而大多数实际工程问题是由非线形模糊规划（fuzzynonlinearprogramming）加以描述的。于是有人提出了水平截集法、限界搜索法和最大水平法等，并取得了一些可喜的成果。 在控制领域中，模糊控制与自学习算法、模糊控制与遗传算法相融合，通过改进学习算法、遗传算法，按给定优化性能指标，对被控对象进行逐步寻优学习，从而能够有效地确定模糊控制器的结构和参数
国际关系结构主义理论的控制论透视
国际关系结构主义理论的控制论透视理性国家往往是国际关系研究的基本假定，这意味着国家间几乎不存在没有目的的行为。
所以，研究者可以在“国家的行为都是有目的的”的基础上观察国际问题。
对于有目的的行为，控制论是一个经典的分析视角。
它的基本原理和概念能够帮助我们厘清国家间行为的本质。
因此，本文首先简要介绍控制论的产生背景和发展现状，并概括控制论的基本思想和研究方法，然后对与控制论密切相关的结构主义理论进行透视，最后初步探讨控制论对国际关系理论领域尤其是结构主义理论的启示。
一、控制论基本思想和研究方法1.产生背景与发展历程。
控制论（Cybernetics）一词来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。
对这种思想的阐释与研究可以追溯到柏拉图。
柏拉图（Plato）在《高尔吉亚》中使用Cybernetics形容航行技术和修辞技术。
这两种活动中，目的都是“控制”，而技术的关键问题都是“信息反馈”。
近代以来，物理学家安培（Ampfire）在19世纪30年代使用Cybernetics形容政治领域的控制、管理和统治的技术。
1938年，罗马尼亚学者奥多布莱扎（Odobleja）在巴黎出版《协调心理学》，力图把心理学建立在协调概念的基础上，而这些协调靠不断反馈来保持。
1943年，维纳（Norbert Wiener）与他的同事共同发表了一篇名为《行为、目的和目的论》的论文，这可以说是维纳之后的《控制论》的一个纲。
这篇论文目的有两个：一是强调目的概念的重要性；二是定义行为主义的研究方法，即黑箱方法。
1948年，维纳出版《控制论》。
直到这时，人们才第一次把过去不同要素联系在一起，用哲学的而不是专门技术的观点来概括，从而使一门新领域正式诞生。
维纳的《控制论》出版之后，迅速出现一个传播热潮。
主要的普及型书籍包括维纳自己的《人有人的用处》（1950）和英国学者阿什比（Ashby）的《控制论导论》（1956）。
control value theory
control value theoryControl Value Theory（控制价值理论）是一种关于人类行为决策的理论模型，它提供了一个框架来解释个体在不同情境下做出决策的过程和原因。
该理论认为，个体的行为决策在很大程度上受到他们对行为结果的控制感知和价值评估的影响。
在控制价值理论中，控制感知是指个体对于自己能够在特定情境下掌握和影响行为结果的程度的感知。
控制感知被认为是个体对于行为结果的控制能力的一种评估，它可以根据个体的经验、知识和技能水平来进行判断。
当个体感到自己对于行为结果具有较高的控制能力时，他们更有可能去做出相应的行为。
而价值评估则是指个体对于行为结果的主观评价。
个体会根据自己的需求、期望和价值观对不同的行为结果进行评估，从而决定是否采取相应的行为。
价值评估可以包括对结果的好坏程度、满足需求的程度以及与个体目标的一致性等方面的考量。
控制价值理论认为，个体的行为决策是在控制感知和价值评估的交互作用下进行的。
当个体感到自己对于行为结果具有较高的控制能力，并且对行为结果给予较高的价值评估时，他们更有可能去采取相应的行动。
相反，当个体感到自己对于行为结果缺乏控制能力，并且对行为结果给予较低的价值评估时，他们则更可能选择不采取相应的行动。
控制价值理论对于解释个体的行为决策具有重要的启示意义。
首先，它提醒我们在设计和改进特定情境下的行为决策时，需要考虑个体对于行为结果的控制感知和价值评估。
例如，在组织管理中，为了激发员工的工作动力，管理者可以提供一定程度的自主权和决策权，增强员工对于工作结果的控制感知，并设计合理的激励机制，提高员工对于工作结果的价值评估。
控制价值理论还提示我们在解释和预测个体行为时，需要考虑其控制感知和价值评估的因素。
例如，在研究消费者行为时，研究者可以考虑消费者对于购买行为结果的控制感知和价值评估，从而更好地解释和预测其购买决策。
控制价值理论还可以为行为改变和干预提供指导。
现代控制理论Modern Control Theory
c(t)
s(s 1)(4s 1)
试分析系统的稳定性
解 非线性环节为库仑摩擦加黏性摩擦
查表得描述函数 N ( A) K 4M
Chapter 8 Analysis and design of nonlinear system
非线性系统的分析与设计
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The Principle of Automatic Control 2008
第八章、非线性控制系统分析
8.1 非线性控制系统概述 8.2 相平面法 8.3 描述函数法 8.4 改善非线性系统性能的措施及非线性特
8.1 非线性控制系统概述
8.1.3 非线性系统运动的特殊性
• 不满足叠加原理— 线性系统理论原则上不能运用
• 稳定性问题 — 不仅与自身结构参数，且与输 入，初条件有关，平衡点可能不惟一
• 自振运动
— 非线性系统特有的运动形式
没有外界周期变化信号的作用时，系统内产生的具 有固定振幅和频率的稳定周期运动,简称自振
性的利用（稳定性判别）
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The Principle of Automatic Control 2008
8.1 非线性控制系统概述
8.1.1 非线性现象的普遍性
非线性是宇宙间的普遍规律 非线性系统的运动形式多样，种类繁多 线性系统只是在特定条件下的近似描述
E.g. 欧姆定律U=IR
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The Principle of Automatic Control 2008
j
G( j)
1 N ( A)
1 N ( A)
0
当гG曲线包围
1 N ( A)
,系统不稳定
当гG曲线不包围 N (1A),系统稳定
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The Principle of Automatic Control 2008
控制理论的发展与一些存在的问题
控制理论的发展与一些存在的问题段志生北京大学工学院什么是自动化？一般是指生产、管理和科研过程中，在没有人的直接干预下，通过一定的技术装置，就能达到预定的目标。
其中有关的技术装置，就是自动控制装置。
控制理论－自动化的基础自然科学－－认识世界控制－－改造世界北京大学一、控制论的产生与发展社会背景现代社会的生产和管理对于高度自动化水平的需要数学分析, 微分方程, 统计数学, 信息科学社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。
——恩格斯标志二战期间，维纳参加了火炮控制和电子计算机的研制工作。
1948年维纳发表了著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学》标志着控制论作为一门科学诞生。
1、我国古代、近代的自动化装置北京大学及其反映的控制思想李约瑟中国科学技术史北京大学瓦特离心式调速器1787年J.C. Maxwell 1868年发表论文“论调速器”对反馈作了理论论述，并从数学上作了探讨。
2、直接推动近代科技发展的调速器北京大学3、控制论的基本概念和方法（1）目的有无目的是区分人与机器的根本问题, 目的论与机械论的根本对立.（2）行为、控制为了改善某个对象的功能，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的，加于该对象上的作用。
（3）黑箱——灰箱——白箱“知人知面不知心”输入输出中医“望、闻、问、切”（1）按偏差进行补偿的系统特点：系统中至少有一个将输出量加以回输的闭合环路，是具有反馈的闭环系统。
（2）按扰动进行调节的系统特点：输入量按负荷的变化而成比例的改变以趋近目标值，是开环系统，抗干扰能力差。
基本控制思想二、技术层次控制科学的发展1、自动化的实现一般自动控制系统的结构图2、控制论的应用与主要分支1、工程控制论控制论在工程技术方面（机械的、电机的和电子的自动控制系统）上的运用。
又称自动控制理论，或简称控制理论（control theory）我国著名科学家钱学森1954年在美国出版了《工程控制论》一书。
现代控制理论-复习
离散时间状态空间模型：源自掌握基本原理，离散模型的导出，经典例子。
离散时间状态空间模型的分析。
能控、能观性 能控、能观性的定义、实际意义、判别条件、例子。 能控标准型是能控的； 一般的能控系统可以等价变换为能控标准型； 系统的离散化不能保持能控性； 输出能控性、和状态能控性的关系。 能控能观性的对偶原理 基于传递函数的能控、能观性条件：零极点对消 倒立摆的例子
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分析：运动分析、能控性、能观性、稳定性。
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设计：稳定化控制器、极点配置、观测器、基于观测器
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的输出反馈控制器、线性二次型最优控制器。
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要求：概念、方法、意义
状态空间模型 通过分析其内在变化规律列出相应动态方程； 通过输入输出数据建立传递函数模型，进而给出其状态空间实现； 掌握处理传递函数的状态实现方法，从特殊到一般的方法，掌握一些特殊状态空间实现的形式：能控标准型、能观标准型、对角型，它们的意义。 状态空间模型的状态变量图； 由状态空间模型确定传递函数； 状态空间模型的性质 等价模型的概念（可以简化结构），状态空间实现的不惟一性，等价模型具有相同传递函数、相同极点、相同能控、能观性
稳定性
李雅普诺夫稳定性、渐近稳定性的概念、意义；
具体例子的解释；
李雅普诺夫稳定性理论的实质：能量的变化
存在一个能量函数，沿系统轨线，能量函数衰减。
以上分析数学上的准备：函数的定号性！
重点：线性系统的稳定性分析
李雅普诺夫方程
线性系统李雅普诺夫稳定性定理的描述、举例应用。
李雅普诺夫稳定性定理的几何意义。
系统性能的分析（李雅普诺夫稳定性部分）。
线性二次型最优控制器的描述：
闭环性能指标：
最优闭环系统特性：稳定性。
现代控制理论ModernControlTheory
– Modeling a complex control system by structure diagram or signal-flow graph
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The Principle of Automatic Control 2008
Chap 3 Time-domain analysis of control systems
• Formula • Properties • How to use laplace transform to solve differential model
– Transfer function
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The Principle of Automatic Control 2008
Review of Chap2
The Principle of Automatic Control 2008
Time-domain criteria
• 稳定性 (stability) • 动态性能指标(transient performance)
– 响应速度 (speed of response) • Rise time(上升时间)，peak time(峰值时间)，settling time(调节时间) – 响应形式 (type of response) • Damping (阻尼) ratio, overshoot(超调量)，period of oscillation(振荡周期）
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The Principle of Automatic Control 2008
3-1 Time-domain criteria of control systems
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The Principle of Automatic Control 2008
控制理论(Control Theory)
人类的天性主要成分为“天使”：有爱心， 关怀他人，有秩序，无私
有的学者稍退一步，提出人性至少是“无 邪”的
不良行为是对人天性的背反，因此其产生 需要解释原因 犯罪生物学：遗传异变改变人性 犯罪心理学（弗洛伊德传统）：内在 需要之压抑与扭曲改变人性 社会学习理论：与不良影响源接触改 变人性
么?为什么?
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水平 前习俗水平 习俗水平
后习俗水平
阶罚与服从为定向
以行为的功用和相互 满足需要为准则 以人际和谐为准也称 为“好孩子”取向
以法律和秩序为准则
以法定的社会契约为 准则
以普通的伦理原则为 准则
不该偷的理由
偷东西会被警察抓起 来，受到惩罚
• 在现实中，低程度的自我控制和对犯罪行为的倾向很可能 就是同一个东西。换句话说此理论有同义反复和循环论证 的逻辑谬误 (Akers，1991)。
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控制理论的心理学解读
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低自我控制的实质是什么？
6个不同的低自我控制维度 Grasmick et al. (1993):
(1) 冲动性 (impulsivity)：倾向于对当前环境做出直接反应而不追求延迟的 满足，不擅考虑行为之长期后果（认知能力要素）
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自我控制理论
• 人们的服从性是通过家长的有 效的对行为的自我控制的教养 中建立的
• 其它的社会机构，诸如学校， 教堂，或者社区也有教育的功 能。但是他们的这种功能没有 家长的教养作用这么有效。
• 家长对儿童自我控制培养的重 要性不是基于所谓“血缘”或 “生理”原因，而是为儿童成 长环境的社会化设定所决定： – 儿童接受自我控制训练的最关 键时期正好是家长对儿童影响 最集中地时期
affect control theory
Affect Control Theory（影响控制理论）是一个涉及心理学、社会学和组织行为学的理论框架，它主张通过影响他人而非强制控制他人来达到管理目标。
这个理论认为，人们的行为受到内在动机和外部环境的影响，而管理者可以通过对环境的塑造和影响他人的能力来影响员工的行为。
根据Affect Control Theory，管理者应该关注员工的情感和情绪反应，因为这些反应会影响员工的行为和绩效。
管理者可以通过建立积极的工作环境、提供支持和鼓励、培养员工的自我效能感和归属感等方式来影响员工的情感和情绪反应，从而提高员工的绩效和工作满意度。
Affect Control Theory还强调了情感和情绪反应在组织中的作用。
情感和情绪反应是人们行为的驱动力之一，它们可以影响个人的决策和行为，也可以影响组织的绩效和战略实施。
因此，管理者应该关注员工的情感和情绪反应，并采取适当的措施来影响和控制这些反应，以达到更好的管理效果。
总之，Affect Control Theory是一个关注情感和情绪反应在组织和管理工作中的重要性的理论框架。
它主张通过影响他人而非强制控制他人来达到管理目标，强调了情感和情绪反应在组织中的作用，并提供了一些管理实践的建议。
现代控制理论
5.1.2 输出反馈
设线性定常系统为
Ax Bu x y Cx Du
其输入u ，状态变量 x，输出量y 的维数分别是r，n，m 状态反馈控制律 u Fv Hy
F输入变换阵
D
H输出反馈阵
+ +
v
+
F
u
B
+ +
∫
A
x
C
y
H
u Fv Hy Fv H (Cx Du )
0 0 0 s 3 18s 2 72s det(sI A) 1 s 6 0 1 s 12 0
a 0= 0，a1= 72，a2=18
5.2.1状态反馈极点配置
计算由期望闭环极点组决定的特征多项式
3 2 f ( s) ( s * ) ( s 2 )( s 1 j )( s 1 j ) s 4 s 6s 4 i * i 1 3
性能指标的类型
性能指标实质上是对所要综合的控制系统在运动过程行为 上的一种规定。
非优化型性能指标 (不等式型) 优化性型能指标 (极值型)
（1）镇定问题 （2）极点配置 （3）解耦控制 （4）跟踪问题
J (u()) ( x T Qx uT Ru)dt
0
5.1 反馈控制系统的基本结构
0 1 0 0 0 0 1 0 A bc K 0 0 0 0 1 (an 1 kn 1 ) (a0 k0 ) (a1 k1 )
sI ( Ac bc K ) s n ( an 1 kn 1 ) s n 1 ( a1 k1 ) s ( a0 k0 )
系统科学中的控制论
系统科学中的控制论交通运输学院张心哲系统科学中的控制论交通运输学院张心哲摘要: 控制论是近年来发展起来的一门新科学,并且正迅速地应用到各个领域。
本文概述了控制论的基本概念与发展历史，说明了控制系统的一般理论与控制论的研究方法，而且介绍了应用控制论的基本理论与方法形成的控制论的各分支学科。
此外，提出了控制论面临的挑战问题。
关键词：控制论、控制理论、系统科学、控制系统Cybernetics of the System ScienceJang Sim CholAbstract: Cybernetics is a new school subject which is developed recently, now, it is applying to various field rapidly. This paper summarize about the basic concept and development history of the cybernetics. Also, this paper explain the general theory of control system and the study direction of cybernetics, and it introduce a various school subject of cybernetics that is formed by applying to the basic theory and method of cybernetics. And others, put forward a difficult problem of the cybernetics.Keyword: Cybernetics, Control theory, System Science, Control System1．控制论的基本理论1．1 控制论的发展过程与研究对象1．1．1 控制论的形成及发展过程控制论（cybernetics）这个词不是现代才有的。
控制理论
四 标志阶段
1.1947年控制论的奠基人美国 数学家韦纳 韦纳(N.Weiner)把控制 韦纳 论引起的自动化同第二次产业革 命联系起来,并与1948年出版了 控制论—关于在动物和机器中 《控制论 关于在动物和机器中 控制与通讯的科学》 控制与通讯的科学》,书中论述 了控制理论的一般方法,推广了 反馈的概念,为控制理论这门学 科奠定了基础.
瓦特
三 发展阶段
1. 1868年马克斯韦尔(J.C.Maxwell)解决了蒸汽机调速 马克斯韦尔(J.C.Maxwell) 马克斯韦尔 系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题,提出了简单的稳 定性代数判据.
马克斯韦尔(J.C.Maxwell) 马克斯韦尔(J.C.Maxwell)
2. 1895年劳斯(Routh 劳斯( 劳斯 Routh)与赫 赫 尔维茨(Hurwitz) 尔维茨(Hurwitz)把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了两个著名 的稳定性判据—劳斯判据 劳斯判据 和赫尔维茨判据 赫尔维茨判据.基本上 赫尔维茨判据 满足了二十世纪初期控制 工程师的需要. 赫尔维茨(Hurwitz) 赫尔维茨(Hurwitz)
3.由于第二次世界大战需要 控制系统具有准确跟踪与补 偿能力,1932年奈奎斯特 奈奎斯特 H.Nyquist) (H.Nyquist)提出了频域 内研究系统的频率响应法 频率响应法, 频率响应法 为具有高质量的动态品质和 静态 准确度的军用控制系 统提供了所需的分析工具.
奈奎斯特
4.1948年伊万斯(W.R.Ewans)提出了复数域内研究 伊万斯(W.R.Ewans) 伊万斯 系统的根轨迹法 根轨迹法. 根轨迹法 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹 法基础上的理论,称为经典(古典)控制理论(或 经典( 经典 古典)控制理论( 自动控制理论). 自动控制理论).
自动控制原理专业词汇中英文对照
自动控制原理专业词汇中英文对照自动控制原理专业词汇中英文对照中文英文自动控制automatic control；cybernation 自动控制系统automatic control system自动控制理论 automatic control theory经典控制理论 classical control theory现代控制理论 modern control theory智能控制理论intelligent control theory 开环控制open-loop control闭环控制 closed-loop control输入量 input输出量 output给定环节 given unit/element比较环节 comparing unit/element放大环节 amplifying unit/element执行环节 actuating unit/element控制环节 controlling unit/element被控对象 (controlled) plant反馈环节 feedback unit/element控制器 controller扰动/干扰 perturbance/disturbance前向通道 forward channel反馈通道feedback channel 恒值控制系统constant control system随动控制系统servo/drive control system 程序控制系统programmed control system 连续控制系统continuous control system离散控制系统 discrete control system线性控制系统 linear control system非线性控制系统 nonlinear control system定常/时不变控制系统time-invariant control system 时变控制系统 time-variant control system 稳定性 stability快速性 rapidity准确性 accuracy数学模型 mathematical model微分方程 differential equation非线性特性 nonlinear characteristic线性化处理 linearization processing泰勒级数 Taylor series传递函数 transfer function比例环节 proportional element积分环节 integrating element一阶惯性环节 first order inertial element二阶惯性环节 second order inertial element二阶震荡环节second order oscillation element 微分环节differentiation element一阶微分环节 first order differentiation element二阶微分环节 second order differentiation element 延迟环节delay element动态结构图 dynamic structure block串联环节 serial unit并联环节 parallel unit信号流图 signal flow graph梅逊增益公式Mason’s gain formula时域分析法 time domain analysis method性能指标 performance index阶跃函数 step function斜坡函数 ramp function抛物线函数 parabolic function /acceleration function 冲击函数impulse function正弦函数 sinusoidal function动态/暂态响应 transient response静态/稳态响应 steady-state response 延迟时间 delay time上升时间 rise time峰值时间 peak time调节时间 settling time最大超调量 maximum overshoot稳态误差 steady-state error无阻尼 undamping欠阻尼 underdamping过阻尼 overdamping特征根 eigen root极点 pole零点 zero实轴 real axis虚轴 imaginary axis 稳态/静态分量 steady-state component 瞬态/暂态/动态分量transient component 运动模态motion mode衰减 attenuation系数 coefficient初相角 initial phase angle响应曲线 response curve主导极点 dominant pole 劳斯稳定判据 Routh stability criterion S平面 S plane胡尔维茨稳定判据Hurwitz stability criterion 测量误差measurement error扰动误差 agitation error结构性误差 structural error偏差 deviation根轨迹 root locus 常规根轨迹 routine root locus根轨迹方程 root locus equation 幅值 magnitude幅角 argument对称性 symmetry分离点 separation/break away point会合点 meeting/break-in point渐近线 asymptote出射角 emergence angle/angle of departure入射角incidence angle/angle of arrival 广义根轨迹generalized root locus零度根轨迹zero degree root locus 偶极子dipole/zero-pole pair 频域分析法frequency-domain analysis method 频率特性frequency characteristic极坐标系 polar coordinate system直角坐标系 rectangular coordinate system幅频特性 magnitude-frequency characteristic相频特性phase-frequency characteristic 幅相频率特性magnitude-phase frequency characteristic 最小相位系统minimum phase system非最小相位系统 nonminimum phase system奈奎斯特稳定判据Nyquist stability criterion 伯德定理Bode theorem稳定裕度 stability margin幅值裕度 magnitude margin 相位/相角裕度 phase margin对数幅频特性 log magnitude-frequency characteristic 无阻尼自然震荡角频率 undamped oscillation angular frequency 阻尼震荡角频率damped oscillation angular frequency 阻尼角damping angle带宽频率bandwidth frequency 穿越/截止频率crossover/cutoff frequency 谐振峰值 resonance peak系统校正 system compensation超前校正 lead compensation滞后校正 lag compensation自激震荡 self-excited oscillation死区特性 dead zone characteristic饱和特性 saturation characteristic间隙特性 backlash characteristic描述函数法 describing function method相平面法 phase plane method 采样控制系统 sampling control system数字控制系统 digital control system频谱 frequency spectrum 采样定理 sampling theorem信号重现 signal recurrence拉氏变换 Laplace transformZ变换 Z transform终值定理 final-value theorem差分方程 difference equation迭代法 iterative method 脉冲传递函数 pulse transfer function 零阶保持器 zero-order holder映射 mapping方框图 block diagram伯德图 Bode diagram特征方程 characteristic equation可控性 controllability临界阻尼 critical damping阻尼常数 damping constant阻尼比 damping ratio初始状态 initial state初值定理 initial-value theorem反Z变换 inverse Z-transformation负反馈 negative feedback正反馈 positive feedback 尼科尔斯图 Nichols chart部分分式展开partial fraction expansion 幅角原理argument principle相对稳定性 relative stability共振频率 resonant frequency劳斯表 Routh tabulation/array奇点 singularity渐进稳定性 asymptotic stability控制精度 control accuracy临界稳定性 critical stability耦合 coupling解耦 decoupling比例积分微分调节器proportional integral derivative regulator(PID) 串联校正 series/cascade compensation 单输入单输出 single input single output(SISO)多输入多输出 multi input multi output(MIMO)低通滤波器 low pass filter非线性系统 nonlinear system复合控制 compound control衰减振荡 damped oscillation主反馈 monitoring feedback 转折(交接)频率 break frequency 稳定焦点/节点 stable focus/node。
现代控制理论ModernControlTheory
3、抗扰性能和暂态指标起始段确定希望对数幅频 曲线高频段 L(ω) 高频段 -20dB/dec h
-40dB/dec -20dB/dec ωc ω2 ωm ω3 -40dB/dec
•以抑噪为主； •高频段衰减越快，抑噪越强；但影响暂态，超 调将增大。
8
The Principle of Automatic Control 2008
3
The Principle of Automatic Control 2008
校正策略
控制系统的瞬态性能和稳态性能的指标描述：
时域指标
tr
频域指标
h
t p t s % ess
M r b
K
根轨迹校正
频率法校正
校正装置的基本特性是相同的： 超前校正、滞后校正、超前－滞后校正
4
The Principle of Automatic Control 2008
性能指标
• P244页，二阶系统时域指标与频域指标关系 • 带宽的确定
无论哪种校正方式，都要求校正后系统既能快速准 确跟踪输入信号，又能有效抑制噪声扰动信号
输入信号：中低频； 噪声信号：高频
wb=(5~10)wm
wm
wb
w1
w2
w
5
The Principle of Automatic Control 2008
Chapter 6
Control system design by Frequency
Response
基于频域响应的控制系统设计
2
The Principle of Automatic Control 2008
校正方式
校正：采用适当方式，在系统中加入一些参数可调整的 装置（校正装置），用以改变系统结构，进一步提高系统的性 能，使系统满足指标要求。 • 串联校正 • 并联（或反 馈）校正 • 前馈校正 • 复合校正
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控制理论的心理学解读18Biblioteka 32014/12/20
低自我控制的实质是什么？
6个不同的低自我控制维度 Grasmick et al. (1993):
(1) 冲动性 (impulsivity)：倾向于对当前环境做出直接反应而不追求延迟的 满足，不擅考虑行为之长期后果（认知能力要素）
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对自我控制理论的支持和批评
• 自我控制理论本身逻辑清楚，具有可测性。它促进了关于 青少年犯罪的家庭教育的研究。
• 在所有犯罪学理论中,自我控制理论是被实证研究检验最多 的理论之一。许多实证研究证实了个人的自我控制是对犯 罪性的最有力的解释。
• 也有学者认为这个理论主要的缺陷在于它没能分别对其理 论的 “因”(自我控制)和 “果”(犯罪倾向性)进行清晰和可操 作化的界定。
4
《金刚》：原初状态的人类犹如金刚，欲求强烈， 百无禁忌，自我中心，不加以约束的话极具破坏
力 5
性恶论与守法行为归因
这一理论倾向相信人性本恶
人类天性的主要成分为“恶魔”：自私，贪婪， 暴力，缺乏自我控制
一如霍布斯关于自然状态的名言：人的一生： 孤独，穷困，恶劣，残酷，而短促（……the life of man, solitary, poor, nasty, brutish , and short……)
么?为什么?
24
4
2014/12/20
水平 前习俗水平 习俗水平
后习俗水平
阶段 1 2 3
4 5
6
道德推理的特点 以惩罚与服从为定向
以行为的功用和相互 满足需要为准则 以人际和谐为准也称 为“好孩子”取向
以法律和秩序为准则
以法定的社会契约为 准则
以普通的伦理原则为 准则
不该偷的理由
偷东西会被警察抓起 来，受到惩罚
–
完成社会化的个体会获得特定 的生活方式, 人际关系，社会身
份，并由此获得积极的人生体
验
– 从对这些积极人生体验的丧失 的担忧中，产生了“服从的筹 码”
–
基于社会道德规范之设定，违 法犯罪会导致对“服从的筹码”
的剥夺，也就是说犯罪会使人
“有所失”
– 所以社会化背景下的个人会对 不法行为产生一种“不法的焦 虑”，进而产生抑制不法的意 志
6
1
控制理论的基本观点
• 犯罪的意志与能力是人之天性，无需解释 • 罪犯不过是那些维持其自然状态的个体 • 守法的意志与能力就是对人之天性的控制意志与能力 • 守法者不论在内因与外因方面都发生了关键性改变，这些
关键性改变为什么会发生，才是犯罪学研究的焦点 • 社会控制理论认为：控制犯罪意志的根本约束力来源是人
恶性才是人之天性，故犯罪本无需解释 真正需要解释的现象是为什么社会的绝大多数并 未循其天然劣根性走上犯罪道路
社会控制理论：特定的社会化结构促使人压制 天然劣根性而守法
自我控制理论：恰当的训练使人获得抑制天然 冲动的能力而守法
未经历上述改变者就发展为犯罪人 这类理论又被称为“社会结合失败理论” (Failing to Bond)
如果妻子一直对他不 好，他就没有必要自 寻烦恼，冒险偷药
做贼会使自己的家庭 名声扫地，给自己的 家人（包括妻子）带 来麻烦和耻辱
采取非常措施救妻子 的命合情合理，但偷 别人的东西犯法。
丈夫没有偷药救妻子 的义务，这不是正常 的夫妻关系契约的组 成部分。他已经为救 妻子命尽了全力，无 论如何都不该采取偷 的办法解决问题，但 他还是去偷药了，这 是一种超出职责之外 的好行为。
• 具体运算阶段(7-12岁)：儿童已经有了成人逻辑思维能 力的萌芽；逻辑思维涉及实际的物体而非抽象的观念。 有了“去中心化” 的能力，儿童的道德判断变得二维 和主观了。
• 形式运算阶段(12岁至成人)：认知成熟，能进行抽象和 逆向的思考。
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Lawrence Kohlberg的道德发展理论
• 所谓道德其实就是内化的自我控制能力 • 而在青少年不同刚发展阶段内化自我控制的机理
与其社会化环境的关系，这种关系制造了一种“违法的焦 虑”，进而遏制人的违法冲动 • 自我控制理论认为：仅有“违法的焦虑”不足以遏制人的 违法冲动，人还需要自我控制的能力。这种能力来源于特 定人生阶段所接受的训练
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社会控制理论
• Toby (1957)提出了 “服从的筹 码”(Stake in Conformity) 的概念
(4) 风险偏好 (risk-seeking)：爱好犯罪所带来的刺激，而不擅审慎判断行为 的危险性（要素1+要素3）
(5) 简单化自我中心 (self-centeredness)：不擅通过与人的持久性社会化互动 实现个人利益（要素1+要素3）
(6) 坏脾气 (a bad temper)：利用犯罪或暴力等简单策略来应对挫折、对抗 情境，不擅通过沟通、妥协及合作解决问题（要素1+要素2）
• Piaget 认为，心理、智力、思维，既 不是起源于先天的成熟，也不是起 源于后天的经验，而是起源于主体 的动作。支配心理发展的因素有成 熟，物理因素，社会环境和平衡。
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Piaget 认为人的认知发展分为 四个阶段：
• 感觉运动阶段(0-2岁): 学习用肌体活动协调自我和环境 的知觉。
• 前运算阶段(2-7岁): 运用词语和符号来表征客体及客体 间的关系。此阶段儿童的道德判断是一维且屈服于“客 观”规则和权威。
这一不同假定将犯罪学划分为两个大的理论 倾向： 以性善论为起点的不良行为归因理论倾向 以性恶论为基础的守法行为归因理论倾向
1
2
《人猿泰山》：原初状态的人类如泰山般，充满爱心， 纯真无邪，保持下去就是一个守法模范公民
3
性善论与不良行为归因
这一理论倾向相信人性本善:
人类的天性主要成分为“天使”：有爱心， 关怀他人，有秩序，无私
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自我控制理论
• 家长教养孩子的黄金时间是在 儿童6到8岁的时候
• 教养的功能性要素： – 监督: 对儿童行为的监管 – 贴标签: 对儿童行为的道德 评估 – 惩罚：持续不良行为的负面 后果
• 不 及充 无分 效的 的监 惩督 罚， 会不 对6恰-8当岁的的贴儿标童签产,生以 严重的影响。这会降低他们在正式的 求学或非正式的伙伴交往中社会化的 有效性。
• 间接控制：与守法人群的情 感认同（引发对不良行为的 抗拒心理）
• 内部控制：良知或超我（道 德规范的内化，潜意识）
• 通过满足需求来实现的控制： 当个体的需求被满足时，也 就不必要犯罪了。
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Travis Hirschi 的社会控制理论
• 代表作：《青少年犯罪的原因》 • 此理论假定人类具有的普遍性的犯罪动
海因茨设法救妻子的 性命无可非议，但他 没有考虑所有人的生 命的价值，别人也可 能急需这种药。他这 么做，对别人是不公 正的
该偷的理由
他事先请求过，又不 是偷大东西，他不会 受重罚
如果妻子一向对他好， 他就应关心妻子，为 救她的命去偷药
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社会控制理论
• 社会化结合的组成部分： – 依恋/依附（Attachment): 对他人的 感情和兴趣 – 投入/投资(Commitment)：对传统 价值投入的时间，精力，和努力 – 参与(Involvement): 参与到传统的 社会化结合的活动中 – 信仰(Belief): 对传统社会化所秉持 的道德规范合理性之认同
• 由于接受了守法的信仰价值观体系， 并通过参与守法社会化结合，依恋/依 附于传统社会结构，积累与该信仰体 系兼容的社会资本，为避免社会资本 的减损或灭失而强化行为控制的意愿
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2014/12/20
控制理论的早期概念建构
Ivan Nye (1958) 提出了四类控 制:
• 直接控制：对错误行为的惩 罚和对服从行为的褒奖
机（犯罪潜能） • 对正常社会的依附和投入产生了对社会
道德准则的忠诚，并获得服从的筹码， 从而帮助人们抵御犯罪的诱惑 • 犯罪的原因是对社会服从的投入出现了 弱化，导致服从筹码减少或灭失
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自我控制理论
当冲动的恶魔在敲门时，仅有反抗 的勇气是不够的
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2014/12/20
外部控制（对特定积极的社会化体验的向往和留 恋）仅仅产生守法的意愿，而不产生守法的能力，
自我（内部）控制才是守法能力的源泉
换句话说：
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TRAVIS HIRSCHI和Michael Gottfredson的自我控制理论
• 代表作:《犯罪的一般理论》(1990) • 注意到青少年犯罪,欺诈,和贪污这
类犯罪的行为人往往并不缺乏社会 控制。 • 当一个人具有较多“服从的筹码” 时，按照社会控制理论的预测，他 会因为担忧失去其既有的积极人生 体验而选择抑制其犯罪的冲动 • 但现实中不符合这一预测的例子却 比比皆是，因此Hirschi认为有必要 提出另外的解释
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Kohlberg围绕这个故事提出了一系列问题，让儿童讨论，以此 来研究儿童道德判断所依据的准则及其道德发展水平。
1、汉斯应该偷药吗?为什么? 2、他偷药是对的还是错的?为什么? 3、汉斯有责任或义务去偷药吗?为什么? 4、人们竭尽所能去挽救另一个人的生命是不是很重要?为什么? 5、汉斯偷药是违法的。他偷药在道义上是否错误? 为什么? 6、仔细回想故事中的困境，你认为汉斯最负责任的行为应该是做什
不同就形成了不同的道德推理模式（道德发展阶 段） • 三阶段，六等级划分 – 前习俗阶段：具体的个人主义阶段（权威或工具导
向） – 习俗阶段：具体的社会化阶段（人际关系导向） – 后习俗阶段：抽象的社会化阶段（价值与伦理导向） • Kohlberg通过一个道德两难故事测验个人对道德 禁令的不同理解，实证性地验证了道德缺失存在 不同发展阶段