控制理论在生活中的应用以及社会控制系统

控制理论在生活中的应用以及社会控制系统

摘要：在工程上为了对某个机械系统进行控制常常会对其建立模型，然后利用一些控制算法对其进行控制，从而使输出跟随输入。而对于社会管理来说，我们可以把社会看成是一个大的系统，各种政策法令便是控制算法，对社会进行控制，从而使社会和谐。本文将先介绍控制论的基本定义以及常用的控制算法，接着介绍控制论在生活中的应用，最后介绍对社会这个大系统的控制模型的建立即各种政策法令。

关键词：控制论，机械系统，社会系统，政策，法令，道德

1、概述

控制系统的基本思想是根据误差来调控被控系统，从而消除误差。在我们生活中控制理论随处可见，它广泛的应用在我们的生活中，如空调，空调会根据室内的温度来实时调控温度，当室内的温度高于设定的温度时，空调便会开启，通过压缩机来制冷，使得温度降低，当室内的温度与设定的温度相同时，或在允许的误差范围内时，空调便会停止工作，这样既能节能减排，又可以实时的监控室内的温度，使人们处于一个较舒适的温度下。类似于这样的例子很多，本文将会在第三部分进行介绍。

而当把社会比作一个大的控制系统时，我们可以对它进行建模，然后按照控制论的思想对其进行反馈控制，即根据社会中出现的问题，即社会的实际状况与我

们期望的状况之间的差别，通过制定相关的政策、法律以及运用道德来对其进行调整，从而消除差别，实现我们希望的社会状况。典型的例子如房地产的调控便是如此。房子作为人们日常社会的必需品，是每个家庭所必不可少的东西，然后，如今的房子却成了最最奢侈的奢侈品，它的价格已经完完全全超出了人们所能接受的范围，特别是对于一个刚毕业的普通大学生来说，买房子已经成为了遥不可及的梦。由于房价的过快增长已经引发了许许多多的社会问题，这些问题急需解决，房子的价格已经远远超出了人们的预期，这个系统的误差已经大到了不可不调整的地步了，此时便需要政府出面来对其进行调控，使得房子的价格回到一个合理的范围内，于是乎近年来政府相继出台了许许多多的政策来调控房价，这些政策便像是控制系统中的控制算法，本文将会在第四部分阐述社会系统中的控制算法。

2、机械控制理论

2.1 机械控制理论在工程中的应用发展

机械控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。二次世界大战期间美国科学家维纳在研究火炮的自动控制时把火炮自动打飞机的动作与人狩猎的行为做了对比，并且提炼出了控制理论中最基本最重要的反馈概念。他提出，准确控制的方法可以把运动的结果所决定的量，作为信息再反馈回控制仪器中，这就是著名的负反馈概念。维纳等在1943年发表了《行为，目的和目的论》。同时火炮自动控制的研制获得了成功，这是控制论萌芽的重要实物标志。1948年，维纳所著《控制论》的出版，标志着这门科学的正式诞生。[1]

2.2 负反馈系统简介

如图所示，负反馈是指将系统的输出引回来与给定输入相比较，计算出输出与输入的误差，通过控制算法，使控制器的输出作为被控对象的输入，从而使被控对象的误差减小。

图1 控制系统框图

2.3 控制算法

控制算法是一个控制系统的重要组成部分，只有有一个好的控制算法才能得到满意的输出。就像对于社会这个大系统来说只有当政府的政策法令合理，有效，才能使得国家才能兴旺发达，社会和谐，人们安居乐业。

在机械控制理论中常用的控制算法有：PID控制算法、根轨迹控制算法、状态观测器等，最近有新发现了许多中高级的控制算法，比如：模糊控制、神经网络控制算法等。

其中PID控制算法应用的十分广泛，是技术最成熟的控制规律。相当多的工业对象，都利用PID进行控制，并能获得较为满意的结果。在连续模拟式控制系统中，PID控制算法将由计算机软件实现。由于计算机软件的灵活性，利用计算机实现计算机实现PID控制有许多优点，同时由于计算机技术的发展，也使得PID控制技术在原有的基础上有了许多的改进。[2]

PID控制技术是指比例（P）、积分（I）、微分（D）控制。其中比例环节可以提高系统的快速性，即对外部输入的变化能快速做出反应，得出响应的输出，同时也能起到较小静态误差的作用；积分环节主要用来消除系统的误差，使得系统的输出严格跟随输入；微分环节可以调节系统的动态响应过程，使系统得到良好的动态响应。对于许多系统来说不需要同时作用比例、积分、微分，常常只作用比例积分环节便能达到理想的性能，对于社会这个大系统来说，各种法律法规政策就类似于PID控制算法，通过各种法律法规以及道德来约束人们的行为。

2.4 执行器

控制器的输出指令作用于执行器，通过执行器来调节被控系统。例如如果是一个调速系统，被控对象为某个物体的速度时，执行器就可能是一个电动机，通过电动机的转速调节该物体的速度。而对于社会这个大系统来说，执行器就是法院，检察院，警察等。他们根据法律法规去控制人们的行为，对于违法犯罪进行制止，从而实现社会的长治久安。

3、闭环控制系统在生活中的应用

闭环控制系统指有负反馈的控制系统。在日常生活中到处可见闭环控制系统的应用。闭环控制的思想很简单，就是根据输出与给定输入的误差来控制系统。就像人们驾驶车辆一样，人们不是盲目地按照预定不变的模式来操纵车上的驾驶盘，而是发现靠左了，即产生误差啦，人脑就像控制器，做出一个向右转动方向盘的判断，同时通过手这个执行器来控制方向盘这个被控对象向右边做一个修正，反之亦然。对于社会这个大系统来说，闭环控制的思想就类似于政府对房价的调控，当房价过高时，引起了社会的不稳定，于是政府出台相应的政策来调控房价，且不管这些“控制算法”的效果怎么样，它的目的还是希望房价回到一个平稳的水平上来，这便体现出了一个闭环控制的思想。下面介绍几种生活中应用了闭环控制的例子。

3.1 恒温控制系统

对于恒温系统这个例子，实现方法有两种：人工控制和自动控制。人工控制的恒温控制箱时，人们可以通过调压器改变电阻丝的电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的，人工调节过程可归结如下：

（1）观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱的温度（被控制量）。

（2）将被测温度与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向。

（3）根据偏差的大小和方向再进行控制。

此时人脑相当于控制器，人手相当于执行器。当温度过高时就移动调压器滑动端使电流减小，温度降低。反之使电流变大，温度升高。

对于这个简单的控制形式，如果能找到一个控制器代替人的职能，那么这样一个人调节系统就可以变成自动控制系统了。此时恒温箱的温度可以由给定的信号电压控制。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量元件的热电偶，把温度转换成为对应的电压信号。经电压放大、功率放大后，用以改变电机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号为零时，电机才停转。这样完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。

3.2 人工胰岛素建模

糖尿病是一种难以治愈的内分泌疾病，其主要危害在于它的并发症，尤其是慢性并发症。随着人们生活水平的提高，人口老龄化以及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。中国的糖尿病形势十分严峻，防治工作刻不容缓。

人工胰岛是近２０年来临床上模拟人体生理胰岛素分泌的一种智能胰岛素输注系统。人工胰岛一经临床应用，将血糖控制在正常或接近正常水平是非常方便有效的。其主要优点是机体对胰岛素的吸收稳定，使血药浓度趋于平稳，平稳控制血糖，减少低血糖的发生，延缓糖尿病并发症的发生、发展。

闭环式人工胰岛，是对普通人工胰岛的重大改进，能够最好的模拟人体生理胰岛素分泌，是控制血糖的最佳手段，是临床中治疗糖尿病的最安全有效便捷的方式。闭环式人工胰岛系统控制理论模型的建立有利于对糖尿病患者进行更合理的精确的数字化治疗。同时，采用先进控制技术的闭环式人工胰岛系统在多种控制策略