控制论与维纳 PPT课件
诺伯特·维纳的控制论
诺伯特·维纳的控制论标签:控制论顶[4]分享到发表评论(0)诺伯特·维纳的控制论概述自从1948 年诺伯特·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》一书以来，控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。
维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，更具体他说，是研究动态系统在变化的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。
他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。
“控制论”一同最初来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术的意思。
在柏拉图（古希腊哲学家）的著作中，经常用它来表示管理人的艺术。
1834 年，著名的法国物理学家安培写了一篇论述科学哲理的文章，他进行科学分类时，把管理国家的科学称为“控制论”，他把希腊文译成法语“Cybernetigue”。
在这个意义下，“控制论”一词被编入19 世纪许多著词典中。
维纳发明“控制论”这个词正是受了安培等人的启发。
在控制论中，“控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，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，就叫作控制。
由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。
信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。
通俗他说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的。
控制论的发展过程控制论的发展过程大致分为三个阶段：20世纪50年代末期以前为第一阶段，称为经典控制论阶段；50年代末期至70年代初期为第二阶段，称为现代控制论阶段；70年代初期至现在为第三阶段，称为大系统理论阶段。
经典控制论主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立了系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等控制论的基本概念和分析方法，为现代控制理论的发展奠定了基础。
【维纳】控制论-关于在动物和机器中控制和通讯的科学
【维纳】控制论-关于在动物和机器中控制和通讯的科学引言维纳控制论（Cybernetics）是一门关于控制和通讯系统的科学，其研究的对象包括生物系统和机械系统。
本文将介绍控制论的基本概念、历史背景以及在动物和机器中的应用。
1. 控制论概述1.1 定义控制论是一门研究动态系统控制和信息传递的跨学科科学。
它涉及到数学、工程学和生物学等多个领域，旨在研究系统如何通过反馈机制来实现稳定性和自动调节。
1.2 发展历史控制论起源于20世纪40年代，由美国数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener）首次提出。
维纳在其著作《控制与通信的数学原理》中系统阐述了控制论的基本概念和原则。
1.3 基本原理控制论的基本原理包括反馈机制、信息传递和自动调节。
反馈机制指系统通过监测输出，将其与期望值进行比较，并对系统进行调整以实现预期效果。
信息传递是指系统内部或系统之间通过信号传递实现信息交流。
自动调节则是指系统自身通过学习和适应，不断改进其性能和效果。
2. 动物中的控制论应用2.1 生物反馈系统控制论在动物学中的应用主要体现在生物反馈系统中。
生物反馈是指通过监测生物体内部的生理信号，并将其反馈给个体，帮助其调节和改变生理状态。
例如，心率监测设备可以实时监测心跳频率，并通过反馈信号告知个体，从而帮助其自我调节心率。
2.2 动物行为研究控制论还在动物行为研究中得到了广泛应用。
研究者可以使用传感器和反馈系统来监测和分析动物的行为模式和习惯，并通过精确的控制实验条件来研究行为的规律和机制。
3. 机器中的控制论应用3.1 自动控制系统在机器中，控制论应用最为广泛的领域之一就是自动控制系统。
自动控制系统通过传感器收集环境信息，并通过控制器进行分析和调节，实现对机器的自动控制和运行。
3.2 人工智能人工智能是控制论在机器中的另一个重要应用领域。
通过模拟和实现人类的认知和决策过程，人工智能系统可以实现自主学习和自主决策，从而实现智能化的控制和交互。
现代控制理论第一章 ppt课件
1889-1976
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
美国1905-1982
Bode was an American engineer, researcher, inventor, author and scientist,
of Dutch ancestry.
As a pioneer of modern control theory and electronic
telecommunications he revolutionized both the content and methodology of his chosen fields of research.
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
1948年，维纳发表《控制论》，宣告了这门新兴学 科的诞生。这是他长期艰苦努力并与生理学家罗森 勃吕特等人多方面合作的伟大科学成果。
1964年1月，他由于“在纯粹数学和应用数学方面并 且勇于深入到工程和生物科学中去的多种令人惊异的 贡献及在这些领域中具有深远意义的开创性工作”荣 获美国总统授予的国家科学勋章。
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
第一章，牛顿时间和柏格森时间 第二章，群和统计力学 第三章，时间序列、信息与通讯 第四章，反馈与振荡 第五章，计算机与神经系统 第六章，完形与普遍观念 第七章，控制论和精神病理学 第八章，信息、语言和社会 第九章，关于学习和自生殖机 第十章，脑电波与自行组织系统
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
维纳与控制论
维纳与控制论1948年，诺伯特 维纳(Norbert Wiener)创立了《控制论》(Cybernetics)。
Cybernetics一词来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。
控制论的思想渊源可以追述到古代和近代自动机器以及社会管理方面的影响。
有人问维纳：“控制论创立时，是否出现过某些哲学思想的影响？”维纳回答说：“哲学家中有一个人，如果活到今天，毫无疑问，他将研究控制论，这个人就是莱布尼茨。
”控制论最直接的思想基础来自自动机器，特别是具有类似人脑逻辑推理功能的自动机器。
要让机器思维，就需要研究思维的规律，并使之形式化。
这就产生了形式逻辑。
大约两千年前，古希腊学者亚里士多德就为形式逻辑打下了坚实的基础，其中，三段论就是形式逻辑的典型代表。
三段论法是自然语言形式的逻辑形式。
对自动机器而言，更好的逻辑形式应该是以数学语言表现的形式，这就是数理逻辑。
数理逻辑是数学和哲学交叉的科学。
数理逻辑恰好是维纳博士学位论文的主题。
从某种意义上说，最早研究数理逻辑的就是德国著名数学家和哲学家莱布尼茨。
早在17世纪，莱布尼茨就试图用数学形式建立逻辑推理体系，并于1673年发明了二元算术自动计算装置。
1697年，莱布尼茨从耶酥会理士白晋那里得到了中国的《易经》。
白晋曾为康熙年间中国宫内的法国传教士。
白晋回欧洲后，系统地向莱布尼茨介绍了中国的古代哲学。
莱布尼茨研究了《易经》中的“圆圆方位图和六十四卦次序图”，并写出了《论中国人的自然哲学》长篇论文。
在《莱布尼茨全集》第四卷第一期上有莱布尼茨写给友人的长信，其中，就有对《易经》的论述。
有人认为：“控制论的直系祖先是欧洲的莱布尼茨，其哲学基础，来自《易经》。
”然而，产生控制论的最直接原因是二十世纪二三十年代以来现代科学技术的发展和进步。
其中，数学、生物学、神经生理学、心理学、语言学等学科的进步，为控制论的产生奠定了理论基础；而自动装置、无线电通讯，特别是雷达的发展为控制论的产生奠定了技术基础。
控制理论的产生与发展讲义(PPT 34张)
1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。
指 南 车
2. 公元1086－1089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统。
水 运 仪 象 台
二 起步阶段
随着科学技术与工业生 产的发展，到十八世纪， 自动控制技术逐渐应用到 现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt） 发明的蒸汽机离心调速器， 加速了第一次工业革命的 步伐。
ห้องสมุดไป่ตู้
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 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）
2. 1895年劳斯（Routh）与赫
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
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。 卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
奈奎斯特
4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究 系统的根轨迹法。 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 自动控制理论）。
四 标志阶段
1.1947年控制论的奠基人美国 数学家韦纳（N.Weiner）把控制 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。
控制论之父维纳
控制论之父
控制论之父维纳
制论之父维纳1940年主张计算机5原则。
维纳在1940年写给朋友的一封信中，对现在计算机的设计曾提出了几项原则．．．．
：不是模拟式，而是数字式；由电子元件构成，尽量减少机械部件；采用二进制，而不是十进制；
内部存放计算表；在计算机内部存储数据。
这些原则是十分正确的。
1940年，维纳开始考虑计算机如何能像大脑一样工作。
他发现了二者的相似性。
维纳认为计算机是一个进行信息处理和信息
转换的系统，只要这个系统能得到数据，机器本身就应该能做几乎任何事情。
而且计算机本身并不一定要用齿轮，导线，轴，电机等部件构成。
麻省理工学院的一位教授为了证实维纳的这个观点，甚至用石块和卫生纸卷制造过一台简单的能运行的电脑。
控
成绩表。
第三章控制论
反馈过时所造成的后果——积重难返。与其相对应的 是反馈及时，就是一旦被控量偏离目标被反馈装置及时检 测出来并及时传递给控制器，控制器则及时地处理此信息 并利用它及时地加以调节和控制。
促使恶性循环式正反馈向良性循环转化的方法：
割断反馈环 使用滤波器剔除不真实信息 直接削弱构成正反馈关系的系统间的作用
四、控制系统 1、控制系统
控制系统是由施控者和受控者两个基本要素以一定的相互作 用联系方式构成的系统。施控主体作用于受控客体就是控制作用或 直接作用；受控客体反作用于施控主体成为反馈作用或反作用。 控制系统的特性：
3、控制系统分类 根据控制系统有无反馈回路及其处理干扰方式的不 同可分为开环控制系统、闭环控制系统和组合控制 系统。
开环控制系统
在一个控制系统中不存在反馈回路，其输入不受输 出状况的影响，则称该系统为开环控制系统。 根据其处理干扰方式的不同又可分为“忽略型”和 “预处理型”两类。
开环控制
结构框图
三、控制论产生的技术基础 1、控制论与自动化技术 控制论直接产生于工程技术科学 自动化技术：自动控制技术
计算机信息处理技术
2、自动控制装置举例
我国西汉时期的指南车 我国西汉时期的提花机 欧洲15世纪的自动调节磨 蒸气调节器
标ernetics—Control and communication in the animal and the machine ） 1954年钱学森（H.S Tsien）的工程控制论 Engineering Cybernetics 在美国出版 影响
维纳《控制论》
信息保真律是指在信 息传递过程中，信息 的内容保持不变，但 信息的表达方式可能 会发生变化。
信息通道定律是指信 息传递的速度和效率 受到信息通道的限制 。
信息守恒定律是指信 息的总量在传递过程 中保持不变。
信息传递的方式与途径
1
信息传递的方式包括直接传递和间接传递。
2
直接传递是指信息发送者和接收者之间直接进 行信息交流，如面对面交流、电话通信等。
3
间接传递是指信息发送者和接收者之间通过中 介进行信息交流，如通过邮件、社交媒体等渠 道进行信息传递。
信息传递在控制中的作用
信息传递是控制论的核心概念之一，它在控制系 统中扮演着至关重要的角色。
信息传递还可以帮助实现前馈控制，即通过预测 未来的变化来提前调整系统的输入，以避免系统 受到未来的干扰和影响。
稳定性分析方法
采用Lyapunov方法、Razumikhin方法等，分析系统的稳定性。
稳定性与控制器设计
根据系统性能要求，设计合适的控制器，以实现系统的稳定控制。
控制系统的优化与设计
系统性能指标
设定系统性能指标，如超调量、调节时间等 。
优化算法
采用遗传算法、粒子群算法等，实现控制系统优化 设计。
控制器优化
维纳的控制论思想在机器人控 制方面也有广泛应用。通过反 馈和调节机制，机器人能够实 现对目标物体的精确跟踪和控 制。
在航天工程中，维纳的控制论 思想被广泛应用于航天器的姿 态控制、轨道控制等方面。通 过反馈和调节机制，实现对航 天器的高精度控制。
维纳控制论思想在其他领域的应用
经济领域
维纳的控制论思想在经济领域也有广泛应 用，如经济系统的预测和控制、政策制定 等。通过建立经济系统的数学模型，运用 反馈和调节机制，实现对经济系统的有效 控制。