控制論與自動化.doc

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1、控制論擊毀驅(qū)逐艦控制論思想　　　１９８２年４月，英國和阿根廷在南大西洋的馬爾維納斯（?？颂m）群島附近，展開了第二次世界大戰(zhàn)以來規(guī)模最大的?？諔?zhàn)，也是世界上第一場動用核潛艇和空對艦導(dǎo)彈以及復(fù)雜電子系統(tǒng)的大戰(zhàn)。這次海戰(zhàn)，雙方共出動了數(shù)十艘戰(zhàn)艦和幾百架飛機(jī)，尤其是使用了幾十種現(xiàn)代化導(dǎo)彈，在水面、水下、空中和島岸進(jìn)行了封鎖與反封鎖、空襲與反空襲、登陸與反登陸的殊死較量。５月２日，英“征服者”號核潛艇在水下發(fā)射兩枚配有先進(jìn)制導(dǎo)系統(tǒng)的“虎魚”式魚雷，擊沉了阿根廷唯一的一艘３千多噸的巡洋艦。５月４日，阿根廷使用

2、法國制造的“超級軍旗式”戰(zhàn)斗機(jī)，在距英艦央４８公里左右處，發(fā)射一枚“飛魚ＡＭ３９”型空對艦導(dǎo)彈，一舉擊沉了英國現(xiàn)代化程度很高、價值約２億美元的“謝菲爾德”號導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。５月２５日，阿方再次使用“超級軍旗式”飛機(jī)發(fā)射兩枚“飛魚式”導(dǎo)彈，又擊沉了一艘排水量為１．８萬噸的英國“大西洋運(yùn)送者”號運(yùn)兵船。阿方空軍用一枚價值２０萬美元的“飛魚”導(dǎo)彈，擊沉了英國一艘價值２億美元的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，使世界各國軍事人員目瞪口呆，驚呼導(dǎo)彈在未來的海戰(zhàn)中將起到“關(guān)鍵作用”。戰(zhàn)斗結(jié)果表明，配有精密制導(dǎo)系統(tǒng)的武器徹底改變了傳統(tǒng)海戰(zhàn)

3、方式，雙方用不著面對面地艦炮對射，在幾十公里乃至幾百公里外就可用導(dǎo)彈發(fā)動攻擊了。我們介紹這一戰(zhàn)例的目的在于說明這樣一個事實(shí)：現(xiàn)代導(dǎo)彈裝配的精密制導(dǎo)系統(tǒng)正是自動控制技術(shù)在軍事上的一個重要應(yīng)用?？刂普撌鞘裁矗靠刂普撗芯康膶ο笫前ㄈ嗽趦?nèi)的生物系統(tǒng)和各種非生物系統(tǒng)（如工程系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等）。所謂系統(tǒng)，是由相互制約的各個部件組成的具有一定功能的整體。恒溫箱就是一個簡單的系統(tǒng)。如圖所示，構(gòu)成系統(tǒng)的基本部件是：電源、開關(guān)、加熱電阻絲、箱體和執(zhí)行動作的人。因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是要保持恒溫箱內(nèi)的溫度不

4、變，所以這就是一個控制系統(tǒng)，受控對象是箱內(nèi)溫度，控制方式是接通或斷開電源開關(guān)。如果我們希望箱內(nèi)的溫度保持在２０℃（假定環(huán)境溫度低于２０℃），那么當(dāng)操作員觀察到溫度計(jì)的數(shù)值低于２０℃時，就合上開關(guān)，接通電源加熱，使箱內(nèi)的溫度升高。等升到２０℃，操作員又將開關(guān)斷開了一段時間后，箱內(nèi)溫度就會因?yàn)樯岫陆?，這時操作員又得合上開關(guān)為箱子加熱。重復(fù)上述過程，操作員眼睛觀察溫度計(jì)，手控制電源開關(guān)，就能基本上保證箱內(nèi)的溫度維持在２０℃。如果我們采用自動控制技術(shù)來代替人的勞動，就成為自動恒溫系統(tǒng)。它與人工恒溫系統(tǒng)不

5、同的是減少了操作員，但增加了一根彈簧、一個繼電器和有關(guān)線路。溫度計(jì)底部及２０℃處，各有一根導(dǎo)線連到電源上，這些增加部件的功能就是代替人工操作。當(dāng)繼電器回路的電源接通時，就會產(chǎn)生吸力，將開關(guān)拉開（斷開），因此加熱電阻不工作（停止加熱）。如果繼電器回路中電源斷開，繼電器不產(chǎn)生吸力，那么開關(guān)受彈簧拉力的作用而閉合，接通加熱器回路的電源，加熱器開始加熱。這個系統(tǒng)是怎樣實(shí)現(xiàn)自動控制的呢？原理很簡單。因?yàn)闇囟扔?jì)內(nèi)的水銀是可以導(dǎo)電的，所以當(dāng)箱內(nèi)溫度低于規(guī)定值２０℃時，繼電器回路是斷開的，不產(chǎn)生吸力，彈簧把開關(guān)拉緊

6、（閉合），加熱器回路有電，電阻絲發(fā)熱，箱內(nèi)溫度持續(xù)升高。一旦溫度升到２０℃時，水銀使繼電器回路接通，因?yàn)槔^電器產(chǎn)生的吸力大于彈簧的拉力，所以將開關(guān)斷開，加熱器停止工作。由此可見，在自動恒溫系統(tǒng)中，彈簧與繼電器接替了操作員雙手的工作——合上或斷開開關(guān)；而溫度計(jì)上的接線相當(dāng)于人雙眼的觀察，它能依據(jù)箱內(nèi)是否達(dá)到規(guī)定值而使繼電器動作，從而實(shí)現(xiàn)了自動恒溫的目的。從上面這個簡單例子可以歸納出自動控制系統(tǒng)的一個突出特點(diǎn)，即系統(tǒng)自動控制過程就是信息傳遞和變換的過程。但是一旦系統(tǒng)中信息傳遞受阻，又會發(fā)生什么情況呢？我

7、們再以一個美國獨(dú)立戰(zhàn)爭時期發(fā)生的一件事來說明。當(dāng)時，英國殖民主義者為了鞏固它在美國的殖民統(tǒng)治地位和有效鎮(zhèn)壓美國人民的起義，曾組織了一次重要的戰(zhàn)役。英軍指揮者設(shè)想一支軍隊(duì)從加拿大出發(fā)，同另一支從紐約出發(fā)的軍隊(duì)，在一個名叫薩拉托加的地方匯合，對那里的起義隊(duì)伍形成兩面夾擊的進(jìn)攻陣勢，企圖一舉消滅起義軍隊(duì)。但是戰(zhàn)役的結(jié)果卻并不像英軍指揮者設(shè)想的那樣。當(dāng)其中一支部隊(duì)到達(dá)指定地點(diǎn)時，卻始終不見另一支英軍前來匯合，結(jié)果形成了孤軍奮戰(zhàn)的被動局面，慘遭失敗。事后才查明，原因是由于疏忽，行動命令只發(fā)給了一支部隊(duì)，另一支

8、部隊(duì)根本就沒有接到命令。顯而易見，英軍失敗的主要原因是信息受阻。其下屬根本沒有收到上級的任何指示，因?yàn)橛④姷男畔鬟f只有自上而下（命令），而沒有自下往上的信息反饋。所謂反饋（Ｆｅｅｄ－ｂａｃｋ），是指當(dāng)指揮者控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信息（也叫系統(tǒng)輸入）輸入后，通過系統(tǒng)內(nèi)部變換后又將信息作用的結(jié)果（也叫系統(tǒng)輸出）返回到系統(tǒng)輸出端，并根據(jù)系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)輸入（規(guī)定值）是否吻合，再對系統(tǒng)施加作用的過程。這也正是控制論創(chuàng)始人維納所提出的“雙向通訊”的慨念，既有從系統(tǒng)輸入到系統(tǒng)輸出的正