2022年控制论及其在电子通信中的发展.doc

控制论及其在电子通信中的开展 内容：控制论自诞生以来，经过漫长时间的开展，现在已经渗透到各个学科各个领域，并且与人民的生活息息相关控制论一方面与辩证唯物主义相关，另一方面也与科学技术密不可分本文介绍了控制论的开展史，阐述了控制论与辩证法及科学方法之间的关系，并且介绍了控制论在电子通信领域的开展及应用关键词：控制论 辩证法 科学方法 电子通信正文一﹑控制论简介研究生命体﹑机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学，控制论的建立是20世纪最伟大的科学成就之一，现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系控制论的奠基人美国数学家维纳1948年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学〞70年代以来，电子数字计算机得到广泛的应用，控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统，控制论的定义也因之扩展苏联和东欧各国学者认为控制论是研究系统中共同的控制规律的科学，把控制论的定义又作了进一步的扩展英文 cybernetics(控制论)一词来源于希腊文，原意为“掌舵人〞，转意是“管理人的艺术〞1947年，维纳选用cybernetics这个词来命名这门新兴的边缘科学有两个用意：一方面想藉此纪念麦克斯韦1868年发表?论调速器?一文，因为governor(调速器)一词是从希腊文“掌舵人〞一词讹传而来的；另一方面船舶上的操舵机确实是早期反应机构的一种通用的形式。

    控制论的诞生和开展 20世纪30～40年代人们对信息和反应有了比拟深刻的认识，一些著名科学家环绕信息和反应进行了大量的研究工作英国统计学家R.A.费希尔从古典统计理论的角度研究信息理论，提出单位信息量的问题美国电信工程师香农从通信工程的角度研究信息量的问题，提出信息熵的公式美国数学家维纳那么从控制的观点研究有噪声的信号处理问题，建立了维纳滤波理论，并分析了信息的概念，提出测定信息量的公式和信息的实质问题他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题这一时期，人们逐渐深入了解反应控制系统的工作原理1932年美国通信工程师奈奎斯特发现负反应放大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据1945年维纳把反应概念推广到一切控制系统，把反应理解为从受控对象的输出中提取一局部信息作为下一步输入，从而对再输出发生影响的过程巴甫洛夫条件反射学说证明了生命体中也存在着信息和反应问题    维纳在改良防空武器时发现，动物和机器中控制和通信的核心问题是信息﹑信息传输和信息处理维纳与墨西哥神经生理学家A.罗森布卢埃特合作对这个课题进行了长达10多年(1934～1947)的研究参加这一研究工作的还有数学家﹑逻辑学家﹑物理学家﹑电信工程师﹑控制工程师﹑计算机设计师﹑神经解剖学家﹑神经生理学家﹑心理学家﹑医学家﹑人类学家和社会学家。

他们进行了生理学﹑病理学和心理学方面的许多实验，吸收来自火力控制系统﹑远程通信网络和电子数字计算机的设计经验，以及对预测和滤波理论等数学统计理论的研究，终于找到了控制论的核心问题1942年 5月梅西基金会举行的关于大脑抑制问题的科学讨论会提出，通信工程和控制工程领域内已经研究成熟的信息和反应的概念和方法，可能有助于神经生理学的研究这时控制论的思想已经形成，但还没有正式命名1943年末到1944年初在普林斯顿召开了一次控制论思想的科学讨论会，进一步确认了控制论思想，认为在不同领域的工作者之间存在着共同的思想根底，一个科学领域可以运用另一个科学领域开展得比拟成熟的概念和方法1946～1953年间梅西基金会发起一系列关于反应问题的科学讨论会，对于控制论的开展产生很大的推动作用    1948年维纳发表奠基性著作?控制论?，这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学〞，控制论的名称因此而定维纳抓住了一切通信和控制系统的共同特点，即它们都包含着一个信息传输和信息处理的过程维纳指出：一个通信系统总是根据人们的需要传输各种不同的思想内容的信息，一个自动控制系统必须根据周围环境的变化，自己调整自己的运动，具有一定的灵活性和适应性。

通信和控制系统接收的信息带有某种随机性质，具有一定的统计分布，通信和控制系统本身的结构也必须适应这种统计性质，能对一类在统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作二﹑控制论与辩证法 所谓控制，就是实施控制的局部对于被控制对象的一种支配作用所以，由施控局部和被控对象，再加上某种反应机构，这样便组成了一个控制系统任何控制系统都有明确的目的性，对一个系统进行控制，也就是要在变化着的环境条件下，使系统完成某种目的性运动所以，控制就是要将被控制对象引入某种目的的状态，而不是任何别的状态为此，控制系统就必须获取、加上与使用信息实际上也可以说，控制过程也就是对于信息的接收、处理、传输和使用的过程在此过程中控制与调节也是对立统一的，它是控制系统中的控制作用与反应作用的具体表现不言而喻，在控制系统这个整体中，无论是从它的结构组成上看，还是从它的功能作用来看，控制系统都充满了丰富而具体的辩证法德国著名哲学家、科学院院士格奥尔格克劳斯曾经指出:控制论“这门科学到处自发地表现出辩证唯物主义思想这就是说，整个控制论或控制论的科学思想核心对十作出辩证唯物主义的哲学抽象是一种业已相当成熟的资料，必须完全看作是对十辩证唯物主义的一种空前未有的、给人以极其深刻印象的科学证明〞。

那么，控制论研究在哪些方面丰富与证实了辩证唯物主义呢一是控制论的辩证本质在控制论所研究的系统中，同构成系统的物质成分与形式比起来，系统的结构与功能起着更为木质的作用，亦即控制系统的结构与功能更币十它的形式与内容这说明了就其本质而言，同注重静态的、机械式的形式与内容相反，控制论那么是动态的辩证的在控制系统中，动态的辩证的本性已经取代静态的机械的本性而居于主导地位，所以，“控制论是关于可能结构的可能行为方式的科学〞 二是控制论的辩证对象控制论的研究对象，不是物质系统的具体结构或运动的具体形式，而是系统的普遍结构与行为方式从这个意义上讲，那么控制论所得出的规律就是物质世界普遍适用的规律了，它同数学、物理学、生物学、地学和天文学的具体规律有着质的差异所以，控制论对于各门具体科学来说是普遍的，而对于哲学来说那么又是特殊的，这是因为控制论所研究的动态系统与其子系统的联系，正好是哲学上整体与局部关系的一种特殊情形可见，控制论涉足到了唯物辩证法关十普遍性与特殊性或整体与局部的哲学范畴难怪克劳斯院士说，控制论具有“既是哲学又是具体科学的双重面貌〞，并且认为就其本质而言，控制论“是一门普遍的科学〞 三是控制论的辩证方法。

控制论撇开了具体的系统及其物质沟成与组织形式，它研究一般控制系统普遍性的联系与规律所以，德国控制论学者勒西特纳为控制论所下的定义是:“控制论是关于结构、关系和动态系统行为的一般形式化的科学〞这同克劳斯关于“控制论是关于可能的动态自调系统与其子系统的联系的理沦〞是一致的与此相适应，控制论所使用的研究方法，也就根本不同于具体科学的研究方法，它是抽象性与概括程度都很高的普遍性的科学方法，如功能模拟法、反应控制法、黑箱方法等可见，控制论方法高于一般科学方法而接近哲学方法，是一类具有辩证特征的科学方法，即“辩证唯物主义方法〞 四是控制论的辩证中介控制论的原理和方法，比起最概括的具体科学有着更大的普遍有效性事实上，控制论一方面同逻辑学、辩证法和数学等紧密联系在一起，同时也与技术科学、生命科学和社会科学相联系，这正如克劳斯所说“控制论在某种程度上是一种介于哲学和一系列具体科学之间的过渡领域〞控制论这种辩证中介的性质与功能，也反映在它将现代科学的许多原理和方法，都综合到了自己的研究领域中，从而极大地促进了现代科学技术整体化与综合化的开展趋势 五是控制论与马克思主义哲学控制论与马克思主义哲学的辩证关系是:一方面，同对待任何一门科学一样，马克思主义哲学也应当而且必须为控制论的进一步开展提供指导与帮助。

另一方面，控制论已经和正在从各个方面为马克思主义哲学的深化与开展提供许多可供哲学抽象的科学素材，从而说明控制论就其本质而言是一门辩证唯物主义的科学可以期望，今后控制论还将为马克思主义哲学的现代化做出更大的奉献在此过程中，控制论和马克思主义哲学必将结成坚决的科学联盟三﹑控制论在科学方法中的应用  控制论的核心问题控制论的核心问题是信息，包括信息提取﹑信息传播﹑信息处理﹑信息存储和信息利用等一般问题控制论与信息论的主要区别是：控制论是在理论上用较抽象的方式来研究一切控制系统(包括生命系统﹑工程系统﹑经济系统和社会系统)的信息传输和信息处理的特点和规律，研究用不同的控制方式到达不同的控制目的，不考虑具体信号的传输和处理问题；信息论研究信息的测度，并在此根底上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理有关的问题(如编码﹑译码﹑滤波﹑信道容量和传输速率等)     通信和控制之间存在着不可分割的关系人控制机器，或者，计算机控制机器，都是一种双向信息流的过程研究动物和机器中的控制和通信的关系，是控制论的根本出发点     控制论的对象是一切控制系统，控制论著重研究系统中控制和信息这两个方面有效的控制必然是一种双向信息流的过程，这就是说有效的控制一定要有信息反应。

一切系统为了到达预定的目的必须经过有效的控制有效控制的全过程包括信息提取﹑信息传输和信息处理     控制论的数学理论控制论的数学理论根底就是用吉布斯统计力学来处理控制系统的数学模型任何一个控制系统都有两组状态变量，一组是可控的，一组是不可控的控制论问题就是如何根据不可控变量从过去到现在的信息来适当地确定可控变量的最优值，使系统到达最适宜和最有利的状态(即预期的目标)控制论向人们提供解决这样一些问题的方法和途径维纳为了解决这个数学问题，在1954年建立了非线性随机理论，后来又在此根底上建立了自组织理论和学习理论     控制论的数学问题可表述为：①对不可控变量的时间序列作出恰当的数学描述维纳用样本函数与概率空间相对应的方法来构造随机变量，这一过程被称为维纳过程，用以决定输入函数族②设计一个将输入函数变换为输出函数的非线性算子③在设计算子时确定最优性判据     维纳方法属于统计方法的范畴，因而产生无偏性﹑最小方差﹑输入输出函数的自相关函数和相关分析等概念用广义调和分析和遍历定理，可从每个个别的样本函数获取所需信息维纳就是用这种方法建立了时间序列的预测和滤波理论，通常称为维纳滤波非线性算子可展开成正交算子的级数，对于处理自组织和自繁殖问题很有用处。

非线性随机理论已在生物控制论和经济控制论方面得到广泛的应用非线性随机理论不但是控制论的数学理论根底，而且是处理一切大规模复杂系统的重要数学工具     控制论的根本方法控制论是从信息和控制这两个方面来研究系统控制系统的作用就是以某种智能方式从外界提取必要的信息(称为输入)，按一定的法那么进行处理，产生新的信息(称为输出)反作用于外界，以到达一定的目的输入输出变量不仅可以表示行为，也可以表示信息     系统的输入输出变量确定以后，还要找出两种变量之间存在的函数关系，也就是建立该系统的数学模型根据系统的输入输出变量来建立系统模型的方法，就是著名的黑箱方法黑箱方法是一种重要的控制论方法，可用来研究复杂的大系统和巨系统，现在已经开展成为系统辨识分支学科     为了建立系统模型，就要引入仅与该系统有关的状态变量，从而可能用两组方程来描述这一系统一组称为转移方程(又称状态方程)，用以描述系统的演变规律；一组称为作用方程(又称输出方程)，用以描述系统是怎样与外界发生作用的设x是输入向量，y是状态向量，z是输出向量，t为时间变量，Δt为时间增量，那么系统的数学模型可。