控制论与维纳.ppt

之后便开始攻读哈佛大学研究院生物学博士学位。维纳改学生物，并不是因为他知道自己能够干这一行，而是因为他想干这一行。从童年开始，他就渴望成为一名生物学家。但是，维纳的实验工作不幸失败了。他动手能力差，缺乏从事细致工作所必需的技巧和耐心，深度近视更增添了麻烦。 维纳用三年时间读完了大学课程，于1909年春毕业。 在父亲的安排下，他转到康奈尔大学去学哲学，第二年又回到哈佛，研读数理逻辑，于18岁获哈佛大学哲学博士学位。 第二十九页，共四十二页，2022年，8月28日 维纳在大学接受的跨学科教育，促使他的才能横向发展，为将来在众多领域之间，在各种交界面上进行大量的开发和移植，奠定了基础。从数学到生物学再到哲学，实际上就是维纳整个科学生涯所经历的道路。 第三十页，共四十二页，2022年，8月28日 控制论与维纳 第一页，共四十二页，2022年，8月28日 控制论的诞生和发展 20世纪30～40年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认识，一些著名科学家环绕信息和反馈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C.E.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。 美国数学家维纳则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馈控制系统的工作原理。) 1932年美国通信工程师H.奈奎斯特发现负反馈放大器的稳定性条件，即著名的奈奎斯特稳定判据。 第二页，共四十二页，2022年，8月28日 1945年维纳把反馈概念推广到一切控制统，把反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入，从而对再输出发生影响的过程。 维纳在改进防空武器时发现，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。 第三页，共四十二页，2022年，8月28日 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。 第四页，共四十二页，2022年，8月28日 控制论的核心思想 控制论的核心思想是反馈，即通过测量过程的当前输出，把它与设计者要求的过程设定值相比较，当两者存在偏差时，控制器按预先设计好的控制策略，计算并求出控制信号，驱动过程输出向期望值运动。 当遇到复杂的实际系统时，往往不能直接推导出准确的数学模型，而必须利用系统的输入和输出数据做“反演”，由此形成了系统辨识理论。 一旦建立了一个过程的模型，控制设计本质上就是信息的变换和处理。 第五页，共四十二页，2022年，8月28日 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。 第六页，共四十二页，2022年，8月28日 维纳的《控制论》发表以后，科学家们沿着两个不同的方向发展控制论。 心理学家、神经生理学家和医学家用控制论方法研究生命系统的调节和控制问题，促进了对生命有机体的了解，建立了神经控制论、生物控制论和医学控制论。 维纳本人对生物控制论和神经控制论表现了极大的兴趣，曾于1946年与罗森布卢埃特进行了一系列直接涉及反馈主题的神经生理学实验，为生物控制论奠定了基础。 控制理论家用控制论方法研究工程系统的调节和控制问题。中国科学家钱学森创立了工程控制论，并于1954年在美国出版了《工程控制论》的专著。他提出，工程控制论的对象是控制论这门学科能够直接应用于工程设计的那些部分。 第七页，共四十二页，2022年，8月28日 到了60年代