自然辯證法在控制理論與控制工程中的應用畢業(yè)論文

1、<p>　　自然辯證法在控制理論與控制工程中的應用</p><p>　　[摘 要] 控制理論與控制工程學科是以工程領域內的控制系統(tǒng)為主要研究對象，采用數學方法和計算機技術、電子與通訊技術、測量技術等，研究系統(tǒng)的建模、分析、控制、設計和實現的理論方法和技術的一門學科。自然辯證法是關于自然界和科學技術發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認識自然和改造自然的一般方法的科學，其研究目的就是為了合理地處理人與自然的矛盾。人和控

2、制系統(tǒng)總是自然的一部分，所以控制理論與控制工程的產生和發(fā)展無時無刻不與自然辯證法來相聯系。本文將就自然辯證法主要觀點以及其在控制理論與控制工程中的應用作簡要的探討。</p><p>　　[關鍵詞] 自然辯證法、控制理論與控制工程、研究、應用</p><p>　　控制理論與控制工程學科是以工程系統(tǒng)為主要對象，以數學方法和計算機技術為主要工具，研究各種控制策略及控制系統(tǒng)的理論、方法和技術。控制

3、理論是學科的重要基礎和核心內容，控制工程是學科的背景動力和發(fā)展目標。本學科的智能控制方向主要包括模糊控制、專家系統(tǒng)、神經元網絡、遺傳算法等方面的研究，特別強調的是上述方法的交叉及其在工業(yè)過程控制方面的應用。故障診斷方向主要研究當控制系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，仍能保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且滿足規(guī)定的性能指標。利用獲得的實時數據對生產過程進行在線監(jiān)測及故障診斷，根據系統(tǒng)的運行狀態(tài)制定相應的控制策略，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。魯棒控制方向主要研究被控對象參數

4、變化后，控制系統(tǒng)仍能穩(wěn)定可靠的工作，并在某種意義下保證系統(tǒng)的最優(yōu)性。信號處理方向主要研究控制系統(tǒng)中的信號處理問題，包括非線性系統(tǒng)的魯棒濾波器的設計，自適應濾波器、噪聲抵消器、小波分析等。 </p><p>　　控制理論與控制工程是研究運動系統(tǒng)的行為、受控后的運動狀態(tài)以及達到預期動靜態(tài)性能的一門綜合性學科。在理論方面，利用各種數學工具描述系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，以建模、預測、優(yōu)化決策及控制為主要研究內容。在應用方面，將理

5、論上的研究成果與計算機技術、網絡技術和現代檢測技術相結合，形成各種新型的控制器或控制系統(tǒng)。研究內容涵蓋從基礎理論到工程設計與實現技術的多個層次，應用遍及從工業(yè)生產過程到航空航天系統(tǒng)以及社會經濟系統(tǒng)等極其廣泛的領域。而這一系列的過程都是人們對控制規(guī)律探索和總結的過程，所以控制科學無時無刻不與自然辯證法相聯系。</p><p>　　一、自然辯證法的內涵</p><p>　　自然辯證法是馬克思主

6、義哲學的重要組成部分，是關于自然界和科學技術發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認識和改造自然的一般方法的科學。它是馬克思主義關于認識自然和改造自然已有成果的概括和總結，是隨著科學技術的發(fā)展而不斷豐富和發(fā)展著的開放的理論體系[2]。</p><p>　　自然辯證法包括三部分：自然界發(fā)展的一般規(guī)律，即自然界發(fā)展的辯證法；科學技術發(fā)展的一般規(guī)律，即科學技術發(fā)展的辯證法；人類認識自然和改造自然的一般規(guī)律，即科學技術研究的辯證法，亦即

7、辯證唯物主義的自然觀、科學技術方法論和科學技術觀[3]。它和各門具體科學技術一樣，都是研究自然界、科學技術及其研究方法的規(guī)律性探索，這表明了它具有科學技術特性。</p><p>　　自然辯證法是集中研究自然界和科學技術的辯證法，是唯物主義在自然界和科學技術領域中的應用，它的原理和方法主要適用于自然領域和科學技術領域， 能夠很好地指導我們進行科學研究活動。</p><p>　　二 控制理論與

8、控制工程中的自然辯證法</p><p>　?。ㄒ唬┛刂评碚撆c控制工程具有自然屬性</p><p>　　控制論與信息論、系統(tǒng)論作為20世紀40年代誕生的新興學科，同時又是相互密不可分的學科, 影響了20世紀后半葉的人類社會, 改變了人類的觀念和思維方式, 雖然它們沒有獲過類似諾貝爾獎那樣的世界大獎, 但它們仍然無愧是20世紀的重大成就。雖然這些都是在人類社會科學的高度發(fā)達的結晶，但仍是自然的

9、一部分?，F在的社會中幾乎充滿著機械化和信息化，但每一個機械化和信息化的系統(tǒng)都是來自于自然界，它們是客觀實在的自然物在經過人的作用之后的物品，雖然它們可以已經不著一絲自然物的痕跡，但在馬克思主義哲學中仍然屬于自然界，同時它的使用者——人，也屬于自然界，即客觀存在的物。所以說控制理論與控制工程具有自然屬性。</p><p>　?。ǘ┛刂评碚撆c控制工程的研究方法來源于自然辯證法中的科學技術方法論</p>

10、<p>　　控制理論作為一門科學,它的萌芽可追溯到18 世紀中葉英國的第一次技術革命。1765 年,瓦特(J ams Watt , ,1736～1819) 發(fā)明了蒸汽機,進而應用離心式非錘調速器原理控制蒸汽機轉速,標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始。后來,工程界用自動控制理論討論調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1868 年麥克斯韋(Maxwell) 發(fā)表的《關于調速器》一文指出,控制系統(tǒng)的品質可用微分方程來描述,系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用

11、特征方程根的位置和形式來研究。1872 年勞斯( E·J ·Routh ,1831～1907) 、1890 年赫爾維茨(Hui2witz) 先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數判據即系統(tǒng)特征方程根具有負實部的充分必要條件。1892 年俄國學者李雅普諾夫(AMLyapunov ,1857～1918) 發(fā)表的《論運動穩(wěn)定性的一般問題》的博士論文,提出了用適當的能量函數—李雅普諾夫函數在正定性及其導數的負定性上鑒別系統(tǒng)的穩(wěn)定性準則,

12、從而總結和發(fā)展了系統(tǒng)的經典時域分析法。</p><p>　　隨著通訊及信息處理技術的迅速發(fā)展,電氣工程師們發(fā)展了以實驗為基礎的頻域響應分析法,1932年美國貝爾實驗室工程師奈奎斯特(H·Nyquist) 發(fā)表了《反饋放大器穩(wěn)定性》的著名論文,給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性奈奎斯特判據。后來,蘇聯學者米哈依諾夫(A·BMihaynov) 又把奈奎斯特判據推廣到條件穩(wěn)定和開環(huán)不穩(wěn)定的一般情況。在二次大戰(zhàn)期間,由

13、于軍事上的需要,雷達及火力控制系統(tǒng)有較大發(fā)展,頻率法被推廣到離散系統(tǒng)、隨機過程和非線性系統(tǒng)中。美國著名的控制論創(chuàng)始人維納(N·Wiener ,1894～1964) 系統(tǒng)地總結了前人的成果,于1948 年發(fā)表了《控制論—或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》著作,書中論述了控制理論的一般方法,推廣了反饋的概念,為控制理論這門學科的產生奠定了基礎。</p><p>　　隨著生產的發(fā)展,控制技術也在不斷發(fā)展,

14、尤其是計算機的更新換代,更加推動了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個階段:</p><p>　　第一階段,時間為上世紀40～60 年代,稱為“古典控制理論”時期。古典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題,主要采用傳遞函數、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析法,所研究的系統(tǒng)多半是線性定常系統(tǒng),對非線性系統(tǒng),分析時采用的相平面法一般不能超過兩個變量,古典控制理論能夠較好地解決生產過程中單輸入單輸出問

15、題。這一時期的主要代表人物有伯德(H·W·Bode) 和伊文思(W·R·Evans) 。伯德于1945 年提出了簡便而實用的伯德圖法。1948 年,伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。</p><p>　　第二階段,時間為上世紀60～70 年代,稱為“現代控制理論”時期。此時,進入了空間技術時代。控制工程向高性能方向發(fā)展,并利用了數學計算機進行分析設計和實時控制,因而需要處

16、理時變、非線性以及多輸入- 多輸出等復雜控制系統(tǒng)問題。古典控制理論就顯出它的局限性,難以用來解決復雜的控制問題。這時期最優(yōu)控制(Optimal Cont rol) 方法提出來了,相繼又出現了自適應控制系統(tǒng)(Adaptive Cont rolSystem) ,從而提出了“現代控制理論”并使其獲得了迅速發(fā)展。這一時期的主要代表人物有龐特里亞金(Pont ryagin) 、貝爾曼(Bellman) 及卡爾曼( Kalman) 等人。龐特里亞金

17、于1961 年發(fā)表了極大值原理,貝爾曼在1957 年提出了動態(tài)規(guī)劃,卡爾曼在1959 年發(fā)表了線性濾波器和估計器論文,即著名的卡爾曼濾波。</p><p>　　第三階段,時間為上世紀70 年代末至今。70 年代末,控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展,前者是控制理論在廣度上的開拓,后者是控制理論在深度上的挖掘。“大系統(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點,研究各種大系統(tǒng)的結構方案、總體設計中的分解方法和協調等問

18、題的技術基礎理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律,研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。目前,智能控制中一個廣為重視的問題就是用自然語言進行人機對話的研究,而初步應用的典型智能控制系統(tǒng)就是智能機器人。隨著社會和經濟的發(fā)展,控制理論也在不斷發(fā)展和完善,隨著自動控制技術和計算機技術的迅速發(fā)展,人們不僅從繁重的體力勞動中解放出來,而且也不斷地從復雜的腦力勞動中“解脫”出來。已經深入到家庭生活中的機器

19、人的出現,就是一個有力的說明?？刂评碚摰陌l(fā)展過程反映了人類由機械化時代進入電氣化,并繼續(xù)走向自動化、信息化、智能化時代。</p><p>　　這些控制理論的創(chuàng)立是一代又一代的科學家和工程師在客觀復雜的整個時代的發(fā)展中通過大量實驗和觀察中總結出來的，在這個過程中自然辯證中的歸納和演繹的運用是顯而易見的。歸納和演繹是自然辯證法中科學技術方法論的科學思維方法，實驗法是科學抽象中重要的思想模型[5]?？刂瓶茖W中的一切事物

20、都是現象和本質的統(tǒng)一?？刂瓶茖W是一門以實驗為基礎的學科，它需要通過試驗獲得數據，經驗。但這只是科學認識的基礎，我們要通過歸納和演繹將它上升到理性認識——規(guī)律、理論，這樣就可以反過用理論來指導實踐，從而將其應用到生產生活中去。</p><p>　　應該知道，工程控制有它自身的運行規(guī)律和規(guī)則，我們需要從方法論上去探索和認識。工程控制的方法論原則主要有以下幾個方面：</p><p><b&

21、gt;　　一 協調控制原則</b></p><p>　　在現代工程控制過程中，其中一個重要的方法論原則就是協調控制。其實，有許多場合，工程控制系統(tǒng)不僅要求自治，而且需要協調，即控制的任務是保持各被控對象的控制過程之間的某種協調關系，這種協調關系主要表現為函數關系、均衡關系、同步關系、關聯關系、協同關系等。比如，在工程進度控制中，等節(jié)奏或異節(jié)奏流水施工的各段工程量、定額標準、人數或機械數之間流水節(jié)拍的

22、比例關系，網絡計劃的關鍵線路與非關鍵線路之間工作的關聯關系，施工生產中各工序之間的協同關系；在費用控制中，各個階段資金融資與投放量之間的均衡關系，等等。這就需要從整體上對各被控對象進行協調控制，減少與避免工程控制系統(tǒng)出現較大的波動性和不穩(wěn)定性，可見，由于工程控制系統(tǒng)以及被控對象的分散性，協調控制具有非常重要的意義。一般地講，凡是要求保持若干被控對象內部、被控對象之間具有某種協調關系的場合，都可以應用協調控制原理。協調控制原理要求，建立工

23、程控制系統(tǒng)的協調聯系，保留或加強被控對象中有益的聯系，抵消或削弱工程控制系統(tǒng)中有害要素的相互作用，使系統(tǒng)特性適應于協調控制的需要，實現工程控制系統(tǒng)的協調和穩(wěn)定。(2)系統(tǒng)分析原則工程控制體系是一個系統(tǒng)工程，是具有總</p><p><b>　　4系統(tǒng)集成原則</b></p><p>　　由于工程控制系統(tǒng)的復雜性和綜合性，在工程控制系統(tǒng)模型化、工程控制系統(tǒng)分析與工程控制

24、系統(tǒng)綜合方面，需要多學科、多專業(yè)、多技術相結合的系統(tǒng)集成方法，特別是系統(tǒng)科學與計算機科學相結合，控制論、運籌學與人工智能相結合，系統(tǒng)工程與知識工程相結合的方法。例如，人工智能專家系統(tǒng)技術與工程多對象控制、多級控制、多層控制、多段控制理論相結合，發(fā)展工程控制系統(tǒng)的智能控制、智能管理和智能決策，研究、開發(fā)和應用工程控制的多對象專家系統(tǒng)、多級專家系統(tǒng)、多層專家系統(tǒng)、多段專家系統(tǒng)，這對于工程控制特別是大型和特大型工程的控制具有廣闊的前景。工程控

25、制的系統(tǒng)集成原則，強調將工程控制系統(tǒng)的各要素如人、信息、技術、目標、物資、機械、資金、方法、時間等有機結合起來，通過要素的整合與對象的集成控制，形成系統(tǒng)優(yōu)化，使工程控制系統(tǒng)總體上達到相應完備的程度。</p><p><b>　　(5)矛盾分析原則</b></p><p>　　矛盾分析是唯物辯證法的基本方法之一。按照矛盾分析原則，正確處理工程控制系統(tǒng)各對象、各要素、各變

26、量之間主要矛盾與次要矛盾的關系，以及矛盾的主要方面和次要方面等，在工程控制中學會“彈鋼琴”的方法，根據工程控制系統(tǒng)的現狀、變化和發(fā)展趨勢，抓主要矛盾，牽住工程控制系統(tǒng)中的牛鼻子，解決工程控制中的問題。</p><p>　　歸納和演繹是自然辯證法中科學技術方法論的科學思維方法，實驗法是科學抽象中重要的思想模型[5]?？刂瓶茖W中的一切事物都是現象和本質的統(tǒng)一?？刂瓶茖W是一門以實驗為基礎的學科，它需要通過試驗獲得數據，

27、經驗。但這只是科學認識的基礎，我們要通過歸納和演繹將它上升到理性認識——規(guī)律、理論，這樣就可以反過用理論來指導實踐，從而將其應用到生產生活中去。</p><p>　　科學技術的發(fā)展促進了對控制的需求，人們不斷地發(fā)展創(chuàng)造各種各樣的控制以滿足各種各樣的性能要求?？刂频男阅苋Q于控制的成分、結構、微觀組織和缺陷等，任何一種控制的宏觀性能或行為，都是由控制的成分和微觀組織結構決定的?？刂圃谥苽?、加工、運輸和使用的過程中都

28、可能受到自身成分、組織和外部環(huán)境（溫度、壓力等）的共同作用而產生成分與組織結構的變化，進而影響性能[4]。要獲得滿足性能要求的控制，就需要對成分—結構—組織—性能之間的規(guī)律進行研究。同其他科學一樣，其研究方法主要有三種：歸納法，演繹法，實驗法。</p><p>　　綜上所述，控制科學的研究方法也是自然辯證法的科學技術方法論的應用，是科學抽象和科學思維對科學事實價值性的提升。正因為有了自然辯證法，控制科學才能夠從中

29、借鑒并加以運用，形成自己的研究體系，也因此才能使控制科學成為一門合格的學問、一門真正的學科。</p><p>　?。ㄈ┛刂瓶蒲兄械淖匀晦q證法</p><p>　　控制科學是一門以理論分析和實驗相結合的學科，控制系統(tǒng)是否能夠達到期望的目標，這就需要我們做實驗去驗證。這個實驗過程也稱為科研過程，在科研的過程中，很重要的一步就是選題。這是因為：科研選題是科學研究的起始步驟，它關系到科研的方向，

30、目標和內容，直接影響到科研的途徑和方法，課題選擇是否恰當決定了科研工作進度的快慢以及科研成果的水平，價值和發(fā)展前途，科研選題是決定科研工作成敗的關鍵和首要環(huán)節(jié)。所以我們需要遵循以下幾條基本原則：①所選課題必須著眼于社會實踐和科學本身發(fā)展的需要；②所選課題應具有創(chuàng)新性，應是前人和他人未解決或未完全解決并預期能出成果的科技問題；③所選課題一定要有科學事實和科學理論為依據；④選題時必須考慮完成課題的主客觀條件，根據實際具備或經過努力可以具備的

31、條件來選擇科研課題[6]。</p><p>　　此外，在接下來的試驗過程中、整理數據和分析數據以及得出結論的過程中都需要遵循科學，實事求是的原則，把經驗上升為理論，用于以后的實踐中。</p><p><b>　　三、結論</b></p><p>　　關于自然界和科學技術發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認識自然和改造自然的一般方法的科學自然辯證法，在控制理

32、論與控制工程中得到了廣泛的應用，這一點是毋庸質疑的。從控制的自然屬性到自然辯證法的科學方法論與控制科學的研究方法的聯系，再到自然辯證法在控制科研中的應用，每個方面都折射出自然辯證法的影子。所以說，控制科學的發(fā)展離不開自然辯證法。一部控制科學的發(fā)展進步史，就是自然辯證法在其中的應用史。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　【1】王慶林.

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