控制论、信息论和系统论(课件).ppt

控制论 本世纪兴起了三大 横断科学 控制论 信息论和系统论 对现代科学发挥巨大作用 影响深刻 一 控制论的涵义控制论是关于动物 包括人类 和机器内部的控制和通讯的一般规律的学科 它着重研究机器的自动控制或动物在自然界中活动的信息传递 变换 处理的共性问题 研究其过程的数学关系 而对过程内在的物理 化学和生物现象以及人类社会的具体现象并不涉及 控制论 二 控制论产生原因1 现代技术与现代科学理论直接推动的结果 2 自动控制 电子技术 无线电通讯 神经生理学 生物学 心理学 医学 数理逻辑 统计力学等多种科学和技术相互渗透的产物 3 也是人类思维方式不断改进的产物 控制论 三 诞生现象本世纪30年代末期 美国马萨诸塞州府波士顿市附近的剑桥 一家装修并不豪华的小酒店里 每月都可看到一群年轻人在这里围着一张大圆桌饮酒 交谈 他们交谈和争论的话题海阔天空 相当广泛 涉及数学 物理 生物 医学 工程 机械 社会 经济等 他们的思想和观点 在当时是非常新颖而略显出格的 但听了使人耳目一新 讨论会的一些积极成员 后来都成为名闻遐迩的大科学家 如诺伯特 维纳 创立控制论 冯 诺依曼 计算机科学之父 C E 申农 信息论的奠基人 等 控制论作为横断学科 其产生是各种学科交互影响的结果 要超越各学科界限 打破隔阂 创立新思想 新方法 控制论 四 控制论的产生和发展的过程控制论的奠基人是美国科学家维纳1894一1964 从三十年代起 他开始转向研究应用数学 用统计观点研究高炮火控装置系统 建立了维纳滤波理论 第二次世界大战爆发 维纳和美国工程师别格罗合作 从事设计防空火力自动控制装置的理论工作 从而酝酿了控制论思想 维纳控制论思想的核心是把信息看成是研究控制和通信过程的关键因素 大大提高了 反馈 概念的地位 讨论了反馈系统稳定的条件 对负反馈原理作了更深一步的研究 用反馈来表征有目的性的行为 从而突破了生命与非生命的界限 揭示了机器 生物 有机体不同物质运动形态之间的信息联系 控制论 四 控制论的产生和发展的过程1943年 维纳 别格罗 罗森勃吕特三人共同合作 发表了题为 行为 目的和目的论 的论文 这是关于控制论的第一篇文献 1943年 由维纳和冯 诺意曼发起 在美国普林斯顿召开了一次规模较大的讨论会 参加讨论会的有生物学家 数学家 电子工程师 计算机设计者 与会人员对信息问题展开了热烈的讨论 他们共同发觉在不同领域的科学工作者之间存在着一些共同的目标 有着共同的语言 控制论 四 控制论的产生和发展的过程1946年在纽约召开了一个包括心理学家 解剖学家 人类学家 经济学家在内的学术讨论会 集中讨论反馈问题 维纳总结了这些会议的思想和讨论的成果 把既是机器又是动物中的控制和通讯理论的整个领域叫做 控制论 1948年 维纳出版了 控制论 一书 宣告控制论作为一门独立学科正式诞生 维纳创立的控制论 在五十年代以后得到迅速发展 控制论 四 控制论的产生和发展的过程我国著名科学家钱学森运用控制论思想和方法 首创了工程控制论 他于1954年写的 工程控制论 一书 是工程控制论的奠基性著作 1954年 英国生物学家艾什比出版了 大脑设计 首创了生物控制论 以后 神经控制论 经济控制论以至社会控制论等学科都相继问世 六十年代便进入了 现代控制理论 发展阶段 其中美国数学家卡尔曼和贝尔曼 苏联数学家邦德里雅金等人 都作出重要贡献 七十年代以来 控制论向广度和深度作了进一步的拓展 正在形成大系统理论和智能控制 信息论 一 涵义所谓信息论 就是利用数学方法 研究信息的计量 传送 变换和储存的一门学科 它的任务在于解决通信上的两个基本问题 即提高传送消息的效能和保证传送消息的完整 二 信息论的发展人们早在古代的实践活动中 就已经在不断地获取信息 存贮信息 传递信息和利用信息 古代的 结绳记事 举烽火为号 就是存贮信息 传递信息的原始方式 信息论 二 信息论的发展1924年 美国的奈奎斯特发表了 影响电报速度的某些因素 对通信系统的传输信息的能力进行了讨论 1928年 美国物理学家哈特莱在研究信息传输问题时 发表 信息传输 指出信息和消息在概念上的差异 消息是代码 符号 信息是包含在消息中的抽象量 消息是信息的载体 他还第一次提出信息量的概念 1941年 苏联数学家柯尔莫哥洛夫发表了 在无噪声情况下预测信号 主要着重于从接收信号方面来研究信息论 信息论 二 信息论的发展1948年 在维纳发表 控制论 的同一年 美国贝尔电话研究所的的应用数学家申农博士也发表了 通信的数学理论 论文 这篇著名论文的发表 奠定了现代信息论的基础 宣告了信息论的诞生 申农第一次在理论上阐明了通讯的基本问题 认为一般的通信过程包括五个基本部分 消息信号信号 噪声消息 信源 编码 信道 译码 信宿 噪声 信息论 二 信息论的发展由于申农在技术问题上解决了过去通讯上没有解决的许多问题 因而信息论一问世 立即轰动了科学界 产生了世界性的巨大反响 与申农合著 信息论 的韦弗尔把通讯问题进一步分为三个方面 1 技术问题 即怎样精确地传送通信符号 2 语义学问题 即怎样使通信符号精确地表述语义 3 有效性问题 即怎样使收到的语义按需要的方式有效地发挥作用 信息论 二 信息论的发展1951年 美国无线电工程师协会把信息论作为一门新兴的学科予以承认 成立了信息论学组 并于1954年在美国麻省理工学院举行了第一次信息论国际会议 同年 美国电子和电气工程师协会出版了信息论汇刊 1956年 法国物理学家布里渊给出了广义增熵原理 将信息论推广到物理学领域 六十年代 美国神经生物学家艾什比把信息论比较成功地推广应用到生物学和神经生理学领域 并且从系统分析的角度去研究信息的本质 信息论 二 信息论的发展七十年代以来 由于电子计算机的广泛应用 涌现出大量与信息的接收 存储 加工处理 变换传递有关的问题 实践使人们越来越认识到信息的重要性 信息论很快就越过了通讯领域 广泛地渗透到其他学科 这就产生出以信息论为基础 与电子学 计算机和自动化技术 生物学 数学 物理学等科学联系得十分紧密的信息科学 信息科学就是研究各种信息的产生 变换处理 传递和控制的理论和技术的科学 目前人类已跨进 信息革命时代 系统论 一 贝塔朗菲创立系统论的传奇所谓系统 指的是由若干相互联系 相互作用的要素 成分 组成的 具有特定功能的有机整体 我国战国时期秦国太守李冰父子主持修建的四川都江堰水利工程 就是运用系统方法的典范 充分体现了把工程看作一个整体统筹安排的系统思想 系统论是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲创立的一门逻辑和数学领域的科学 其目的是确立适用于系统的一般原则 运用哲学范畴对研究对象进行哲学分析 因而也是哲学原理 数学方法 逻辑方法相互渗透的产物 系统论 一 贝塔朗菲创立系统论的传奇在本世纪二士年代 贝塔朗菲开始多次发表文章阐述系统论思想 贝塔朗菲的系统论思想来自 机体论 他强调把有机体当作一个整体或系统 作为具有高度主动性的活动中心来考虑 生物有机体是个开放系统 同时又和其环境组成一个大系统 并且认为科学的主要目标就在于发现种种不同层次的组织原理 生物学的任务就是要发现在生物系统中 一切组织等级上 起作用的规律 在他的著作 现代发展理论 1928年 和 理论生物学 1932年 中 表达了他的机体论思想 贝塔朗菲的系统论思想在当时并不被人们重视 但他却一点也不气馁 并借助各种机会宣传他的观点 系统论 一 贝塔朗菲创立系统论的传奇1937年 他在芝加哥大学查尔斯 莫里斯主持召开的哲学研究班上明确提出了一般系统论原理 但由于当时的压力 他的文章没能发表 1945年 他在 德国哲学周刊 发表了 关于一般系统论 一文 但很快就毁于战火 几乎未被人所知 1947年至1948年 他利用在维也纳大学和美国讲课的机会 又介绍他倡导多年的系统论思想 1948年 贝塔朗菲出版了 生命问题 一书 对一般系统论进行概括论述 并描述了系统思想在哲学史上的发展 导致一般系统论的正式问世 系统论 一 贝塔朗菲创立系统论的传奇贝塔朗菲系统论的观点 1 系统观点 一切有机体都是一个整体 系统 2 动态观点 一切生命活动本身都处于积极的活动状态 活的东西的基本特征是组织 3 等级观点 有机体都是按严格的等级组织起来的 他特别强调系统的开放性 指出系统要同周围环境有能量和物质交换 并把协调 秩序 目的性等概念用于有机体 对生命现象作出进一步解释 这样 贝塔朗菲把系统方法上升到理论高度 从而创立了普通系统论 系统论 一 贝塔朗菲创立系统论的传奇1954年 他同经济学家保尔丁 生物学家拉波波特以及生理学家杰勒德等人一起创办了 一般系统学会 后改名为 一般系统研究会 虽然贝塔朗菲等人作出艰苦的努力来发展和宣传一般系统论 并再三申称系统论是与控制论 信息论同时诞生的 但一般系统论仍没有受到人们普遍的重视 其影响远远不如前者 系统论 二 系统工程学的发展本世纪五十年代末 由于人们把大战期间在军事和通讯控制工程中运用的系统加以总结 逐渐形成了系统工程学 1957年 美国密执安大学的古德和麦克霍尔合著了 系统工程学 一书 为系统工程学的诞生奠定了基础 六十年代初 美国电气工程师学会在科学与电子部门设立了系统科学委员会 1965年 麦克霍尔编写了 系统工程手册 使系统工程学成为了一个比较完整的科学体系 系统工程的实践也进展很快 特别是研制原子弹的曼哈顿计划和登月的阿波罗计划 被人们公认是系统工程实践成功的典范 系统论 三 贝塔朗菲系统论发展的春天终于来了从六十年代末 人们广泛重视系统工程 而系统工程又转向社会工程 正是在这种情况下 贝塔朗菲的一般系统论作为一般科学方法论 才日益引起人们的注视 1968年3月 贝塔朗菲在加拿大出版了 一般系统论 基础 发展和应用 一书 在这本书中 他根据战后系统方法在各个方面所取得的实际成效 对一般系统论作了更进一步的系统阐述 此书是目前能见到的全