自然辯證法在控制理論與控制工程中的應(yīng)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(yīng)用</p><p>　　[摘 要] 控制理論與控制工程學(xué)科是以工程領(lǐng)域內(nèi)的控制系統(tǒng)為主要研究對象，采用數(shù)學(xué)方法和計算機(jī)技術(shù)、電子與通訊技術(shù)、測量技術(shù)等，研究系統(tǒng)的建模、分析、控制、設(shè)計和實現(xiàn)的理論方法和技術(shù)的一門學(xué)科。自然辯證法是關(guān)于自然界和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認(rèn)識自然和改造自然的一般方法的科學(xué)，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(chǎn)生和發(fā)展無時無刻不與自然辯證法來相聯(lián)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(yīng)用作簡要的探討。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 自然辯證法、控制理論與控制工程、研究、應(yīng)用</p><p>　　控制理論與控制工程學(xué)科是以工程系統(tǒng)為主要對象，以數(shù)學(xué)方法和計算機(jī)技術(shù)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(shù)?？刂?/p>

3、理論是學(xué)科的重要基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，控制工程是學(xué)科的背景動力和發(fā)展目標(biāo)。本學(xué)科的智能控制方向主要包括模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方面的研究，特別強調(diào)的是上述方法的交叉及其在工業(yè)過程控制方面的應(yīng)用。故障診斷方向主要研究當(dāng)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(biāo)。利用獲得的實時數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測及故障診斷，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)制定相應(yīng)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(shù)

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(shè)計，自適應(yīng)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(dá)到預(yù)期動靜態(tài)性能的一門綜合性學(xué)科。在理論方面，利用各種數(shù)學(xué)工具描述系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，以建模、預(yù)測、優(yōu)化決策及控制為主要研究內(nèi)容。在應(yīng)用方面，將理

5、論上的研究成果與計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代檢測技術(shù)相結(jié)合，形成各種新型的控制器或控制系統(tǒng)。研究內(nèi)容涵蓋從基礎(chǔ)理論到工程設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)的多個層次，應(yīng)用遍及從工業(yè)生產(chǎn)過程到航空航天系統(tǒng)以及社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等極其廣泛的領(lǐng)域。而這一系列的過程都是人們對控制規(guī)律探索和總結(jié)的過程，所以控制科學(xué)無時無刻不與自然辯證法相聯(lián)系。</p><p>　　一、自然辯證法的內(nèi)涵</p><p>　　自然辯證法是馬克思主

6、義哲學(xué)的重要組成部分，是關(guān)于自然界和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認(rèn)識和改造自然的一般方法的科學(xué)。它是馬克思主義關(guān)于認(rèn)識自然和改造自然已有成果的概括和總結(jié)，是隨著科學(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律，即科學(xué)技術(shù)發(fā)展的辯證法；人類認(rèn)識自然和改造自然的一般規(guī)律，即科學(xué)技術(shù)研究的辯證法，亦即

7、辯證唯物主義的自然觀、科學(xué)技術(shù)方法論和科學(xué)技術(shù)觀[3]。它和各門具體科學(xué)技術(shù)一樣，都是研究自然界、科學(xué)技術(shù)及其研究方法的規(guī)律性探索，這表明了它具有科學(xué)技術(shù)特性。</p><p>　　自然辯證法是集中研究自然界和科學(xué)技術(shù)的辯證法，是唯物主義在自然界和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，它的原理和方法主要適用于自然領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域， 能夠很好地指導(dǎo)我們進(jìn)行科學(xué)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(jì)40年代誕生的新興學(xué)科，同時又是相互密不可分的學(xué)科, 影響了20世紀(jì)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?nèi)匀粺o愧是20世紀(jì)的重大成就。雖然這些都是在人類社會科學(xué)的高度發(fā)達(dá)的結(jié)晶，但仍是自然的

9、一部分?，F(xiàn)在的社會中幾乎充滿著機(jī)械化和信息化，但每一個機(jī)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(jīng)過人的作用之后的物品，雖然它們可以已經(jīng)不著一絲自然物的痕跡，但在馬克思主義哲學(xué)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(xué)技術(shù)方法論</p>

10、<p>　　控制理論作為一門科學(xué),它的萌芽可追溯到18 世紀(jì)中葉英國的第一次技術(shù)革命。1765 年,瓦特(J ams Watt , ,1736～1819) 發(fā)明了蒸汽機(jī),進(jìn)而應(yīng)用離心式非錘調(diào)速器原理控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速,標(biāo)志著人類以蒸汽為動力的機(jī)械化時代的開始。后來,工程界用自動控制理論討論調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1868 年麥克斯韋(Maxwell) 發(fā)表的《關(guān)于調(diào)速器》一文指出,控制系統(tǒng)的品質(zhì)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(shù)判據(jù)即系統(tǒng)特征方程根具有負(fù)實部的充分必要條件。1892 年俄國學(xué)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(dāng)?shù)哪芰亢瘮?shù)—李雅普諾夫函數(shù)在正定性及其導(dǎo)數(shù)的負(fù)定性上鑒別系統(tǒng)的穩(wěn)定性準(zhǔn)則,

12、從而總結(jié)和發(fā)展了系統(tǒng)的經(jīng)典時域分析法。</p><p>　　隨著通訊及信息處理技術(shù)的迅速發(fā)展,電氣工程師們發(fā)展了以實驗為基礎(chǔ)的頻域響應(yīng)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(jù)。后來,蘇聯(lián)學(xué)者米哈依諾夫(A·BMihaynov) 又把奈奎斯特判據(jù)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(dá)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(jī)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(jié)了前人的成果,于1948 年發(fā)表了《控制論—或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》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(xué)科的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　隨著生產(chǎn)的發(fā)展,控制技術(shù)也在不斷發(fā)展,

14、尤其是計算機(jī)的更新?lián)Q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(jì)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(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)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(chǎn)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(jì)60～70 年代,稱為“現(xiàn)代控制理論”時期。此時,進(jìn)入了空間技術(shù)時代?？刂乒こ滔蚋咝阅芊较虬l(fā)展,并利用了數(shù)學(xué)計算機(jī)進(jìn)行分析設(shè)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(fù)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(fù)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(xiàn)了自適應(yīng)控制系統(tǒng)(Adaptive Cont rolSystem) ,從而提出了“現(xiàn)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(jì)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?！按笙到y(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點,研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問

18、題的技術(shù)基礎(chǔ)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(jìn)行人機(jī)對話的研究,而初步應(yīng)用的典型智能控制系統(tǒng)就是智能機(jī)器人。隨著社會和經(jīng)濟(jì)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(shù)和計算機(jī)技術(shù)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(fù)雜的腦力勞動中“解脫”出來。已經(jīng)深入到家庭生活中的機(jī)器

19、人的出現(xiàn),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(jī)械化時代進(jìn)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(xué)家和工程師在客觀復(fù)雜的整個時代的發(fā)展中通過大量實驗和觀察中總結(jié)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(xué)技術(shù)方法論的科學(xué)思維方法，實驗法是科學(xué)抽象中重要的思想模型[5]?？刂瓶茖W(xué)中的一切事物

20、都是現(xiàn)象和本質(zhì)的統(tǒng)一。控制科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，它需要通過試驗獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)驗。但這只是科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)，我們要通過歸納和演繹將它上升到理性認(rèn)識——規(guī)律、理論，這樣就可以反過用理論來指導(dǎo)實踐，從而將其應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去。</p><p>　　應(yīng)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(rèn)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(xié)調(diào)控制原則</b></p><p>　　在現(xiàn)代工程控制過程中，其中一個重要的方法論原則就是協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)，即控制的任務(wù)是保持各被控對象的控制過程之間的某種協(xié)調(diào)關(guān)系，這種協(xié)調(diào)關(guān)系主要表現(xiàn)為函數(shù)關(guān)系、均衡關(guān)系、同步關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、協(xié)同關(guān)系等。比如，在工程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)、人數(shù)或機(jī)械數(shù)之間流水節(jié)拍的

22、比例關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)計劃的關(guān)鍵線路與非關(guān)鍵線路之間工作的關(guān)聯(lián)關(guān)系，施工生產(chǎn)中各工序之間的協(xié)同關(guān)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(guān)系，等等。這就需要從整體上對各被控對象進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，減少與避免工程控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(xié)調(diào)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(nèi)部、被控對象之間具有某種協(xié)調(diào)關(guān)系的場合，都可以應(yīng)用協(xié)調(diào)控制原理。協(xié)調(diào)控制原理要求，建立工

23、程控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)聯(lián)系，保留或加強被控對象中有益的聯(lián)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(yīng)于協(xié)調(diào)控制的需要，實現(xiàn)工程控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)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(fù)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(xué)科、多專業(yè)、多技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)集成方法，特別是系統(tǒng)科學(xué)與計算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，控制論、運籌學(xué)與人工智能相結(jié)合，系統(tǒng)工程與知識工程相結(jié)合的方法。例如，人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)與工程多對象控制、多級控制、多層控制、多段控制理論相結(jié)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(yīng)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(diào)將工程控制系統(tǒng)的各要素如人、信息、技術(shù)、目標(biāo)、物資、機(jī)械、資金、方法、時間等有機(jī)結(jié)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(dá)到相應(yīng)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(guān)系，以及矛盾的主要方面和次要方面等，在工程控制中學(xué)會“彈鋼琴”的方法，根據(jù)工程控制系統(tǒng)的現(xiàn)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(xué)技術(shù)方法論的科學(xué)思維方法，實驗法是科學(xué)抽象中重要的思想模型[5]?？刂瓶茖W(xué)中的一切事物都是現(xiàn)象和本質(zhì)的統(tǒng)一?？刂瓶茖W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，它需要通過試驗獲得數(shù)據(jù)，

27、經(jīng)驗。但這只是科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)，我們要通過歸納和演繹將它上升到理性認(rèn)識——規(guī)律、理論，這樣就可以反過用理論來指導(dǎo)實踐，從而將其應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去。</p><p>　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)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。控制的性能取決于控制的成分、結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)決定的?？刂圃谥苽洹⒓庸?、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(chǎn)生成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)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(jié)構(gòu)—組織—性能之間的規(guī)律進(jìn)行研究。同其他科學(xué)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(xué)的研究方法也是自然辯證法的科學(xué)技術(shù)方法論的應(yīng)用，是科學(xué)抽象和科學(xué)思維對科學(xué)事實價值性的提升。正因為有了自然辯證法，控制科學(xué)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(xué)成為一門合格的學(xué)問、一門真正的學(xué)科。</p><p>　?。ㄈ┛刂瓶蒲兄械淖匀晦q證法</p><p>　　控制科學(xué)是一門以理論分析和實驗相結(jié)合的學(xué)科，控制系統(tǒng)是否能夠達(dá)到期望的目標(biāo)，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(xué)研究的起始步驟，它關(guān)系到科研的方向，

30、目標(biāo)和內(nèi)容，直接影響到科研的途徑和方法，課題選擇是否恰當(dāng)決定了科研工作進(jìn)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(guān)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(xué)本身發(fā)展的需要；②所選課題應(yīng)具有創(chuàng)新性，應(yīng)是前人和他人未解決或未完全解決并預(yù)期能出成果的科技問題；③所選課題一定要有科學(xué)事實和科學(xué)理論為依據(jù)；④選題時必須考慮完成課題的主客觀條件，根據(jù)實際具備或經(jīng)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(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)以及得出結(jié)論的過程中都需要遵循科學(xué)，實事求是的原則，把經(jīng)驗上升為理論，用于以后的實踐中。</p><p><b>　　三、結(jié)論</b></p><p>　　關(guān)于自然界和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認(rèn)識自然和改造自然的一般方法的科學(xué)自然辯證法，在控制理

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

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