控制論實(shí)際上是將控制原理抽象應(yīng)用于其他領(lǐng)域

緣起1

一年半以前（2017年3月），《中國機(jī)械工程》副主編郭偉老師，邀請我作為雜志審稿專家，同時(shí)向我約稿，“從XX理論看智能制造”，當(dāng)時(shí)就提出了寫“從自動(dòng)化理論看智能制造”的文章方向。

在構(gòu)思文章的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)控制原理可以應(yīng)用到智能制造的方方面面，其中負(fù)反饋的原理，可以應(yīng)用到從宏觀的公司戰(zhàn)略，企業(yè)經(jīng)營管理方面，微觀到設(shè)備控制，從長期的產(chǎn)品生命周期閉環(huán)，到及時(shí)的單個(gè)設(shè)備的閉環(huán)控制。在智能制造的方方面面都體現(xiàn)著控制原理的閉環(huán)控制。

構(gòu)思的內(nèi)容太多，反而不知從哪里開始寫起，所以一直沒有寫出來。

緣起2

10月中旬（2018年），蘭光創(chuàng)新的朱鐸先老師，將與趙敏老師合著的《機(jī).智 從數(shù)字化車間走向智能制造》一書贈(zèng)送給我，通篇瀏覽后，有很多方面想寫一下。

喜歡閱讀朱鐸先和趙敏的文章，他們的文章信息量大，又很有啟發(fā)性。我的很多觀點(diǎn)是在閱讀了朱鐸先的文章后，受啟發(fā)而產(chǎn)生的，比如《中國制造新起點(diǎn)：服務(wù)業(yè)革命開啟服務(wù)業(yè)文明》一書的核心觀點(diǎn)就是在閱讀了他的一篇文章后，讓我從產(chǎn)業(yè)歷史和分工的維度思考而提出來，后來根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)整理出書。

在《機(jī).智》一書中，關(guān)于CPS的一段論述：

Cyber－Physical System中的Cyber是Cybernetics的字根，來源于希臘語，遠(yuǎn)意為掌舵術(shù)，包含了調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督等方面的含義。

Cyber這個(gè)詞最早用于科學(xué)術(shù)語，是美國數(shù)學(xué)家、控制論創(chuàng)始人維納在1948年出版的《Cybernetics》(中文版被翻譯為《控制論》)一書中提到的，于是，很多人將Cybernetics稱之為控制論，但“控制論”也不能完整表達(dá)Cybernetics的意思，建議音譯為賽博學(xué)為宜。

朱鐸先認(rèn)為Cybernetics的涵義遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于控制領(lǐng)域本身，這個(gè)觀點(diǎn)我是認(rèn)同的。但我的觀點(diǎn)稍微有些差異：控制（自動(dòng)化）理論本身可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域把自動(dòng)化束縛住了。

計(jì)劃以此為核心觀點(diǎn)，闡述控制理論在智能制造各個(gè)方面的應(yīng)用，寫一系列文章。

控制論實(shí)際上是將控制原理抽象應(yīng)用于其他領(lǐng)域

在《機(jī).智》一書中提到：

維納在《控制論》中提出“閉環(huán)反饋，自穩(wěn)定系統(tǒng)能夠‘自我’調(diào)整行為和學(xué)習(xí)的機(jī)器的魔力”

控制論對閉環(huán)反饋的推廣有非常大的促進(jìn)作用，因?yàn)榭刂普摰挠绊懥Υ螅院芏嗳苏J(rèn)為閉環(huán)反饋是維納提出來，其中上個(gè)世紀(jì)有一本暢銷書《第五項(xiàng)修煉》中，也認(rèn)為閉環(huán)反饋是維納提出來的。書中如下紀(jì)錄：

系統(tǒng)思考是“看見整體”的一項(xiàng)修煉。....出自兩個(gè)來源：控制論（Cybernetics）的“回饋”（feedback）概念與“伺服機(jī)制”（servo-mechnaism)工程理論。

從《第五項(xiàng)修煉》的文字上，認(rèn)為閉環(huán)控制出自控制論（cybernetics)，而事實(shí)上，閉環(huán)控制原理最早是麥克斯韋提出來的，因?yàn)閏ybernetics學(xué)術(shù)地位高，提到了回饋并被，以下引自《控制論》

我們決定把這個(gè)關(guān)于既是機(jī)器中，又是動(dòng)物中的控制和通訊理論的整個(gè)領(lǐng)域叫控制論（Cybernetics），這個(gè)字我們從希臘“掌舵人”演變而來，在選擇這個(gè)字時(shí)，我們用它來紀(jì)念關(guān)于反饋機(jī)構(gòu)的第一篇重要論文，這是麥克斯韋在1868年發(fā)表的一篇關(guān)于調(diào)速器的文章，而拉丁文調(diào)速器（governor）一字是從掌舵人訛誤引申而來的，我們也想提到這個(gè)事實(shí)：船舶的操舵機(jī)的確是反饋機(jī)構(gòu)的一種最早而且最發(fā)達(dá)的形式。

從發(fā)展上看，現(xiàn)有了閉環(huán)控制原理，才有了控制論?？刂普撌蔷S納將經(jīng)典控制理論歸納總結(jié)，應(yīng)用于其他領(lǐng)域。［其實(shí)控制論算是數(shù)學(xué)名著］

我們看控制論的結(jié)構(gòu)：

第一章：回顧總結(jié)科學(xué)思想和科學(xué)方法論趨勢。通過對牛頓力學(xué)的相對性、局限性分析，指出“即便在引力天文學(xué)中也有逐漸衰減的摩擦過程，沒有一門科學(xué)完全符合嚴(yán)格的牛頓式樣?！?/p>

第二章：為控制論建立了一種統(tǒng)計(jì)理論。

第三章：提出了時(shí)間系列的統(tǒng)計(jì)力學(xué)問題。

第四、五章：對反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性和計(jì)算機(jī)的記憶、運(yùn)算和控制裝置的特點(diǎn)分析，討論了神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的某些機(jī)制和病理學(xué)的問題。

第六章：介紹群掃描概念和多級(jí)反饋系統(tǒng)的概念，討論了視覺生理的某些問題和用一種感官來彌補(bǔ)另一種感官缺陷的問題。

第七章：結(jié)合對電子計(jì)算機(jī)工作可靠性的討論，從控制論的觀點(diǎn)研究這些機(jī)制的可能性。

第八章，運(yùn)用控制論的觀點(diǎn)去分析社會(huì)發(fā)展的問題。

總結(jié)：控制論的內(nèi)容，更多的是將閉環(huán)控制原理，進(jìn)一步抽象化，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用，所以將控制論當(dāng)作一種基礎(chǔ)學(xué)科。應(yīng)用于動(dòng)物和機(jī)器中，控制和通訊。而在控制論之前，

1、瓦特改良蒸汽機(jī)，增加反饋機(jī)構(gòu)；

2、1868年英國麥克斯韋爾發(fā)表“論調(diào)速器“指出，不應(yīng)該單獨(dú)研究飛球調(diào)速器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定性，建立系統(tǒng)微分方程，分析是否會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象；麥克斯韋爾的論文是被公認(rèn)的自動(dòng)控制原理的開端；

3、1875年勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)；

4、1932年奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)；

5、1936年英國的考倫德（A Callender）和斯蒂文森（A Stevenson)等人給出了PID控制方法；而PID控制是最經(jīng)典的控制方法。

1848年維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志著經(jīng)典控制科學(xué)的誕生。

在控制領(lǐng)域是先有了實(shí)踐和控制原理；將控制原理進(jìn)一步抽象化稱為一門科學(xué)并應(yīng)用于動(dòng)物和機(jī)器中的控制和通訊，從而稱為一門學(xué)科。

自動(dòng)化的實(shí)踐是控制論誕生的基礎(chǔ)，基于這個(gè)基礎(chǔ)，抽象稱為一門學(xué)科被多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，成為控制論，控制論是用自動(dòng)控制的原理（反饋機(jī)制）應(yīng)用于控制、通訊等領(lǐng)域。

控制論將工程信息用數(shù)學(xué)表示

控制論是研究動(dòng)物(包括人類)和機(jī)器內(nèi)部的控制與通信的一般規(guī)律的學(xué)科,著重于研究過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系。綜合研究各類系統(tǒng)的控制、信息交換、反饋條街的科學(xué)，是跨及人類工程學(xué)、控制工程學(xué)、通訊工程學(xué)、計(jì)算機(jī)工程學(xué)、一般生理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、社會(huì)學(xué)等眾多學(xué)科的交叉學(xué)科。

控制論主要包括：信息論、自動(dòng)控制理論。

信息論主要是關(guān)于各種通路（包括機(jī)器、生物機(jī)體）中信息的加工傳遞和貯存的統(tǒng)計(jì)理論。

維納把控制系統(tǒng)所接收和加工的信息流看作一個(gè)時(shí)間系列（如電話線中隨時(shí)間迅速變化著的電壓系列就是一個(gè)時(shí)間系列?？刂葡到y(tǒng)接收和加工的信息具有一定的隨機(jī)性，具有某種統(tǒng)計(jì)分布。如果從時(shí)間系列觀點(diǎn)，一個(gè)控制系統(tǒng)可能接收和加工大量不同的時(shí)間系列，各個(gè)不同的時(shí)間系列的出現(xiàn)都會(huì)有一定的概率，這就需要控制系統(tǒng)能接收和加工各個(gè)時(shí)間系列構(gòu)成的統(tǒng)計(jì)，其中每一個(gè)時(shí)間系列都是其中的一個(gè)元。這樣就解決了控制系統(tǒng)所接收和加工信息流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的數(shù)學(xué)表示。

有了時(shí)間系列的統(tǒng)計(jì)，就可以從過去的時(shí)間系列的統(tǒng)計(jì)來推知未來，預(yù)測未來；而一些信息被噪聲干擾后，通過技術(shù)手段恢復(fù)原來的信息流，實(shí)際上也是用了統(tǒng)計(jì)方法，也是一種預(yù)測。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論主要是反饋論，包括從功能的觀點(diǎn)對機(jī)器和物體中（神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌及其他系統(tǒng)）的調(diào)節(jié)和控制的一般規(guī)律的研究。

通常自動(dòng)控制系統(tǒng)，希望實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。

比如船舶上的操舵機(jī)，將駕駛盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用到一個(gè)與舵柄相連的裝置上，通過這個(gè)裝置調(diào)節(jié)操作舵機(jī)的氣門，使得舵柄朝著這些氣門關(guān)閉的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。舵柄這樣轉(zhuǎn)動(dòng)后，就使其門調(diào)節(jié)裝置的另一端回到正中位置，這樣駕駛盤的轉(zhuǎn)角位置就再現(xiàn)為舵柄的角位置，而減少另一邊氣門的蒸汽量，就增加了使得舵柄達(dá)到所要求位置上的轉(zhuǎn)矩。從而實(shí)現(xiàn)反饋。