1、电气与信息工程学院电气与信息工程学院第第1515讲讲 控制的信息解释控制的信息解释2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论2施效机制施效机制 一切控制，归根到底是要改变（或维持）对象原来的运动状态一切控制，归根到底是要改变（或维持）对象原来的运动状态及其变化方式。及其变化方式。为了实现控制的作用，控制系统就应当能够产生出各种相应的为了实现控制的作用，控制系统就应当能够产生出各种相应的“力力”来实施状态来实施状态/方式的改变或维持。方式的改变或维持。15.115.1 控制原理控制原理信息与力的转化信息与力的转化2电气与信息工程学院电气与信息工程学
2、院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论3 转换过程中，信息本身并没有发生改变（如果发生了转换过程中，信息本身并没有发生改变（如果发生了改变，控制就会失真），改变的只是它的载体的物质改变，控制就会失真），改变的只是它的载体的物质和能量形式。和能量形式。控制是信息对控制对象所进行的控制，是信息借助于控制是信息对控制对象所进行的控制，是信息借助于一定的物质与能量手段所实现的控制。对于控制而言，一定的物质与能量手段所实现的控制。对于控制而言，核心的问题是信息，一定形式的物质和能量则是实现核心的问题是信息，一定形式的物质和能量则是实现控制的具体手段。控制的具体手段。15.115.1 控制
3、原理控制原理2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论4在简单控制系统中，控制信息由干扰信息直接加工出来。在简单控制系统中，控制信息由干扰信息直接加工出来。这是一种补偿型的方式：由控制信息产生出一定的调节力来补偿干这是一种补偿型的方式：由控制信息产生出一定的调节力来补偿干扰的影响。正因为如此，我们把这一类的控制方式叫做补偿型控制。扰的影响。正因为如此，我们把这一类的控制方式叫做补偿型控制。由图可以看出，这种控制系统的各个单元之间并不构成闭合的环路，由图可以看出，这种控制系统的各个单元之间并不构成闭合的环路，因此，常常称为开环控制方式。因此，常常称
4、为开环控制方式。15.215.2 控制信息加工机制控制信息加工机制由干扰信息加工控制信息由干扰信息加工控制信息2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论5开环控制系统要能有效地达到控制目标，须满足两个基本的前提。开环控制系统要能有效地达到控制目标，须满足两个基本的前提。第一，控制单元（控制者）必须能够理解干扰的各种状态第一，控制单元（控制者）必须能够理解干扰的各种状态/方式对方式对于控制目标具有什么影响；于控制目标具有什么影响；第二，根据这种影响，控制者应当能够产生足够的调节力来补偿第二，根据这种影响，控制者应当能够产生足够的调节力来补偿这种影响
5、。这种影响。比较合理的模式是：控制者应当同时根据干扰信息、目标信息和比较合理的模式是：控制者应当同时根据干扰信息、目标信息和被控对象的信息来加工自己的控制信息：控制者必须全面了解被被控对象的信息来加工自己的控制信息：控制者必须全面了解被控对象的初始运动状态控对象的初始运动状态/方式是什么，被控对象应当达到的最终运方式是什么，被控对象应当达到的最终运动状态动状态/方式是什么，干扰对被控对象的运动状态方式是什么，干扰对被控对象的运动状态/方式可能产生方式可能产生什么影响，在控制者进行干预之后被控对象的实际运动状态什么影响，在控制者进行干预之后被控对象的实际运动状态/方式方式发生了怎样的改变。发生了
6、怎样的改变。15.215.2 控制信息加工机制控制信息加工机制2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论6下图所示，称为下图所示，称为“综合型控制综合型控制”（图中把干扰源作为控制对象（图中把干扰源作为控制对象的环境表现于的环境表现于“对象与环境对象与环境”方框）。方框）。15.215.2 控制信息加工机制控制信息加工机制综合型控制综合型控制2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论7这种控制方式的特点是综合利用与问题有关的各方面信息来加工这种控制方式的特点是综合利用与问题有关的各方面信息来加工提炼
7、控制信息，因此被称为综合型控制方式（也叫闭环式控制）。提炼控制信息，因此被称为综合型控制方式（也叫闭环式控制）。怎样从被控对象信息、环境信息和目标信息中最优地加工出控制怎样从被控对象信息、环境信息和目标信息中最优地加工出控制信息？信息？按照最优化的思路，生成控制信息的问题就可以这样来解决：按照最优化的思路，生成控制信息的问题就可以这样来解决：首先找出控制目标与被控对象运动状态首先找出控制目标与被控对象运动状态/方式的关系，然后明确环方式的关系，然后明确环境或其他因素对被控对象运动状态境或其他因素对被控对象运动状态/方式的制约方式，最后，在这方式的制约方式，最后，在这些制约关系下，求出被控对象的
8、运动状态些制约关系下，求出被控对象的运动状态/方式与目标之间的最优方式与目标之间的最优关系。关系。15.215.2 控制信息加工机制控制信息加工机制2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论8如果能够用函数来描述目标与对象状态之间的关系，那么，加工如果能够用函数来描述目标与对象状态之间的关系，那么，加工和生成控制信息的问题就变为有约束条件下求函数极值的问题。和生成控制信息的问题就变为有约束条件下求函数极值的问题。假设目标状态与对象状态之间的关系可以表示为函数假设目标状态与对象状态之间的关系可以表示为函数f（x），），其其中中X是是N维列矢量，约束
9、关系可以表示为维列矢量，约束关系可以表示为15.215.2 控制信息加工机制控制信息加工机制那么上述问题就化为：在那么上述问题就化为：在M个约束下选择个约束下选择X的的N个分量，使函数个分量，使函数f（X）为最大或最小（最大或最小的确定依具体的问题背景而定，为最大或最小（最大或最小的确定依具体的问题背景而定，在求解方法上并无本质上的区别，如没有特别的申明，我们就以在求解方法上并无本质上的区别，如没有特别的申明，我们就以求极大为例来叙述）。显然，这是个数学规划的问题。求极大为例来叙述）。显然，这是个数学规划的问题。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息
10、科学导论9这些法则将揭示：在什么情况下控制是可能的，在什么情况下是这些法则将揭示：在什么情况下控制是可能的，在什么情况下是不可能的；在可能实施控制的情况下，根本的控制方法和原则是不可能的；在可能实施控制的情况下，根本的控制方法和原则是什么，等等。什么，等等。15.315.3 信息法则信息法则最简控制模型最简控制模型2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论10假定控制的目标是维持被控对象的输出状态假定控制的目标是维持被控对象的输出状态X不变，用数学语言不变，用数学语言来说就是假定来说就是假定 H（X|Y）=0显然，在这个简单模型中，显然，在这个简
11、单模型中，X之所以会改变，是因为存在干扰之所以会改变，是因为存在干扰N的影响。在一定的假设条件下，可以认为的影响。在一定的假设条件下，可以认为 H（X）=H（N）如果不存在干扰如果不存在干扰N的作用，或者，虽然存在干扰的作用，或者，虽然存在干扰N的影响，但的影响，但N是是一个恒定的不变量，那么就会有一个恒定的不变量，那么就会有H（X）=H（N）=0。当当N为某为某种随机变量的时候，种随机变量的时候，H（X）=H（N）0。为了在干扰作用下仍为了在干扰作用下仍能维持能维持X不变，控制单元就要输出适当的不变，控制单元就要输出适当的Y作用于作用于X，以便抵消以便抵消N的影响。的影响。15.315.3
12、信息法则信息法则2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论11那么，在随机干扰作用下，为了实现控制目标，那么，在随机干扰作用下，为了实现控制目标，Y应满足什么样应满足什么样的条件呢？的条件呢？15.315.3 信息法则信息法则)|()();(YXHXHYXI)()()|()|()()()|(YHXHXYHXYHYHXHYXH由由可得可得2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论12由于恒有由于恒有 H（Y|X）0 故有故有H（X|Y）H（X）-H（Y）根据上式不难判断，为了使根据上式不难判断，为了使
13、H（X|Y）=0，Y必须满足下述条件：必须满足下述条件：H（Y）H（X）或者或者 H（Y）H（N）15.315.3 信息法则信息法则2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论13上两式上两式被称为被称为“控制的信息阈值法则控制的信息阈值法则”，其，其物理意义是：在最物理意义是：在最简控制模型场合，为了实现有效的控制，首先必须获得被简控制模型场合，为了实现有效的控制，首先必须获得被控对象的信息（在这里以控对象的信息（在这里以H（X）来描述）和环境信息（这来描述）和环境信息（这里表现为干扰，用里表现为干扰，用H（N）来描述），为了在这种情况下实来描述
14、），为了在这种情况下实现现H（X|Y）=0的控制目标，控制信息量的控制目标，控制信息量H（Y）必须大于、必须大于、至少必须等于干扰信息量至少必须等于干扰信息量H（N）。）。如果满足这个条件，控如果满足这个条件，控制目标就可能实现；反之如果不能满足这个条件，控制目制目标就可能实现；反之如果不能满足这个条件，控制目标就不可能实现。标就不可能实现。15.315.3 信息法则信息法则2电气与信息工程学院电气与信息工程学院控制的信息解释控制的信息解释信息科学导论信息科学导论14从实质上说，从实质上说，“信息阈值法则信息阈值法则”乃是根据被控对象、对象环境和乃是根据被控对象、对象环境和控制目标这些基本信息对控制单元的控制能力所提出的一个临界控制目标这些基本信息对控制单元的控制能力所提出的一个临界性要求。如果控制能力高于这个临界阈，则控制是可行的；反之性要求。如果控制能力高于这个临界阈，则控制是可行的；反之则不可行。则不可行。需要指出的是，这个需要指出的是，这个“信息阈值法则信息阈值法则”虽然是从最简控制模型导虽然是从最简控制模型导出的，然而，由于模型本身具有普遍性，这一法则在理论上也具出的，然而，由于模型本身具有普遍性，这一法则在理论上也具有普遍的意义和效力。有普遍的意义和效力。15.315.3 信息法则信息法则
