控制论及反馈控制系统

一、控制论及反馈控制系统

从系统论、控制论的角度来看,专业学位研究生质量保障是一个动态、不确定的控制过程。专业学位研究生培养目标及培养标准的确定、培养方案制订、课程体系构建、师资队伍建设、实习实践基地建设、学位论文工作学生就业等环节均受学校体系内部与外部多种因素影响,是一个复杂的系统。从控制论的角度来看,质量保障体系中的“质量标准—过程监督—效果反馈”是一个反馈控制过程。因此,其质量保障过程可用控制论中规划控制、信息反馈和效果调节3个要素或环节来表征。

控制论是控制论创始人诺伯特·维纳(Norbert Wiener)在1948年提出的,是研究自然科学和社会科学领域各类系统的控制、信息交换、反馈调节的一门科学。控制是“为了‘改善’某个或某些对象的功能或发展,需要获得并使用信息,以这种信息为基础而造出的,加于该对象上的作用。”[66]控制论方法是指控制主体接收信息,并采用一定的控制手段,按照控制标准对信息进行控制,使输出的信息能够满足控制系统目标的方法。控制系统的实质是通过信息反馈来揭示实际成效与预定标准之间的差异,并针对偏差采取纠正措施,使系统稳定在预定的目标状态之上。

图1-7 为反馈控制系统基本原理框图。系统通过比较器、执行器、被控对象和反馈回路形成一个闭环控制系统,其控制的目的是改善某个或某些被控对象使其达到预期目标。反馈控制系统根据预期目标输入一个设定值传至比较器,比较器将预设值与反馈量进行比较后得到偏差量,再将偏差量传入执行器形成控制量予以执行作用于被控对象,通过反馈回路的检测装置再次获得反馈量,反馈量与设定值再次比较得到新的偏差信号,再根据新的偏差信号做出调整、控制,执行器将控制量作用于被控对象,实现循环控制作用。

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图1-7 反馈控制系统基本原理框图

由图1-7可以看出,控制系统中的信息输入、控制调节、反馈修正等环节构成了一个实时交互的有机整体,从而实现有效控制。可见,控制系统整个控制过程是一个信息流通过程,需要获得和使用相关有效信息,并通过信息的传输、变换、加工、处理来实现控制。即控制是施加于被控对象上的一种作用,这种作用是通过信息的获取、选择和使用而实现的。由此也可看出质量控制中及时获取准确、及时、有效信息的重要性。

一个有效的反馈控制系统必须具备以下4个要素:[67]

①预期目标,这既是系统调控要达到的目的,也是控制的基准。

②控制机构,是实施控制的核心部件,其功能是根据系统输出与目标期望的偏差进行调整,其调整量(控制量)的大小以及调整方式直接关系到系统控制质量的好坏。

③受控对象,通过接受控制机构传递的调整量,产生相应的改变以达到预期目标。

④反馈系统(包括反馈回路、比较器),通过检测受控对象的偏差(改变)并形成控制机构可识别的偏差反馈量,与预期目标比较后得到新的偏差,并通过控制系统的再循环使偏差被控制在可接受的误差范围内。

控制是施控者影响和支配受控者的行为过程,一种有目的的活动。也即是说,反馈控制系统的核心要素是目标导向(使系统主动地趋向并保持在某一个状态的附近),其控制机制是主动控制机制。而目标导向和吸引子的概念密切相关。吸引子可理解为系统行为的归宿或系统行为被吸引到的地方,它代表着一组系统状态。当一个系统进入一个吸引子的地盘后,最终会落入吸引子中,这时系统的多样性降低,熵减小,不确定性也减少,组织性增加了。如果这一过程是系统自己完成的,则该系统称为自组织系统。所有具有吸引子的动态系统都会最终落入某一个吸引子中,从而完成其自组织的过程。有关自组织的内容将在本章第五节中进一步涉及。

反馈控制是系统建立、维持、提高自身有序性的手段,其控制本质上是一种多样性的降低,过度控制将使过程与被控对象的多样性丧失。从这个意义讲,控制标准和控制量的选取也需要根据各组织、系统的实际情况来确定,过高的标准和过细的控制是不可取的。

以上理论属经典控制论范畴,它主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律,它建立了系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等控制论的基本概念和分析方法,研究的重点是反馈控制,核心装置是自动调节器,主要应用于单元装置自动化。随后发展起来的现代控制论和大系统理论,其研究对象扩展到多输入和多输出系统的非线性控制系统和众多因素复杂的控制系统(如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统等),但其基础仍然是经典控制论。