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谈控制论
控制论思想
控制论击毁驱逐舰
年月,英国和阿根廷在南大西洋的马尔维纳斯(福克兰)群岛附
近,展开了第二次世界大战以来规模最大的海空战,也是世界上第一场动用
核潜艇和空对舰导弹以及复杂电子系统的大战。这次海战,双方共出动了数
十艘战舰和几百架飞机,尤其是使用了几十种现代化导弹,在水面、水下、
空中和岛岸进行了封锁与反封锁、空袭与反空袭、登陆与反登陆的殊死较量。
月日,英“征服者”号核潜艇在水下发射两枚配有先进制导系统的“虎
鱼”式鱼雷,击沉了阿根廷唯一的一艘千多吨的巡洋舰。月日,阿根
廷使用法国制造的“超级军旗式”战斗机,在距英舰公里左右处,发射一
枚“飞鱼”型空对舰导弹,一举击沉了英国现代化程度很高、价值约
亿美元的“谢菲尔德”号导弹驱逐舰。月日,阿方再次使用“超级军旗
式”飞机发射两枚“飞鱼式”导弹,又击沉了一艘排水量为万吨的英国
“大西洋运送者”号运兵船。
阿方空军用一枚价值万美元的“飞鱼”导弹,击沉了英国一艘价值
亿美元的导弹驱逐舰,使世界各国军事人员目瞪口呆,惊呼导弹在未来的海
战中将起到“关键作用”。战斗结果表明,配有精密制导系统的武器彻底改
变了传统海战方式,双方用不着面对面地舰炮对射,在几十公里乃至几百公
里外就可用导弹发动攻击了。
我们介绍这一战例的目的在于说明这样一个事实:现代导弹装配的精密
制导系统正是自动控制技术在军事上的一个重要应用。
控制论是什么?
控制论研究的对象是包括人在内的生物系统和各种非生物系统(如工程
系统、化工系统、通讯系统、经济系统等)。所谓系统,是由相互制约的各
个部件组成的具有一定功能的整体。
恒温箱就是一个简单的系统。如图所示,构成系统的基本部件是:电源、
开关、加热电阻丝、箱体和执行动作的人。因为我们的目标是要保持恒温箱
内的温度不变,所以这就是一个控制系统,受控对象是箱内温度,控制方式
是接通或断开电源开关。
如果我们希望箱内的温度保持在℃(假定环境温度低于℃),那么
当操作员观察到温度计的数值低于℃时,就合上开关,接通电源加热,使
箱内的温度升高。等升到℃,操作员又将开关断开了一段时间后,箱内温
度就会因为散热而下降,这时操作员又得合上开关为箱子加热。重复上述过
程,操作员眼睛观察温度计,手控制电源开关,就能基本上保证箱内的温度
维持在℃。
如果我们采用自动控制技术来代替人的劳动,就成为自动恒温系统。它
与人工恒温系统不同的是减少了操作员,但增加了一根弹簧、一个继电器和
有关线路。温度计底部及℃处,各有一根导线连到电源上,这些增加部件
的功能就是代替人工操作。当继电器回路的电源接通时,就会产生吸力,将
开关拉开(断开),因此加热电阻不工作(停止加热)。如果继电器回路中
电源断开,继电器不产生吸力,那么开关受弹簧拉力的作用而闭合,接通加
热器回路的电源,加热器开始加热。
这个系统是怎样实现自动控制的呢?原理很简单。因为温度计内的水银
是可以导电的,所以当箱内温度低于规定值℃时,继电器回路是断开的,
不产生吸力,弹簧把开关拉紧(闭合),加热器回路有电,电阻丝发热,箱
内温度持续升高。一旦温度升到℃时,水银使继电器回路接通,因为继电
器产生的吸力大于弹簧的拉力,所以将开关断开,加热器停止工作。由此可
见,在自动恒温系统中,弹簧与继电器接替了操作员双手的工作——合上或
断开开关;而温度计上的接线相当于人双眼的观察,它能依据箱内是否达到
规定值而使继电器工作,从而实现了自动恒温的目的。
从上面这个简单例子可以归纳出自动控制系统的一个突出特点,即系统
自动控制过程就是信息传递和变换的过程。但是一旦系统中信息传递受阻,
又会发生什么情况呢?我们再以一个美国独立战争时期发生的一件事来说
明。
当时,英国殖民主义者为了巩固它在美国的殖民统治地位和有效镇压美
国人民的起义,曾组织了一次重要的战役。英军指挥者设想一支军队从加拿
大出发,同另一支从纽约出发的军队,在一个名叫萨拉托加的地方汇合,对
那里的起义队伍形成两面夹击的进攻阵势,企图一举消灭起义军队。但是战
役的结果却并不像英军指挥者设想的那样。当其中一支部队到达指定地点
时,却始终不见另一支英军前来汇合,结果形成了孤军奋战的被动局面,惨
遭失败。事后才查明,原因是由于疏忽,行动命令只发给了一支部队,另一
支部队根本就没有接到命令。
显而易见,英军失败的主要原因是信息受阻。其下属根本没有收到上级
的任何指示,因为英军的信息传递只有自上而下(命令),而没有自下往上
的信息反馈。所谓反馈(),是指当指挥者控制系统发出的指令
信息(也叫系统输入)输入后,通过系统内部