1、自然辯證法與自動控制理論的發(fā)展*（太原科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 控制工程 學(xué)號 *）摘要：本文以自然辯證法的觀點討論了自動控制理論的發(fā)展過程。在文中，充分運用了自然辯證法的基本理論、基本方法，分析了自動控制理論的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)自然辯證法的觀點闡述了自動控制理論中反饋的因果關(guān)系，對自動控制理論的未來發(fā)展作出了大膽的預(yù)測。關(guān)鍵字：自然辯證法；自動控制理論；經(jīng)典控制理論；現(xiàn)代控制理論一 引言 在從1868年至今的短短一百多年的時間里，自動控制理論無論在深度還是廣度上都得到了令人難以置信的發(fā)展，并在這一個半世紀(jì)中對人類社會的方方面面產(chǎn)生了難以估量的影響。自動控制理論中的反饋理論的成功建立

2、與應(yīng)用，將哲學(xué)上簡單的“因果關(guān)系”進(jìn)一步發(fā)展成了“因果果因”關(guān)系，反饋理論也因此深入人心。將自動控制理論上升到哲學(xué)的高度，并用自然辯證法的觀點和方法認(rèn)識分析它，不僅將有助于我們更加深入的認(rèn)識和理解自然辯證法，也將幫助我們更加準(zhǔn)確的把握自動控制理論的發(fā)展趨勢。二 自然辯證法 自然辯證法是馬克思主義的自然觀和自然科學(xué)觀。體現(xiàn)馬克思主義哲學(xué)的世界觀、認(rèn)識論、方法論的統(tǒng)一，構(gòu)成馬克思主義哲學(xué)的一個組成部分。F.恩格斯的自然辯證法（Dialectics of Nature）所開創(chuàng)的研究領(lǐng)域。自然界本身的辯證法是通過自然科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展日益被揭示出來的，兩個方面的研究密切相聯(lián)，不可分割。作為馬克思主義哲學(xué)

3、重要領(lǐng)域的自然辯證法，有其歷史的淵源。從I.康德于 1755年和P.-S.拉普拉斯于1796年提出星云說，試圖揭示天體演化的歷史開始，形而上學(xué)的自然觀被打開了第一個缺口。19世紀(jì)以來，自然科學(xué)有了 一系列發(fā)現(xiàn)，其中，能量轉(zhuǎn)化、細(xì)胞學(xué)說和進(jìn)化論，被恩格斯稱之為自然科學(xué)中徹底動搖了形而上學(xué)自然觀的三大發(fā)現(xiàn)。這一切都從不同方面揭示了自然界的歷史發(fā) 展和普遍聯(lián)系，充分展示了整個自然科學(xué)從經(jīng)驗到理論、從分析到綜合的發(fā)展過程。馬克思主義的自然辯證法是在19世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上建立起來的。從哲 學(xué)思想的淵源上說，它依據(jù)自然科學(xué)發(fā)展的成果，對德國古典哲學(xué)中的唯心主義辯證法進(jìn)行了唯物主義的改造。馬克思和恩格

4、斯形成他們的新哲學(xué)世界觀，始于19 世紀(jì)40年代。他們關(guān)于自然辯證法思想的萌芽，也產(chǎn)生于這一時期。系統(tǒng)地研究、建立和闡明馬克思主義自然辯證法，主要是由恩格斯從19世紀(jì)50年代后期起進(jìn)行的。在反杜林論哲學(xué)篇和自然辯證法手稿中，恩格斯依據(jù)當(dāng)時的自然科學(xué)成果 描 繪了整個自然界發(fā)展的辯證圖景，運用豐富的自然科學(xué)材料闡發(fā)了辯證法的基本規(guī)律，研究了各門自然科學(xué)的辯證內(nèi)容。他把自然科學(xué)所揭示的自然界的辯證法同自然科學(xué)認(rèn)識發(fā)展和研究方法的辯證法聯(lián)系起來研究，并認(rèn)為從根本上來說認(rèn)識 的辯證法是客觀的辯證法的反映，指出辯證法是唯一的、最高度地適合于自然觀的這 一發(fā)展階段的思維方法。馬克思和恩格斯很重視研究人和自

5、然的關(guān)系，研究了自然科學(xué)和技術(shù)在社會發(fā)展中的作用和在社會中的發(fā)展規(guī)律。恩格斯提出18世紀(jì)科學(xué) 和哲學(xué)結(jié)合的結(jié)果就是唯物主義、啟蒙時代和法國的政治革命，科學(xué)和實踐結(jié)合的結(jié)果就是英國的社會革命等著名論斷。馬克思在研究政治經(jīng)濟學(xué)的過程中，詳細(xì)地 研究了技術(shù)史，論述了自然科學(xué)和技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代社會中的作用。自然辯證法的產(chǎn)生不僅對馬克思主義哲學(xué)，而且對整個馬克思主義革命學(xué)說有重要意義。在恩格斯逝世后，馬克思主義自然辯證法得到了廣泛的傳播和發(fā)展。列寧在19世紀(jì)末20世紀(jì)初自然科學(xué)新發(fā)展的背景下，在捍衛(wèi)馬克思主義哲學(xué)的斗爭中，寫出了唯物主義和經(jīng)驗批判主義一 書。提出了“世界圖景就是物質(zhì)運動和物質(zhì)思維的圖

6、景”的著名論點。俄國十月革命以后，列寧發(fā)表了論戰(zhàn)斗唯物主義的意義一文，要求戰(zhàn)斗唯物主義者同 自然科學(xué)家結(jié)成聯(lián)盟，用唯物辯證法研究自然科學(xué)革命所提出的種種哲學(xué)問題，從而為社會主義國家這方面研究工作的發(fā)展提出了一個綱領(lǐng)。1925年，恩格斯的 自然辯證法一書在蘇聯(lián)出版。這部著作的問世，大大促進(jìn)了馬克思主義自然辯證法在蘇聯(lián)和世界各地的傳播。在中國，自然辯證法隨著恩格斯這部著作中譯本于1929年的出版，逐漸在接受馬克思主義的哲學(xué)工作者和自然科學(xué)工作者中間傳播開來。中華人民共和國建立以后，它在廣大哲學(xué)工作者和自然科學(xué)工作者中間，得到更廣泛的學(xué)習(xí)和傳播。毛澤東的哲學(xué)著作實踐論和矛盾論，在中國科學(xué)工作者學(xué)習(xí)馬

7、克思主義認(rèn)識論和辯證法、開展自然辯證法研究中，起了重要作用。 自然辯證法的發(fā)展同自然科學(xué)的發(fā)展緊密聯(lián)系著，20世紀(jì)以來自然科學(xué)的突飛猛進(jìn)，極大地擴大和加深了人類對自然界的認(rèn)識，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了19世紀(jì)自然科 學(xué)的眼界。20世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)在更加廣闊的范圍和更加深刻的程度上揭示了自然界的辯證法和自然科學(xué)的辯證法，使辯證法的許多基本觀點由于無數(shù)確鑿 的自然科學(xué)事實而在實際上為自然科學(xué)界所廣泛接受。三 自動控制理論的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢 自動控制理論論是一種關(guān)于自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、分析和設(shè)計的理論。自動控制理論的任務(wù)就是研究自動控制系統(tǒng)中變量的運動規(guī)律，并為改變這種運動規(guī)律尋找可能性和途徑，為建造高性

8、能的自動控制系統(tǒng)提供必要的理論手段。自動控制理論的形成遠(yuǎn)比人類對自動控制裝置的應(yīng)用晚得多，它產(chǎn)生于人們對自動控制技術(shù)的長期探索和大量實踐，它的發(fā)展得到了其他學(xué)科,尤其是數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、電工學(xué)和電子學(xué)的推動,近些年來更是受到計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的促進(jìn)。 1.自動控制原理的發(fā)展歷史 雖然在自動控制原理中最為經(jīng)典的反饋控制裝置早在公元前1500年左右，就被古埃及和古巴比倫人應(yīng)用于水鐘上了，但是目前公認(rèn)的第一篇關(guān)于自動控制原理的公開論文卻只能追溯到1868年。雖然自文藝復(fù)興以后，牛頓、拉普拉斯、瓦特等諸多科學(xué)先賢曾對控制理論中的穩(wěn)定性等問題提出自己的見解，但是直到1868年由James Clerk

9、Maxwell所發(fā)表的論調(diào)節(jié)器才真正的打開了通向控制理論世界的大門。這篇論文也被認(rèn)為是自動控制原理的開端。而在此之后，Edward John Routh將各種有關(guān)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的孤立結(jié)論統(tǒng)一起來，給出了現(xiàn)在在控制理論中廣泛應(yīng)用的“勞斯判據(jù)”。而在1892年，著名的數(shù)學(xué)理學(xué)家A.M.Lyapunov在自己的博士論文“運動穩(wěn)定性的一般問題”中提出了在當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用并影響巨大的李雅普諾夫方法。這種方法成為了各種線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，甚至是混沌系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的重要理論依據(jù)。自此之后，以單輸入單輸出為主要研究對象的古典控制理論得到了極大的發(fā)展，涌現(xiàn)出了如Harold Black，Harry Nyqu

10、ist，Hendrik Bode等對控制理論做出了巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家。1948年美國電信工程師 W.R.Evans建立了根軌跡法，將自動控制理論的研究域從時域擴展到了頻域。直到1954年中國科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表了工程控制論全面總結(jié)了古典控制理論，古典控制理論的發(fā)展也漸漸進(jìn)入了尾聲。 此時，隨著科學(xué)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了大量的多輸入多輸出的控制系統(tǒng)。而在無數(shù)學(xué)者將古典控制理論推廣到多輸入多輸出系統(tǒng)失敗之后，新的控制理論的誕生成為了一件迫在眉睫的事情。1956年俄羅斯數(shù)學(xué)家Pontryagin創(chuàng)立了極大值原理，同年美國數(shù)學(xué)家R.E.Bellman創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃，這兩個理論的建立成為了新型控

11、制理論，即現(xiàn)代控制理論的基石。美國數(shù)學(xué)家Rudolf Emil Kalman于1959年提出了卡爾曼濾波，并于1960年提出了系統(tǒng)的能觀性和能控性問題。同年，在第一屆全美聯(lián)合控制會議上通過對研究對象的區(qū)別，將控制理論分為了以單變量控制系統(tǒng)為研究對象的古典控制理論和以多變量控制系統(tǒng)為研究對象的現(xiàn)代控制理論。雖然兩者被分別稱為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論，但并沒有內(nèi)在聯(lián)系，只是研究對象不同。到了二十一世紀(jì)的今天，現(xiàn)代控制理論得到了長足的發(fā)展，已成為包括線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨即最優(yōu)估計和控制、魯棒控制、模糊控制、智能控制、集散控制理論（DCS）等原理的完備的理論體系。2.自動控制原理的發(fā)展現(xiàn)狀

12、目前在傳統(tǒng)的但輸入單輸出系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的場合依然應(yīng)用古典控制理論，尤其是在過程控制和機電系統(tǒng)控制中應(yīng)用PID控制。同時，為了能夠得到更好的控制精度，史密斯預(yù)估器和大林工業(yè)算法等由PID控制方法改進(jìn)的控制算法也被廣泛應(yīng)用。 而隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛躍式發(fā)展，現(xiàn)代控制理論中的線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制理論被廣泛應(yīng)用。特別是在一些計算機控制的系統(tǒng)中，將原始的連續(xù)系統(tǒng)離散化后，利用線性系統(tǒng)理論中的降維觀測器和極點配置的狀態(tài)反饋，以及最優(yōu)控制理論中的極大值原理和線性二次型控制方法（LQR）都使得控制系統(tǒng)既得到了良好的控制精度，也能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性

13、等系統(tǒng)性能指標(biāo)。 然而，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的高維、非線性、時變、分布參數(shù)、不確定的控制系統(tǒng)，對于這些新型的系統(tǒng)，無論是古典控制理論還是傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論都難以滿足控制系統(tǒng)應(yīng)用的需要。而將自動控制、人工智能和運籌學(xué)統(tǒng)一起來的智能控制就很好的解決了這一點?；谥悄苣M、知識表達(dá)和問題求解的智能控制如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、高維系統(tǒng)，甚至是灰色系統(tǒng)領(lǐng)域。3.自動控制理論的發(fā)展趨勢 在21世紀(jì)來臨之際，歐美的一些自動控制學(xué)者組織了一個關(guān)于控制、動力學(xué)和系統(tǒng)未來發(fā)展方向的專題小組，并完成了信息爆炸時代的控制(Control in an Information Ri

14、ch World)的專題報告。在此報告中，專家們指出：為了充分實現(xiàn)應(yīng)用于新型領(lǐng)域的控制潛力，必須發(fā)展新的方法和技術(shù)。下列幾個問題可以幫助我們理解面臨的挑戰(zhàn)。 (1) 具有符號和連續(xù)動力學(xué)系統(tǒng)的控制。下一代的系統(tǒng)將把邏輯運算（如何符號推理和決策）和連續(xù)量(如電壓、位置和濃度)結(jié)合起來。目前的理論不能有效地處理這樣的系統(tǒng)，特別是描述大系統(tǒng)的時候。 (2) 分布、異步和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的控制。 (3) 高層次的協(xié)調(diào)與自主。 (4) 控制算法的自動綜合，且具有集成的驗證和確認(rèn)。未來的工程系統(tǒng)需要能夠快速地進(jìn)行設(shè)計、再設(shè)計和實現(xiàn)控制的軟件。研究人員需要開發(fā)功能更強大的設(shè)計工具， 使得從建模到環(huán)路中含有硬件的仿

15、真(hardware-in-the-loop simulation)的整個控制系統(tǒng)設(shè)計過程能自動完成，這包括系統(tǒng)軟件驗證和確認(rèn)。 (5)利用不可靠的部件建立可靠的系統(tǒng)。 從上述報告發(fā)表至今，以上所列的五個問題仍然是當(dāng)今自動控制研究和發(fā)展所面臨的最主要問題和研究熱點。 而生物信息學(xué)、智能交通系統(tǒng)、智能空間系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)的平行控制和管理也成為了自動控制理論發(fā)展的新的學(xué)科領(lǐng)域。四 結(jié)束語 只有用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物，才能夠正確而清楚的了解該事物的過去、現(xiàn)在和未來，自動控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)理論，它的發(fā)展與其他科學(xué)技術(shù)理論一樣，同樣遵循著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律。只有充分應(yīng)用自然辯證法的觀點和方法來

16、深入剖析自動控制理論，我們才能夠更加精確而深入的認(rèn)識自動控制理論發(fā)展的過去、現(xiàn)在和未來。當(dāng)我們擁有了自然辯證法這把神奇的鑰匙，我就可以用它來開啟科學(xué)認(rèn)知的大門。也只有這樣，我們才能夠更好的回首過去、把握現(xiàn)在、展望未來，精確而深入地把握自動控制理論的發(fā)展方向，更好地學(xué)習(xí)、利用并發(fā)展自動控制理論。 參考文獻(xiàn)1王慶林.自動控制理論的早期發(fā)展歷史（經(jīng)典控制理論部分）.中國自動化學(xué)會社區(qū)2周立凱.自然談辯證法和計算機語言發(fā)展.科技信息，2007,17:133許曉鳴，孫優(yōu)賢，熊剛.智能控制理論及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀.電子技術(shù)應(yīng)用，1997,8：464Control in an Information Rich

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