中华学生百科全书-第29部分

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的程度，并根据这些信息调整讲授方法和进度，确保教学质量。
　　　　反馈机制对于人们的各种社会实践活动也具有十分重要的意义。就拿企

业管理来说吧，管理也是一种深奥的控制活动，必须紧紧抓住信息反馈这个
关键环节。管理没有信息反馈，只有上情下达，而无下情上达，就必然会脱
离实际而出乱子，企业也会弄得一塌糊涂。同样，对经营决策者来说，市场
信息的反馈也是至关重要的，不注意市场需求变化而关起门来盲目生产的决
策者，必然会导致企业亏损，甚至倒闭。
　　　　从上面的讨论可以看出，信息概念和反馈思想是控制论的两个基本出发
点。


陀螺与航行自动控制


　　　　大家小时候可能都玩过陀螺，当你掌握了正确方法用鞭子抽打它几下以
后，它就会尖顶朝下竖起来，并绕其轴线旋转而不倾倒。
　　　　可别小看陀螺这小玩意儿，人们正是根据其自旋不倒的原理而设计制造
出了五花八门的精密陀螺仪，为各种飞行器（如飞机）、导弹、人造卫星等）
的飞行自动控制奠定了基础。尽管陀螺仪的外表看起来与常见的陀螺不大一
样，其大小也不尽相同（如用在飞行仪器上的陀螺仪最轻者只有几十克重，
而一个稳定核潜艇的陀螺仪却重达　55　吨），但是基本原理却并无二致。
　　　　陀螺仪对于现代飞行控制系统来说可谓举足轻重。它不仅对整个系统的
工作起着决定性作用，而且它的精度高低、可靠性程度和使用寿命长短等指
标，对飞行器的稳定性和精确性都有着至关重要的影响。
　　　　陀螺仪的最早应用领域是航海事业。19　世纪人们广泛利用陀螺仪标定航
向，在漫长的航海史上写下了新的一页。从　20　世纪　40　年代开始，陀螺仪便
在导弹武器及航空航天事业上得到广泛应用，其稳定性和工作精度也随着科
学技术的进步和工艺水平的提高而迅速提高。目前陀螺仪已有滚珠轴承、气
浮、液浮、挠性、激光等类型。
　　　　陀螺仪在高速旋转时，能够抗拒任何外力和干扰的影响，保持其自转轴
相对于惯性空间方向上稳定不变。当飞行器的飞行姿态偏离了预定正确方
向，陀螺仪在转轴与飞行方向之间的夹角便发生了变化，飞行器上的检测元
件立刻就可测量出来，并同时发出控制信号，通过执行机构的作用使飞行器
的状态恢复正常。因此，这种自动控制系统也叫做“姿态稳定系统”。
　　　　陀螺自转轴方向不变的原理除应用于导弹的制导和飞机姿态控制以外，
在宇航技术中也同样得到广泛运用。例如陀螺仪用在人造卫星上，可以保证
人造卫星不受外界干扰而稳定运行在预定轨道上。不论人造卫星绕地球转到
哪个位置或受其他什么外界干扰，卫星上的陀螺仪始终是指向空间某一预定
方向。
　　　　小小的玩具陀螺和精度日益提高的陀螺仪竟具有完全相同的原理，初看
起来似乎觉得有点不可思议，其实这正是大千世界中存在的客观规律。许多
表面上看来非常简单的东西，却蕴藏着深奥的科学道理，关键在于我们要认
清其本质规律，从而推动社会向前发展。
　　　　英国科学巨人牛顿从苹果落地而不是飞向空中这样一个司空见惯的现象
中，发现了苹果从树上落到地上与其他行星绕太阳运行都遵循着同样的法则
——万有引力定律，并且计算出了太阳系中各行星绕太阳旋转的轨道和周
期，一下子把几百年来争论不休的是“日心学说”正确还是“地心学说”正
确的问题解释得一清二楚。科技发展史表明，科学上许多原理和理论，常常

是经过一段模糊时期后突然为人们所认识。细心的读者是否会从中得到什么
启迪呢？


自动控制与电子战争


　　　　现代科学技术的发展，使电子技术在军事上的应用日益普及。现代化的
武器装备，如大炮、坦克、飞机、军舰、导弹等，都配有相应的雷达、通讯
设备及红外线或激光装置。然而历史的发展规律总是“有矛就有盾”。有了
电子技术的应用，就会有电子技术上的斗争，这样现代战争中就出现了一个
崭新的竞争领域——电子对抗和电子干扰，或叫做电子战。
　　　　所谓电子对抗，是指敌对双方利用电子设备和能够反射、吸收电磁波的
器材的电子斗争。电子对抗的历史可以追溯到本世纪初。当无线电刚开始在
军事通信中应用时，以截获和破译敌方情报为特征的简单的无线电通信对抗
就萌芽了，并揭开了电子对抗的序幕。二次大战以来，炮瞄雷达、导弹制导
雷达和飞机截击雷达相继问世，大大提高了武器命中率。与此同时，围绕着
兵器控制与反控制展开了更激烈的电子对抗。
　　　　我们知道，雷达和无线电通信是现代社会当之无愧的“千里眼”和“顺
风耳”。而电子干扰却能把敌人的“眼睛”和“耳朵”封住，使它们成为“瞎
子”和“聋子”，或者巧施妙计，使敌人上当受骗。比如，利用雷达干扰发
射机作为干扰源，可以发射或转发某种电磁波来压制敌方的电子设备，使它
们无法正常工作。我们平时收看电视都有体会，如果附近有电子干扰（如汽
车发动机或电焊机等工作时所产生的干扰），电视屏幕的画面就会发生畸变，
干扰越强，画面畸变越厉害。同样，当飞机或舰艇上的雷达接收机受到干扰
压制后，在雷达距离显示器屏幕上会出现参差不齐的“茅草”。干扰电波的
能量越大，“茅草”长得越高，把本应能够发现的目标信号给掩盖住了，因
为此时目标信号完全淹没在干扰信号中了。而且，无线电通信设备受到强烈
的电磁干扰后，耳机中充满了杂乱刺耳的噪声，也无法进行正常的通信联络。
　　　　另外一种电子对抗手段是欺骗性干扰。其原理是用干扰发射机或无线电
台巧妙地模仿敌方信号使敌人上当受骗。对雷达的欺骗性干扰，可使雷达在
测定目标、方位、速度时产生错误，破坏雷达跟踪或制导，使敌方火炮、导
弹击不中目标。无线电通信欺骗干扰还可以冒充敌台通报、通话，搅乱敌方
通信，达到以假乱真的目的。
　　　　电子干扰技术在第二次世界大战中为盟军　1944　年　6　月在法国诺曼底登
陆，并最终消灭德国法西斯军队立下了汗马功劳。当时盟军的具体作法是：
　　　　（1）将计就计，实施欺骗。纳粹德军统帅部曾武断地认为联军将在加莱
地区登陆。英美联军将计就计，在多佛尔设置了一个假司令部电台群，不断
发出内容适当的电报，故意泄密，造成联军将在加莱登陆的假象，使希特勒
陷入圈套。
　　　　（2）严密侦察，挖睛扫障。英美联军对德军部署在法国沿海一带的雷达
站、干扰站、警报台和电台进行严密侦察，并做到了如指掌。在登陆前夕，
又派出轰炸机和战斗机进行大规模袭击，摧毁了德军所有的干扰台和　80％以
上的雷达站，挖掉了德军的“眼睛”，并保证了联军雷达和电台的正常工作。
　　　　（3）巧布疑阵，声东击西。登陆前夜，英美联军用一群群小船装着角反
射器，拖着涂铝汽球等用于干扰的物体驶向加莱地区，使残存无几的德军雷

达误将小船队视为大批飞机掩护下的大型进攻舰队，牵制住了加莱地区的大
量德军，减少了联军在诺曼底登陆战中的阻力。
　　　　　（4）施放干扰，出奇制胜。登陆开始时，英美联军出动　320　架干扰飞机
迷惑德军残存的雷达，掩护了飞向战区的大批战机。庞大的突击舰队始终隐
蔽前进，只是在距登陆地点　10　海里时，因发动机响声才被德军发现，然而联
军　5　个师　20　万人的突击部队的登陆已是势不可挡了。
　　　　　60　年代以来，还出现了一种反雷达导弹，是专门用来对付敌方雷达的导
弹。其原理是利用敌方雷达发射的电磁波作引导，跟踪其信号直捣老巢，最
后摧毁敌方雷达站。反雷达导弹第一次出现在战争舞台上是　1965　年，当时美
国利用“百舌鸟”反雷达导弹，攻击越南的高炮阵地。装备“百舌鸟”导弹
的飞机，一般先在地面防空高炮火力有效射程外盘旋，引诱敌方雷达开机搜
索，然后捕捉其信号，再发射导弹予以摧毁。这种武器曾严重破坏了越南北
方地面雷达系统。其后，在中东战争、英阿马岛战争、两伊战争中，反雷达
导弹都显示了巨大的威力。


“最优化”思想


　　　　　在日常生活中，我们都有这样的经验，无论干什么事都希望以最小的代
价获得最大的成功。例如上街购买东西时，我们总是挑那些质量好、外形最
美观、价格也便宜的商品；在学习上，我们喜欢掌握最好的学习方法，以便
在最短的时间内取得最好的学习成绩；在工作时，我们更愿意用最轻松愉快
的方式来取得最满意的工作效果。这些看似平常的日常现象，其中包含了现
代控制理论中的“最优化”思想。将上述这种“最优化”的观点应用于工程
实践，便产生了在社会生活各个方面得到广泛应用的最优控制技术。
　　　　　最优控制理论的发展是伴随着“最优化”概念的提出而开始的。在第二
次大战期间及以后的一段时间内，应战争和军事防御上的需要，以提高大炮
发射命中率为主要目标的自动控制系统（通常叫做伺服系统）的技术日臻完
善。但是，随着社会的发展，简单的反馈控制已经难以满足工程实践的要求，
传统的系统设计方法也无法实现日渐增高的性能指标。在这种情况下，科学
家们通过大量的研究，于　50　年代初提出了最优化的概念，并试图对控制对象
施加最优控制。但由于理论上尚不完善故未能真正实现。直到　1960　年前后，
由于在控制理论中引入一系列新的研究方法和数学成果，推出了最优控制所
必须满足的必要的充分条件后，才使最优控制的应用逐渐普及，并成为　60
年代自动控制领域的热门课题。特别是空间技术的迅猛发展，更进一步推动
了最优控制理论向前迈进。举个例子来说，为了使宇宙飞船登月舱能以最小
的燃料在月球表面准确、平稳地实现“软着陆”，即落到月球表面时的速度
恰好为零，以避免与月球表面发生碰撞而损坏舱内设备，必然选择合适的控
制方式来改变火箭发动机的推力。这就是所谓的“月球软着陆”问题，也叫
做“燃料最省控制问题。”
　　　　　再举一个例子：坐电梯。开关一按，哧溜一下就到了几十层的大楼顶上。
电梯省时省力，是现代科学和文明的产物。不过，应当怎样来控制电梯的运
动，使它能以最短的时间到达顶楼（或从楼上下到地面）地面呢？也许有人
会说，这还不简单，让电梯始终以最快的速度直上（或直下）不就行了么！
其实仔细想一下就会发现这种控制方式是不行的。因为当电梯以最大的速度

冲向楼顶（或地面）时，必然会发生剧烈的碰撞而造成设置损坏甚至人员伤
亡。因此必须运用科学分析的方法，制定合理可行的控制方案，既要保证电
梯上升（或下降）的时间最短，又要让它到达楼顶或地面时速度恰好为零。
这也是一个最优控制问题，我们称之为“时间最优控制问题”。
　　　　为了解决各种各样的最优控制问题，人们找到了许多方法，其中有两种
最有成效。一种是美国学者贝尔曼于　1953～1957　年间研究提出的“动态规
划”；另一种是前苏联学者庞特里亚金于　1956～1958　年间创立的“极大值原
理”。


变色蜥蜴的启示


　　　　“变色龙”，也叫“变色蜥蜴”，它能够自动适应周围环境的变化，随
时把皮肤颜色变成与它所附着的物体相同的颜色（俗称保护色）。变色龙这
种难能可贵的变色本领具有极好的伪装效果，通常不会为凶猛野兽识别，从
而达到保护自己免受其天敌袭击或吞食的目的。
　　　　我们人体本身也同样具有适应外界环境变化的巨大能力。如人的体温，
无论酷暑严寒，总能保持在一个相对恒定的水平上。
　　　　人们从生物体具有自动适应外界环境变化的能力这种自然现象中受到了
很大的启发。如果人们设计的自动控制系统也能够在外界条件发生变化时，
仍然保持最优运行，岂不是美事一桩吗？正是在这种思想支配下，人们提出
了自适应控制（Adaptive　Control）的概念。
　　　　前面我们已经介绍了，反馈控制的基本思想是利用系统输入（受控量）
与希望值之间的偏差来控制系统的行为，使误差趋近于零。但实际上，由于
多数受控制对象的特性很难准确掌握，内部参数也随环境而变化（如电阻会
随温度变化），外界条件会随时波动（如电压波动），而且这些变化通常是
无法预测的，所以，人们在对原系统进行控制的过程中，该系统的特性实际
上已经发生了不同程度的变化。事先确定的最优控制在内部参数和外部环境
变化后，可能已不再是最优方案了，因此只有设计一种随内部参数和外部环
境变化而自动调整系统特性的控制方式，才能保证控制系统始终处于或接近
最优运行状态，这种系统就是自适应控制系统，具有自适应能力的控制器叫
做自适应控制器。
　　　　自适应控制的设想，最先是由考德威尔（W．1．Caldwell）于　1950　年提出
来的。1958　年美国麻省理工学院的怀特克（H．P．Whitaker）教授首先应用自
适应控制方法设计了飞机自适应自动驾驶仪。
　　　　自适应控制系统的两个基本功能是：①能够自动检测和分析受控对象的
特性以及系统所处环境的变化；②能够根据从环境和系统内部检测到的信息
得出决策，适当改变系统的结构或参数以及控制策略，以保护系统在任何情
况下都能稳定和最优运行。要实现这两种功能，显然必须进行大量的复杂计
算和推断，所以自适应控制系统离不开现代社会的“天之骄子”——电子计
算机的帮助。可以说，没有电子计算机的参与，要实现系统的自适应控制是
不可能的，正如“巧妇难为无米之炊”。
　　　　如前所述，飞行器的控制是较早应用自适应控制技术的。大家知道，飞
行器飞行的高度和速度会随着高空中云层、气流等环境的改变而发生剧烈变
化，飞行器的动力学参数也会产生较大波动，依靠常规的反馈控制往往难以

获得令人满意的控制精度。现在，采用带电脑的自适应控制系统可以实现良
好的飞行。此外，大型船舶的自动驾驶仪是自适应控制技术成功应用的典型
范例。
　　　　海上航行，环境复杂，气候多变，随时会出现一些意想不到的情况，如
海浪、海潮、台风等。采用船舶自适应驾驶仪后，则可以克服风、流、浪、
水域深度、船舶装载重量及其他不可预见的因素对船舶操纵性能的影响，确
保船舶在各种环境条件下能量消耗最小，并安全准确地航行。目前，瑞典、
日本和英美等国已生产出许多性能良好的产品投放市场。由于采用这种自适
应驾驶仪后，航速可提高　1％，估计每条远洋轮船可节省燃油　3％，因此具有
明显的经济效益和社会效益。
　　　　在医院，当有重病患者需急诊抢救时，往往要对患者进行长时间的输液
治疗，这对医护人员是一个很重的负担。日夜值班守护，一时疏忽就可能酿
成重大事故。但如果采用自适应监护系统，就可以日夜不间断地监测病人的
脉搏和心电图，及时获得病情信息，并根据病人病情变化自动调整输液量。
这样不但减轻医护人员的工作负担，还可明显提高治疗效果。
　　　　此外，自适应控制技术还广泛应用于工业、农业、石油勘探与开发、资
源分配、宏观经济调控等各个部门。
　　　　自适应控制系统的进一步发展，将走向所谓“自学习”、“自组织”和
“智能控制”系统。这些系统除具备一般自适应功能外，还能够自动记忆本
系统过去的经验和教训，回忆过去曾经发生的情况，并基于这些信息改进系
统的自适应功能。或许在不远的将来，通过读者朋友们的辛勤劳动和创造，
在自动控制领域内将产生更加惊人的突破。


“黑箱”问题


　　　　今天，人们在许多科学研究领域，都可以碰到“黑箱”这一概念，但它
并不是指一只真正的黑色箱子，而是控制论中的一个重要概念。作为一种近
代科学方法，黑箱方法已越来越受到人们重视，并且与现代科学技术手段联
系在一起，广泛应用于社会生活实践中。
　　　　1945　年，控制论的创始人维纳在一篇文章中写道：“所有的科学问题都
是作为‘闭盒’问题开始的”，“若干可供选择的结构被密封在‘闭盒’中，
研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出。”维纳所说的闭盒，也就是
我们今天所说的黑箱。
　　　　到底什么是“黑箱”呢？粗略地说，所谓黑箱是指它的内部构造和机理
还不清楚，但可以通过外部观测和试验来认识它的功能和特征。在现实生活
中，许多客观事物，当人们还不可能，或客观条件不允许深入解剖其内部细
节（因而无法详细了解其内部结构和特征），都可以把它看做是黑箱。为了
让读者对黑箱概念有个形象化的认识，我们先从“大脑之谜”说起。
　　　　“大脑之谜”，也叫做“身心问题”，在科学研究史上是一个长期以来
没有得到圆满解答的难题，无数科学家和哲学家倾注了毕生的心血进行过深
入探讨和研究，提出了种种假设和理论。思维究竟是怎样从物质中产生出来
的？大脑功能的具体活动机制又是什么？要解答这一系列问题可不是一件容
易的事。人们可以用物理上的分割法，研究物质的结构和属性；也可以用化
学分解和合成的方法来了解不同物质的成分。但这些方法，对研究大脑的思

维功能却是鞭长莫及的，因为即使按这些方法的要求，将大脑打开，解剖分
析，也只能是对失去思维功能的大脑物质的认识。这样，在科学研究面前，
大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现，而无法深入其内在了解其机制
的难题。它就像一个不能打开的箱子一样，里面的一切对于我们来说都是黑
乎乎的，一无所知。
　　　　在高能物理中，就有如下一个事实：当物质被高度分割后，就会出现不
能再分割的微粒，这时人们只能借助科学仪器来观察其行为，而无法再通过
分割来了解其内部结构。对于这类问题，必须开辟新的研究途径。幸好控制
论中提出的黑箱研究方法，为我们研究这类问题提供了可能。
　　　　所谓黑箱方法，指的是当一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和
试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在
不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科
学方法。人们常说“知人知面不知心”。如果说人相当于一个黑箱的话，那
么我们可以通过“听其言，观其行”而“知其心”，这是一种行为分析的方
法。
　　　　黑箱方法的道理并不神秘，在我们的日常生活中，人们都在自觉或不自
觉地运用这种方法。比如说看电视，如果说看电视必须要懂得电视内部结构
和工作原理才行，那恐怕能看电视的人就不会很多了。然而，人们虽然不懂
得电视机内部构造和机理，却知道按哪个开关打开它，调整哪些开关可以得
到清晰稳定的画面效果，什么情况是出了故障，等等。这些都是我们运用黑
箱方法的具体体现。不过黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病，主
要是通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断，开方抓药。有时遇到疑
难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察病人的反应，并随时增
减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征
入手，实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。上面所举的例子，
主要是让读者对黑箱方法有个基本的认识，但是控制论的黑箱方法，作为一
种科学研究方法，具有自己的特点和独特表达方式。随着科学技术不断发展，
对系统进行动态观测的黑箱方法，已发展成为现代控制理论的一个重要分支
——系统辨识。辨识，指的是通过外部观测系统得到系统的输入…输出数据，
然后用数学方法确定系统的结构和参数，求得定量描述系统动态特性的数学
模型，并在此基础上，实现对系统的最优控制。


“人狮搏斗”中的控制论思想


　　　　意大利古罗马斗兽场内，座无虚席、人声鼎沸，一场残酷的人狮角逐正
在这里进行。只见“兽中之王”大吼一声，猛地一扑，向角斗士直扑过来，
而那位健壮刚强的小伙子却敏捷的闪开了……奴隶主们注视着这一惊险纷呈
的场面，不由得大声叫喊起来，或者得意忘形，或者懊丧至极。原来，他们
正在进行一场奇导的